CN113442670A - 一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工技术领域，公开了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，包括机架体和设置在机架体上的机轮和旋翼组件；机架体包括上机架板、下机架板以及用于连接上机架板和下机架板的多个连接板；机轮设置在机架体四角，并通过驱动连接件与机架体连接，机架体内均匀布置有四个用于设置旋翼组件的旋翼腔，旋翼腔与机轮在机架体上交错布置，机架体中心设置有控制箱，控制箱底部设置有检测雷达；所述检测雷达包括时序控制模块和无线数传模块，时序控制模块用于控制发射天线、接收天线和信号采集模块，无线数传模块用于将信号采集模块采集的信号无线传输给地面计算机。本发明结构重量低，可降低检测机器人运行能耗，提高检测质量和效率。

Description

一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，涉及隧道检测、机器人技术、传感器技术、控制工程、机械设计等，特别是涉及一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人。

背景技术

在隧道建设完成后，需要对隧道进行衬砌质量检测，常规情况下，工作人员需手持检测雷达通过专项检测车、脚手架等设备才能检测获得衬砌及衬砌后面的病害信息。该方法存在诸多问题，如前期设备投入成本大、需要工作人员数量多、效率偏低、人为干扰因素大等，因此属于行业的技术痛点。因此，需要提供一种新的隧道检测设备，以提高隧道检测的质量和效率。

无损检测雷达系统是一种可探测目标介质内部结构和埋设物的无损检测技术，该技术利用特定频率电磁波对介质的穿透能力，从介质表面以下发射电磁波，电磁波在地下介质特性变化的界面上发生发射，通过接收反射回波信号，根据其延时、幅值变化及频谱特性等参数，可对探测区域内部非可视目标深度、介质结构、性质等进行解析，进行信号处理可对介质内部目标进行成像处理，便于目标识别及研究。

随着国内基础建设事业的高速发展，为提高交通运输效率，隧道的建设数量越来越多。作为隧道的主要承重结构与防水结构，隧道衬砌的质量好坏直接影响着隧道的使用性能与寿命。因此，对隧道衬砌质量的检测显得尤为重要。以损坏隧道衬砌结构为代价的钻芯检测方式已经无法满足目前工程要求，无损检测技术以其快速、连续、高效等优点逐步代替钻芯检测方式，成为目前隧道工程衬砌质量检测的主要手段。

现有技术中有人提出了一种带行走轮的四旋翼式无人机，通过在隧道内飞行和沿隧道壁爬行，以实现隧道检测的机器操作。但是，由于隧道壁爬行时需要的提升力和驱动力较大，使得其在隧道壁爬行时容易出现摩擦力不足导致的打滑现象。此外，主动轮加从动轮的行走动力方式在不平顺地形与障碍物避让工况下的通过性不佳。同时，目前的设计需要雷达信号发射面紧贴被测目标表面的耦合方式，机器人在现场环境作业时可能出现设备信号发射面脱离被测目标表面的现象，机器人仅能够在贴附在隧道壁时才具备检测能力。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，实现隧道内壁的自动行走和监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，包括机架体和设置在机架体上的机轮和旋翼组件；所述机架体包括上机架板、下机架板以及多个连接板，所述连接板用于连接上机架板和下机架板；

所述机轮设置在机架体四角，并通过驱动连接件与所述机架体连接，机架体内均匀布置有四个用于设置旋翼组件的旋翼腔，所述旋翼腔与机轮在机架体上交错布置，所述机架体中心设置有控制箱，所述控制箱底部设置有检测雷达；

所述旋翼腔内设置有旋翼固定杆，所述旋翼组件包括上旋翼和下旋翼，所述上旋翼和下旋翼分别固定设置在所述旋翼固定杆的上方和下方；

所述检测雷达包括时序控制模块，信号采集模块、发射天线、接收天线和无线数传模块，所述时序控制模块与所述发射天线、接收天线和信号采集模块连接，用于控制发射天线、接收天线和信号采集模块，所述无线数传模块与信号采集模块连接，用于将信号采集模块采集的信号无线传输给地面计算机。

所述无线数传模块为WIFI通信模块。

所述旋翼组件还包括上底座、下底座、上卡扣部和下卡扣部，所述上旋翼固定设置在上底座上，下旋翼固定设置在下底座下方，所述上卡扣部固定设置在上底座下方，下卡扣部固定设置在下底座上方，所述上卡扣部和下卡扣部通过连接螺栓连接并抱紧在所述旋翼固定杆上。

