CN113401165A - 一种钢轨扣件松脱检测机器人及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨扣件松脱检测机器人，检测机器人一端横向两侧对应设有一组力锤和传感器组件；所述力锤通过力锤传动杆与对应的气动系统连接，并且通过所述气动系统控制力锤传动杆上下运动；所述传感器通过传感器传动杆与对应的蜗轮蜗杆系统连接，并且通过所述蜗轮蜗杆系统实现传感器传动杆的上下运动；同时所述传感器对与其对应的力锤敲击钢轨轨面后产生的振动信号进行采集。本发明还公开了一种钢轨扣件松脱检测机器人的检测方法。本发明机器人本身携带有力锤，通过力锤在钢轨轨面敲击产生激励点，结合传感器对获得的钢轨振动信号进行收集和分析，获取钢轨扣件的松脱状态，解决了传统检测方式灵敏度低、效率低、成本高和容易漏检的问题。

Description

一种钢轨扣件松脱检测机器人及其检测方法

技术领域

本发明属于钢轨巡检设备技术领域，具体涉及一种钢轨扣件松脱检测机器人及其检测方法。

背景技术

扣件是连接钢轨与轨枕的重要部件，为钢轨提供扣压力确保钢轨不发生纵向和轴向偏移，是保证铁路运营安全的关键部件。随着高速铁路朝着高速重载化方向发展，在列车重复载荷作用下，轨道结构的轨下基础可能会产生破损，致使扣件松脱。一个扣件的松脱往往很容易诱发周围扣件的松脱，加剧轨道结构破坏，对列车行车安全将产生很大影响。为此，人们长期以来一直都在积极地寻找一种能自动、高效而准确地检测出沿线上松脱扣件的检测方法。

目前，扣件松脱检测主要有三种方法：基于人工巡检的方法、基于计算机视觉的方法以及基于振动信号的方法；其中基于人工巡检的方法效率低、成本高、容易漏检；计算机视觉的方法能够有效识别扣件是否缺失，但不能识别扣件的松脱程度，并且列车振动对图像质量有很大的影响；基于振动信号的方法，采用自功率谱密度的方法识别扣件松脱，该方法的灵敏度低，容易受输入激励的影响，扣件松脱识别结果不好。

例如公开号为CN103194942A的中国发明专利，公开了一种轨道振动信号移动检测装置及检测方法，但是其方法是通过振动检测装置采集轨检车移动过程中产生的振动信号，通过分析轨检车自身移动过程中振动的、来分析判断轨道的扣件松脱情况。由于轨检车自身振动情况的发生较为复杂，不易控制。因此仍然没有一种将检测装置和激励装置集成为一体的巡检设备。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种钢轨扣件松脱检测机器人及其检测方法，机器人本身携带有力锤，通过力锤在钢轨轨面敲击产生激励点，并结合传感器对获得的钢轨振动信号进行收集和分析，从而得知钢轨扣件的松脱状态，解决了传统检测方式灵敏度低、效率低、成本高和容易漏检的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种钢轨扣件松脱检测机器人，检测机器人一端横向两侧对应设有一组力锤和传感器组件；其中，

所述力锤通过力锤传动杆与对应的气动系统连接，并且通过所述气动系统控制力锤传动杆上下运动；所述传感器通过传感器传动杆与对应的蜗轮蜗杆系统连接，并且通过所述蜗轮蜗杆系统实现传感器传动杆的上下运动；同时所述传感器对与其对应的力锤敲击钢轨轨面后产生的振动信号进行采集。