所述上卡扣部和下卡扣部分别包括至少两块卡扣板，所述卡扣板上设置有与所述旋翼固定杆的外形匹配的凹槽部，所述卡扣板设置在上底座或下底座的两侧。

所述旋翼固定杆截面为圆形，所述卡扣板上设置有与旋翼固定杆半径相同的圆弧形凹槽。

所述驱动连接件包括上支臂、上连接部、下支臂和下连接部，所述上支臂与上机架板固定连接，下支臂与下机架板固定连接，上连接部通过转轴与上支臂铰接，机轮转动设置在所述上连接部和下连接部上；下连接部与下支臂的接触面之间设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量机轮与接触壁面之间的压力。

所述机轮与驱动连接件之间还设置有驱动电机和轴承座，所述轴承座和驱动电机固定设置在上连接部和下连接部之间，所述驱动电机用于驱动驱动轮转动；所述轴承座内的轴承用于设置驱动电机的输出轴。

所述机架体还包括横穿所述旋翼腔的连接筋板，所述连接筋板板面竖直设置，其两端与所述上机架板和下机架板固定连接，并与所述旋翼固定杆垂直设置；所述连接板和连接筋板为镂空板。

所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，还包括雷达升降装置，检测雷达通过雷达升降装置设置在控制箱底部；

所述雷达升降装置包括十字支撑结构、雷达固定结构、智能控距升降杆和激光测距模块，所述检测雷达固定设置在雷达固定结构上，所述雷达固定结构固定设置在十字支撑结构上，十字支撑结构的四个支臂末端分别设置有一个智能控距升降杆，智能控距升降杆的顶端与控制箱连接，十字支撑结构的四个支臂中部分别设置有一个激光测距模块，用于测量与被测表面间的距离。

所述十字支撑结构包括圆环和两根长杆，两根长杆垂直相交形成四个支臂，所述圆环固定设置在两根长杆的连接点外周。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，通过在检测机器人上设置用于行走的机轮，使负载有探地雷达的检测机器人可以在隧道壁上行驶，进行隧道衬砌质量检测，提高了隧道检测的质量和效率。而且，本发明通过前后四驱系统提供驱动力，以及共轴双桨式8旋翼提供提升力，可以实现检测机器人的在不同表面的隧道壁上安全行走，相比于常规四旋翼系统，结构重量增加约25%（0.8kg），而动力可增加约70%。由此可见，本发明能够提供相比于常规四旋翼系统更多的动力余量，从而使无人机能够搭载更多的载荷设备及动力电池，进而增大续航能力。

2.本发明提供了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，通过在检测机器人上设置用于行走的机轮，通过前后四驱系统提供驱动力，可以实现检测机器人的隧道壁安全行走，使负载有探地雷达的检测机器人可以在隧道壁上行驶，进行隧道衬砌质量检测，提高了隧道检测的质量和效率。驱动连接件与机架体之间设置有压力传感器，可以实时监测机轮与隧道面之间的压力。

3.本发明采用探地雷达探测技术与无人机技术融合的方法，解决了传统探测技术手段需要检测人员攀爬，操作繁琐，安全性较低的缺点，可以进行快速安全检测，保障检测现场生命财产安全。通过重新调校信号耦合加载参数的无损检测雷达系统可实现设备信号发射面距离被测目标表面3cm进行作业，不需要原设计紧贴被测目标表面的耦合方式，解决了检测作业时无人机可能导致的设备信号发射面脱离被测目标表面的现象，检测信号通过无线传输到地面计算机，实现了无人探测。

4.本发明中的机架体采用包括上机架板、下机架板和连接板的镂空设计，结构重量低，可以降低检测机器人运行能耗，而且，机架体上四旋翼与四轮交叉布置，机体结构紧凑。通过旋翼固定杆与连接筋板的交错设置，在降低机体质量的同时，增加了机架体结构稳定性。

综上所述，本发明提供了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，通过新型共轴双桨的桨叶分布增强攀爬检测机器人的气动飞行驱动力，实现检测机器人在隧道壁表面的可靠吸附；制定全主动的机器人行走轮动力分配模式，加强机器人的转向能力与复杂地形的通过能力；通过雷达升降装置自动调节雷达与被测表面之间的距离，实现探地雷达传感器与被测面的非接触耦合，提高隧道质量检测的品质和效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人的整体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例中雷达检测操作示意图；