作为本发明的进一步改进，所述气动系统包括气室及气压泵；所述气压泵与所述气室连接，所述气室中气体的进出控制所述力锤传动杆上下运动。

作为本发明的进一步改进，所述气压泵与气室之间设有电磁阀，该电磁阀控制气体在气室内的进出。

作为本发明的进一步改进，所述蜗轮蜗杆系统包括蜗轮、蜗杆以及与两者相连的电机，所述电机用于驱动蜗轮和蜗杆以控制所述传感器传动杆上下运动。

作为本发明的进一步改进，所述蜗轮蜗杆系统还包括耦合剂存放装置、与之相连的耦合剂导管，所述耦合剂导管沿着传感器传动杆接至传感器处，以将耦合剂传输至传感器处。

作为本发明的进一步改进，检测机器人上设有摄像头、位置标定器，且所述摄像头和位置标定器设有至少两组，分设于检测机器人横向两侧，分别与两侧的轨道对应。

作为本发明的进一步改进，检测机器人上还集成有设有蓄电池、主控机及传动箱；其中所述主控机为机器人的控制系统，所述传动箱中内置电机，且与检测机器人的车轮对应。

作为本发明的进一步改进，检测机器人另一端横向两侧设有备用力锤，各备用力锤对应设有传感器。

按照本发明的另一方面，提供一种钢轨扣件松脱检测机器人的检测方法，适用于所述的钢轨扣件松脱检测机器人，包括如下步骤：

S1巡检机器人在控制系统控制下沿钢轨前行，设置在巡检器机人两侧的摄像头识别到第一个扣件后，机器人停下，位置标定器进行位置标定；

S2传感器通过蜗轮蜗杆系统下降至紧贴轨道表面，并且传感器自带的耦合剂对钢轨表面进行涂抹；

S3力锤通过气动系统控制向下敲击钢轨轨面后立刻收回，传感器检测到相应的振动信号，并将信号传输给主控机进行收集的分析；

S4传感器通过蜗轮蜗杆系统收起，机器人继续前行，检测下一个扣件，如此循环往复。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明的钢轨扣件松脱检测机器人，机器人本身携带有力锤，通过力锤在钢轨轨面敲击产生激励点结合机器人前后端设置的传感器，对获得的钢轨振动信号进行收集和分析，从而得知钢轨扣件的松脱状态。同时，在机器人的两侧设置有摄像头和位置标定器，可实现轨道扣件的位置标定，方便维护人员后期进行钢轨扣件的维护。解决了传统检测方式灵敏度低、效率低、成本高和容易漏检的问题。

（2）本发明的钢轨扣件松脱检测机器人的检测方法，检测机器人携带超声传感器及力锤，通过控制系统控制力锤产生激励信号，结合超声传感器无损检测的方式，实现对检测范围内钢轨扣件松脱检测，具有很高的结构损伤敏感性和测试噪声鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人侧视图；

图2为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人俯视图；

图3为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人涉及的涡轮蜗杆传动机构原理示意图；

图4为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人涉及的气泵传动机构原理图原理示意图；

图5为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人检测原理示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-蓄电池、2-主控机、3-传动箱、4-摄像头、5-位置标定器、6-力锤、7-传感器、8-固定座、9-钢轨、10-扣件、11-车轮、12-轨枕、13-备用力锤、14-蜗轮蜗杆系统、15-气动系统、16-传感器传动杆、17-力锤传动杆、18-涡轮、19-蜗杆、20-电机、21-耦合剂存放装置、22-耦合剂导管、23-气室、24-电磁阀、25-气压泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

基于现有技术中没有一种将检测装置和激励装置集成为一体的巡检设备本发明提供一种钢轨扣件松脱检测机器人及其检测方法，图1和图2分别为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人侧视图和俯视图，结合图1和图2，本发明的钢轨扣件松脱检测机器人包括蓄电池1、主控机2、传动箱3、摄像头4、位置标定器5、力锤6、传感器7等。

具体地，检测机器人横向两侧对应设有一组力锤6和传感器7组件，分别用于检测轨道两侧的扣件松脱情况，其中力锤6通过气动控制系统，可实现对钢轨轨面的敲击，从而产生激励信号，传感器7优选为超声传感器，可实现对钢轨振动信号的采集；每组的力锤6和传感器7组件中，传感器7对力锤6敲击钢轨轨面后产生的振动信号进行采集；横向两侧的力锤6和传感器7组件分别与两侧的钢轨9对应，力锤6和传感器7优选位于钢轨9的正上方，分别对两侧的钢轨进行敲击，对轨道两侧扣件10松脱情况进行检测。优选地，检测机器人另一端横向两侧设有备用力锤13，作为备用，当主力锤发生机械故障时作为替代使用，另外备用力锤13同样对应设有传感器7。