图4为本发明实施例中检测雷达的结构示意图；

图5为本发明实施例中检测雷达检测得到的回传数据；

图6为本发明实施例中与机轮配合的驱动连接件的结构示意图；

图7为图6的正视图；

图8为本发明实施例中旋翼组件的结构示意图；

图9为图8的左视图；

图10为本发明实施例中雷达升降装置的结构示意图；

图11为本发明实施例中十字支撑结构的结构示意图。

图中：1为机架体，2为机轮，3为旋翼组件，4为上机架板，5为下机架板，6为连接板，7为驱动连接件，8为旋翼腔，9为控制箱，10为上支臂，11为上连接部，12为下支臂，13为下连接部，14为转轴，15为压力传感器，16为旋翼固定杆，17为上旋翼，18为下旋翼，19为上底座，20为驱动电机，21为轴承座，22为下卡扣部，23为连接螺栓，24为下底座，25为上卡扣部，26连接筋板，27为轮毂，28为十字支撑结构，29为雷达固定结构，30为智能控距升降杆，31为激光测距模块，32为圆环，33为长杆长杆，33为机器人，34为隧道壁，35为地面计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种搭载无人机的无损检测雷达系统，通过无人机搭载无损检测雷达实现隧道衬砌质量检测目的，检测技术手段安全，高效。其基于探地雷达探测技术与无人机技术融合，以一种安全，高效的技术手段实现隧道工程衬砌质量检测，数据展示内容包含探测距离方向探测目标内部层位特征，通过重新调校信号耦合加载参数，检测作业时设备信号发射面可距离被测目标表面3cm。无损检测雷达系统通过WIFI网络将数据传输至地面计算机系统，地面计算机通过WIFI控制无损检测雷达系统工作状态，并监测雷达数据。

如图1~5所示，本发明实施例提供了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，包括机架体1和设置在机架体1上的机轮2和旋翼组件3；所述机架体1包括上机架板4、下机架板5以及多个连接板6，所述连接板6用于连接上机架板4和下机架板5；所述机轮2设置在机架体1四角，并通过驱动连接件7与所述机架体1连接，机架体1内均匀布置有四个用于设置旋翼组件3的旋翼腔8，所述旋翼腔8与机轮1在机架体1上交错布置，所述机架体1中心设置有控制箱9，所述控制箱9底部设置有检测雷达；所述旋翼腔8内设置有旋翼固定杆16，所述旋翼组件3包括上旋翼17和下旋翼18，所述上旋翼17和下旋翼18分别固定设置在所述旋翼固定杆16的上方和下方；所述检测雷达包括时序控制模块，信号采集模块、发射天线、接收天线和无线数传模块，所述时序控制模块与所述发射天线、接收天线和信号采集模块连接，用于控制发射天线、接收天线和信号采集模块，所述无线数传模块与信号采集模块连接，用于将信号采集模块采集的信号无线传输给地面计算机。

具体地，本实施例中，所述无线数传模块为WIFI通信模块。

如图3所示，攀爬机器人将无损检测雷达尽量贴近被测目标，无损检测雷达将采集到的数据通过WIFI网络传送至地面计算机，地面计算机也可通过WIFI控制无损检测雷达系统工作状态，并监测雷达数据。

如图4所示，本实施例中，检测雷达通过时序控制模块控制发射天线向被测目标发射特定频率及带宽电磁脉冲，电磁脉冲经过不同介质后发生反射和折射效用，时序控制模块控制接收天线接收反射和折射后的信号，并传送至数字采集进行模数转换，并将转换后的数字信号通过数传模块发送至地面计算机，地面计算机通过WIFI控制无损检测雷达系统工作状态，并监测雷达数据。检测雷达通过地面计算机向操作人员展示雷达数据，雷达数据可检测到被测目标内部物理体征，例如隧道内部检测初支和二衬，钢筋分布等。可用于对衬砌厚度、强度、衬砌背后的回填密实度、内部缺陷、结构合理性、材料性能等一些列问题进行检测。图9为本实施例中检测雷达检测得到的并无线传输给地面计算机的回传数据。

进一步地，如图8~9所示，本实施例中，所述旋翼组件3还包括上底座19、下底座24、上卡扣部25和下卡扣部22，所述上旋翼17固定设置在上底座19上，下旋翼18固定设置在下底座24下方，所述上卡扣部25固定设置在上底座19下方，下卡扣部22固定设置在下底座24上方，所述上卡扣部25和下卡扣部22通过连接螺栓23连接并抱紧在所述旋翼固定杆16上。