检测机器人上设有摄像头4、位置标定器5，其中摄像头4用于检测到该处扣件松脱时，对该处的扣件进行拍摄，位置标定器5用于对对应的松脱扣件进行位置标定。摄像头4、位置标定器5相互配合，可实现轨道扣件的位置标定，方便维护人员后期进行钢轨扣件的维护。如图2所示，摄像头4和位置标定器5设有至少两组，并且分设于检测机器人横向两侧，分别与两侧的轨道对应，便于拍摄和标定两侧的扣件。并且优选地，摄像头4和位置标定器5通过固定座8进行固定，固定座8将两者固定于检测机器人的车体上。

进一步地，检测机器人上还集成有设有蓄电池1、主控机2及传动箱3；若干个蓄电池1设置于机器人车体上，电池容量大，可用于给机器人长距离检测供电，实现远距离的检测要求；主控机2为机器人的控制系统，用于控制机器人的检测动作，同时可对传感器7采集到的振动信号进行收集和分析；传动箱3中内置电机，传动箱3与车轮11对应，用于驱动机器人车轮沿钢轨9前进。

图3为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人涉及的涡轮蜗杆传动机构原理图。传感器7通过蜗轮蜗杆系统14控制，用于实现超声传感器上下运动和涂抹耦合剂。蜗轮蜗杆系统包括蜗轮18、蜗杆19、电机20、耦合剂存放装置21以及耦合剂导管22。其中，蜗轮18和蜗杆19与电机20连接，并且蜗轮18和蜗杆19对传感器传动杆16施加直接作用力，电机20驱动蜗轮18和蜗杆19控制传感器传动杆16进行上下运动，传感器传动杆16与传感器7相连，用于携带传感器上下运动；耦合剂导管22是沿着传感器传动杆16接至传感器7处，耦合剂导管22与耦合剂存放装置21连接，通过耦合剂导管22将耦合剂传输至传感器7处，实现在检测前钢轨表面耦合剂的涂抹，从而使检测结构更为准确。

图4为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人涉及的气泵传动机构原理图。如图4所示，力锤6通过气动系统15控制，用于控制力锤上下运动。该气动系统包括气室23、电磁阀24及气压泵25，其中气压泵25与气室23连接，气室23对力锤传动杆17施加直接作用力，气体的进出控制力锤传动杆上下运动；气压泵25与气室23之间设有电磁阀24，电磁阀24控制气压泵25内气体在气室23内的进出，实现力锤传动杆17的快速上下运动，锤传动杆17与力锤相连，从而带动力锤6敲击钢轨9的轨面；并且通过调节电磁阀24，可以控制减少或加大力锤敲击间隔时间和敲击时间。本发明将力锤集成于巡检机器人上，并通过气动系统，可快速产生预定强度的激励点，增强了信号分析的准确性。

图3和图4中蜗轮蜗杆系统控制和气动系统控制的各结构为示意结构，对各部件的具体形状不作限定。

另外在本发明的优选实施例中，巡检机器人两侧的力锤可以同时对两侧的钢轨进行敲击，分别通过对应的传感器进行采集，通过主控机的分析分辨出松脱扣件的具体位置。并且本发明由于巡检机器人停稳后对钢轨进行敲击，不会因为巡检车自身运行过程中的振动对采集的信号造成影响。

本发明的钢轨扣件松脱检测机器人，该机器人自带蓄电池和控制系统，机器人本身携带有力锤，通过力锤在钢轨轨面敲击产生激励点结合机器人前后端设置的传感器，对获得的钢轨振动信号进行收集和分析，从而得知钢轨扣件的松脱状态。同时，在机器人的两侧设置有摄像头和位置标定器，可实现轨道扣件的位置标定，方便维护人员后期进行钢轨扣件的维护。解决了传统检测方式灵敏度低、效率低、成本高和容易漏检的问题。