进一步地，本实施例中，所述上卡扣部25和下卡扣部22分别包括至少两块卡扣板，所述卡扣板上设置有与所述旋翼固定杆16的外形匹配的凹槽部，所述卡扣板设置在上底座19或下底座20的两侧。

进一步地，如图8所示，所述旋翼固定杆16截面为圆形，所述卡扣板上设置有与旋翼固定杆16半径相同的圆弧形凹槽。

如图6~7所示，本实施例中，所述驱动连接件7包括上支臂10、上连接部11、下支臂12和下连接部13，所述上支臂10与上机架板4固定连接，下支臂12与下机架板5固定连接，上连接部11通过转轴14与上支臂10铰接，机轮2转动设置在所述上连接部11和下连接部13上；下连接部13与下支臂12的接触面之间设置有压力传感器15，所述压力传感器15用于测量机轮与接触壁面之间的压力。

进一步地，如图6~7所示，本实施例中，所述机轮2与驱动连接件7之间还设置有驱动电机20和轴承座21，所述轴承座21和驱动电机21固定设置在上连接部11和下连接部13之间，所述驱动电机20用于驱动驱动轮转动；所述轴承座21内的轴承用于设置驱动电机21的输出轴。

进一步地，如图1~2所示，本实施例中，所述机架体1还包括横穿所述旋翼腔8的连接筋板26，所述连接筋板26板面竖直设置，其两端与所述上机架板4和下机架板5固定连接，并与所述旋翼固定杆16垂直设置；所述连接板6和连接筋板26为镂空板。

进一步地，本实施例的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，还包括雷达升降装置，检测雷达通过雷达升降装置设置在控制箱9底部。如图10所示，所述雷达升降装置包括十字支撑结构28、雷达固定结构29、智能控距升降杆30和激光测距模块31，所述检测雷达固定设置在雷达固定结构29上，所述雷达固定结构29固定设置在十字支撑结构28上，十字支撑结构28的四个支臂末端分别设置有一个智能控距升降杆30，智能控距升降杆30的顶端与控制箱9连接，十字支撑结构28的四个支臂中部分别设置有一个激光测距模块31，用于测量与被测表面间的距离。本实施例中，通过激光测距模块实时监测探测雷达与被探测物体之间的距离并传输给智能控距升降杆30，通过智能控距升降杆30可以调控雷达与控制箱9之间的距离，进而调节雷达与被测表面之间的距离，保持雷达与被测表面的距离的一致性，进而提高雷达监测的准确性。本实施例中，采用四个激光测距仪便于四根智能升降杆彼此独立调控距离和提升精度。

进一步地，如图11所示，本实施例中，所述十字支撑结构28包括圆环32和两根长杆33，两根长杆33垂直相交形成四个支臂，所述圆环32固定设置在两根长杆33的连接点外周。通过圆环32，可以保持十字支撑结构28的结构的稳定性，同时结构简单，质量轻。

本发明的工作原理和工作过程如下：检测机器人启动后，先控制其飞行到检测位置的隧道顶部，然后增加旋翼转速，使检测机器人与隧道壁顶部接触并产生压力，当压力满足爬行条件时，控制驱动电机20转动，使检测机器人在隧道侧壁上攀爬，检测机器人在隧道壁上攀爬的过程中，其控制箱内设置的探地雷达可以对隧道壁的衬砌质量数据进行检测。当需要转向时，可以驱动两侧机轮以不同速度转动，以达到转向目的，也可以通过操控机器人飞行调整机位后，再次降落在隧道壁上，此外，当探测雷达探测到与被测表面间的距离偏离设定区间时，通过智能控距升降杆30可以调控雷达与控制箱9之间的距离，进而调节雷达与被测表面之间的距离，保持雷达与被测表面的距离的一致性，进而提高雷达监测的准确性。

综上所述，本发明提供了一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，通过新型共轴双桨的桨叶分布增强攀爬检测机器人的气动飞行驱动力，实现检测机器人在隧道壁表面的可靠吸附；制定全主动的机器人行走轮动力分配模式，加强机器人的转向能力与复杂地形的通过能力；通过雷达升降装置自动调节雷达与被测表面之间的距离，实现探地雷达传感器与被测面的非接触耦合，提高隧道质量检测的品质和效率，而且，机体通过合理设计，其质量轻，负重小，提高了机器人的续航能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，包括机架体（1）和设置在机架体（1）上的机轮（2）和旋翼组件（3）；所述机架体（1）包括上机架板（4）、下机架板（5）以及多个连接板（6），所述连接板（6）用于连接上机架板（4）和下机架板（5）；