图5为本发明实施例的钢轨扣件松脱检测机器人检测原理示意图，如图5所示，在本发明的一个具体实施例中，A至D分别为传感器在钢轨面上的对应位置，E、F点为力锤在钢轨上的激励点位置，本发明钢轨扣件松脱检测机器人的具体检测方法，包括如下步骤：

（1）巡检机器人在主控机2的控制下沿钢轨前行，设置在巡检器机人两侧的摄像头识别到第一个扣件后，机器人停下，位置标定器进行位置标定；

（2）传感器通过蜗轮蜗杆系统下降至紧贴轨道表面，并且传感器自带的耦合剂对钢轨表面进行涂抹；

（3）传感器贴紧后，力锤通过气动系统控制向下敲击钢轨轨面后立刻收回，传感器检测到相应的振动信号，并将信号传输给主控机进行收集的分析；

（4）传感器通过蜗轮蜗杆系统收起，机器人继续前行，检测下一个扣件，如此循环往复。

本发明的钢轨扣件松脱检测机器人的检测方法，检测机器人携带超声传感器及力锤，通过控制系统控制力锤产生激励信号，结合超声传感器无损检测的方式，实现对检测范围内钢轨扣件松脱检测，具有很高的结构损伤敏感性和测试噪声鲁棒性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，检测机器人一端横向两侧对应设有一组力锤（6）和传感器（7）组件；其中，

所述力锤（6）通过力锤传动杆（17）与对应的气动系统（15）连接，并且通过所述气动系统（15）控制力锤传动杆（17）上下运动；所述传感器（7）通过传感器传动杆（16）与对应的蜗轮蜗杆系统（14）连接，并且通过所述蜗轮蜗杆系统（14）实现传感器传动杆（16）的上下运动；同时所述传感器（7）对与其对应的力锤（6）敲击钢轨轨面后产生的振动信号进行采集。

2.根据权利要求1所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，所述气动系统（15）包括气室（23）及气压泵（25）；所述气压泵（25）与所述气室（23）连接，所述气室（23）中气体的进出控制所述力锤传动杆（17）上下运动。

3.根据权利要求2所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，所述气压泵（25）与气室（23）之间设有电磁阀（24），该电磁阀（24）控制气体在气室（23）内的进出。

4.根据权利要求1-3任一项所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，所述蜗轮蜗杆系统（14）包括蜗轮（18）、蜗杆（19）以及与两者相连的电机（20），所述电机（20）用于驱动蜗轮（18）和蜗杆（19）以控制所述传感器传动杆（16）上下运动。

5.根据权利要求4所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，所述蜗轮蜗杆系统（14）还包括耦合剂存放装置（21）、与之相连的耦合剂导管（22），所述耦合剂导管（22）沿着传感器传动杆（16）接至传感器（7）处，以将耦合剂传输至传感器处。

6.根据权利要求1或5所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，检测机器人上设有摄像头（4）、位置标定器（5），且所述摄像头（4）和位置标定器（5）设有至少两组，分设于检测机器人横向两侧，分别与两侧的轨道对应。

7.根据权利要求6所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，检测机器人上还集成有设有蓄电池（1）、主控机（2）及传动箱（3）；其中所述主控机（2）为机器人的控制系统，所述传动箱（3）中内置电机，且与检测机器人的车轮对应。

8.根据权利要求1或7所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，检测机器人另一端横向两侧设有备用力锤（13），各备用力锤（13）对应设有传感器（7）。

9.一种钢轨扣件松脱检测机器人的检测方法，适用于权利要求1-8任一项所述的钢轨扣件松脱检测机器人，其特征在于，包括如下步骤：

S1巡检机器人在控制系统控制下沿钢轨前行，设置在巡检器机人两侧的摄像头识别到第一个扣件后，机器人停下，位置标定器进行位置标定；

S2传感器通过蜗轮蜗杆系统下降至紧贴轨道表面，并且传感器自带的耦合剂对钢轨表面进行涂抹；

S3力锤通过气动系统控制向下敲击钢轨轨面后立刻收回，传感器检测到相应的振动信号，并将信号传输给主控机进行收集的分析；

S4传感器通过蜗轮蜗杆系统收起，机器人继续前行，检测下一个扣件，如此循环往复。

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