所述机轮（2）设置在机架体（1）四角，并通过驱动连接件（7）与所述机架体（1）连接，机架体（1）内均匀布置有四个用于设置旋翼组件（3）的旋翼腔（8），所述旋翼腔（8）与机轮（1）在机架体（1）上交错布置，所述机架体（1）中心设置有控制箱（9），所述控制箱（9）底部设置有检测雷达；

所述旋翼腔（8）内设置有旋翼固定杆（16），所述旋翼组件（3）包括上旋翼（17）和下旋翼（18），所述上旋翼（17）和下旋翼（18）分别固定设置在所述旋翼固定杆（16）的上方和下方；

所述检测雷达包括时序控制模块，信号采集模块、发射天线、接收天线和无线数传模块，所述时序控制模块与所述发射天线、接收天线和信号采集模块连接，用于控制发射天线、接收天线和信号采集模块，所述无线数传模块与信号采集模块连接，用于将信号采集模块采集的信号无线传输给地面计算机。

2.根据权利要求1所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述无线数传模块为WIFI通信模块。

3.根据权利要求1所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述旋翼组件（3）还包括上底座（19）、下底座（24）、上卡扣部（25）和下卡扣部（22），所述上旋翼（17）固定设置在上底座（19）上，下旋翼（18）固定设置在下底座（24）下方，所述上卡扣部（25）固定设置在上底座（19）下方，下卡扣部（22）固定设置在下底座（24）上方，所述上卡扣部（25）和下卡扣部（22）通过连接螺栓（23）连接并抱紧在所述旋翼固定杆（16）上。

4.根据权利要求3所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述上卡扣部（25）和下卡扣部（22）分别包括至少两块卡扣板，所述卡扣板上设置有与所述旋翼固定杆（16）的外形匹配的凹槽部，所述卡扣板设置在上底座（19）或下底座（20）的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述旋翼固定杆（16）截面为圆形，所述卡扣板上设置有与旋翼固定杆（16）半径相同的圆弧形凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述驱动连接件（7）包括上支臂（10）、上连接部（11）、下支臂（12）和下连接部（13），所述上支臂（10）与上机架板（4）固定连接，下支臂（12）与下机架板（5）固定连接，上连接部（11）通过转轴（14）与上支臂（10）铰接，机轮（2）转动设置在所述上连接部（11）和下连接部（13）上；下连接部（13）与下支臂（12）的接触面之间设置有压力传感器（15），所述压力传感器（15）用于测量机轮与接触壁面之间的压力。

7.根据权利要求6所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述机轮（2）与驱动连接件（7）之间还设置有驱动电机（20）和轴承座（21），所述轴承座（21）和驱动电机（21）固定设置在上连接部（11）和下连接部（13）之间，所述驱动电机（20）用于驱动驱动轮转动；所述轴承座（21）内的轴承用于设置驱动电机（21）的输出轴。

8.根据权利要求1所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述机架体（1）还包括横穿所述旋翼腔（8）的连接筋板（26），所述连接筋板（26）板面竖直设置，其两端与所述上机架板（4）和下机架板（5）固定连接，并与所述旋翼固定杆（16）垂直设置；所述连接板（6）和连接筋板（26）为镂空板。

9.根据权利要求1所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，还包括雷达升降装置，检测雷达通过雷达升降装置设置在控制箱（9）底部；

所述雷达升降装置包括十字支撑结构（28）、雷达固定结构（29）、智能控距升降杆（30）和激光测距模块（31），所述检测雷达固定设置在雷达固定结构（29）上，所述雷达固定结构（29）固定设置在十字支撑结构（28）上，十字支撑结构（28）的四个支臂末端分别设置有一个智能控距升降杆（30），智能控距升降杆（30）的顶端与控制箱（9）连接，十字支撑结构（28）的四个支臂中部分别设置有一个激光测距模块（31），用于测量与被测表面间的距离。

10.根据权利要求9所述的一种新型隧道工程空陆两栖攀爬检测机器人，其特征在于，所述十字支撑结构（28）包括圆环（32）和两根长杆（33），两根长杆（33）垂直相交形成四个支臂，所述圆环（32）固定设置在两根长杆（33）的连接点外周。

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