CN113524228A - 自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法，包括：爬升系统、控制及探测系统、远程控制系统、防坠系统。各系统交互协同工作，通过自动升降检测为主、人工远程控制为辅的方式，实现对泵管堵泵位置的探点、记录、反馈。本发明机器人，可以实现沿泵管自动检测，通过混凝土堵管处与空管处声波电波发射反馈信号不同的原理，精准定位堵管位置，方便后续更快地进行拆管通管作业，继续混凝土泵送施工。设备操作简单，无须专业工种；困难环境受限情况下，机器人单体即可完成工作，装拆方便，探测速度快，定位精准，安全高效，节省工期；属于自主研发机器人及其工作方法，特别适用于超高层泵送作业时使用，有助于工程整体提速增效。

Description

自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法

技术领域

本发明涉及报表数据处理技术领域，尤其涉及一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法。

背景技术

混凝土作为目前使用最广泛的结构材料之一，泵送混凝土是一种有效的混凝土拌合物运输方式，速度快、劳动力少，尤其适合于大体积混凝土和高层建筑混凝土的运输和浇筑。

泵送混凝土会由于人员操作不当、混凝土管道连接错误、混凝土离析或非合格的泵送混凝土等原因造成混凝土堵管。查明堵塞部位，用榔头敲击等方法是排除堵塞最有效的方法之一。然而，泵送管道长度根据泵车位置、结构高度和宽度等因素决定，短则几十米，长则上百米。泵送过程中断，中断时间不宜超过1h。停机时间过长，初凝的混凝土不宜继续泵送。因此，第一时间准确定位堵塞部位尤为重要。

现有确定混凝土输送管堵塞位置的方法通常将检测装置放在混凝土泵管内，检测装置一旦失效则不能替代。

发明内容

针对上述现有技术中存着的不足之处，本发明提出了一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法，能够快速判断设备是否发生堵管，避免在已经发生堵管后不得当操作加剧堵管的问题。

为此，本发明采用的技术方案是：

第一方面，一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其包括：

控制及探测系统，包括主控制器以及联接于所述主控制器的探测设备；

爬升系统，包括上部机壳、下部机壳以及连接于所述上部机壳和所述下部机壳之间的液压缸，所述上部机壳和所述下部机壳分别设有抓手，所述主控制器和所述探测设备设于所述上部机壳或所述下部机壳，由所述主控制器控制所述液压缸及所述抓手工作；

防坠系统，包括防坠圈环以及伸缩连接于所述防坠圈环内侧的防坠夹片，由所述主控制器控制所述防坠夹片伸缩；

远程控制系统，包括远程联接于所述主控制器的远程控制设备。

一个实施例中，所述上部机壳的底部以及所述下部机壳的顶部分别设有限位器，所述限位器分别联接于所述主控制器。

一个实施例中，所述上部机壳的顶部以及所述下部机壳的底部分别设有红外传感器，所述红外传感器分别联接于所述主控制器。

一个实施例中，所述远程控制设备设有BIM接口，使用时与BIM模块连接。

一个实施例中，所述主控制器还联接于控制屏，所述控制屏设于所述上部机壳或所述下部机壳。

一个实施例中，所述抓手包括可相互接合的两个抓钳，两个抓钳的一端分别连接有抓杆，两根抓杆的端部由抓手转轴转动连接，所述抓手转轴由抓手电机控制转动，所述抓手电机联接于所述主控制器。

一个实施例中，每个所述抓钳包括由伸缩杆连接的两个弧形抓钳段。

一个实施例中，所述主控制器还联接于防坠器，所述防坠器设于所述上部机壳和/或所述下部机壳。

一个实施例中，所述防坠圈环包括由圈环转轴转动连接的两半圈环臂，两半圈环臂的自由端通过锯齿卡扣和锁头连接。

第二方面，一种采用如上所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人的检测方法，其特征在于，包括步骤：

将所述防坠圈环套设在待检测构筑物上，所述防坠圈可沿所述构筑物移动；

由所述主控制器控制交替控制所述下部机壳和所述上部机壳的抓手抓紧和松开所述构筑物，并在一个抓手松开、另一个抓手抓紧时启动所述液压缸伸长或缩进，使所述机器人沿所述构筑物移动；

所述探测设备在所述机器人沿所述构筑物移动的过程中，对所述构筑物进行检测，并将检测结果回传至所述远程控制设备。

由于采用上述技术方案，使得本发明取得的技术效果是：

1、自升降系统、控制及探测系统、远程控制系统、防坠系统各部分协同，实现堵泵位置的自动化检测，减少工人高空作业，同时可以人工控制为辅，增加安全性、适应性；

2、数据导入BIM模型方便后期进行其他分析研究；

3、机器人主体探测部分沿泵管爬行探测，探测速度较快；探测设备可采用声波射线波结合，提高探测结果准确性；

4、各种传感器协同工作，攀爬上升下降，可自然避开泵管附墙连接、管间珐琅连接的同时，防坠，防触底触顶碰撞，探测到堵泵时自动制动记录亦可选择继续启动运行走完全程，装拆灵活方便，可根据现场实际工况灵活调整探测流程；

5、减少人工成本、措施材料浪费、减少其他附加作业，减少工期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例自爬升式混凝土工程自动检测机器人的结构示意图。

图2～4为本发明实施例机器人中抓手的结构示意图，其中，图2为抓手抓住泵管图，图3为抓手松开泵管图，图4为抓手伸缩调节钳径图。

图5～7为本发明实施例机器人中防坠圈环的结构示意图，其中，图5为圈环打开图，图6为圈环闭合图，图7为防坠系统启动圈环锁住泵管图。

图中标记为：

1-主控制器；2-探测设备；3-上抓手电机；4-下抓手电机；5-液压缸；6-上部抓手杆；7-下部抓手杆；8-闭合接口；9-防滑条；10-泵管；11-红外传感器；12-上抓手转轴；13-下抓手转轴；14-控制屏；15-抓钳；16-伸缩杆；17-磁吸块或防滑片；18-锯齿状卡扣；19-圈环锁头；20-防坠圈环转轴；21-圈环臂；22-防坠夹片；23-上部机壳；24-下部机壳；25-远程控制设备；26-防坠器；27-防坠电机；29-限位器；30-压力传感器；31-液压缸电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明涉及一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法，尤其是设计出一种在超高层泵送混凝土堵管时自动检测堵管位置的机器人，并配以检测方法，该机器人及其检测方法也可以适用于非超高层泵送混凝土泵管的其他混凝土工程，例如应用于钢管混凝土密实度和堵塞的检测。

该机器人由四大部分组成：爬升系统(下降同理)、控制及探测系统、远程控制系统、防坠系统。各系统交互协同工作，通过自动升降检测为主、人工远程控制为辅的方式，实现对泵管堵泵位置的探点、记录、反馈。

一般传统的超高层混凝土泵送泵管堵管检测，由于核心筒高出外部框架平台，是由工人绑安全绳或坐吊篮，悬挂由上至下通过敲击泵管表面，听回声凭经验判断堵泵位置。这样做一是工人高空作业危险安全难以保障，二是经验性判断虽然也能查出位置，但精度不高；三是需要特殊工种经过技能培训，不具普遍适应性；四是需要耗费工时、人力成本；最主要的是效率不高，敲击完全泵管需要很长时间。

而本发明设计的机器人，可以实现沿泵管的自动检测，通过混凝土堵管处与空管处声波电波发射反馈信号不同的原理，精准定位堵管位置，方便后续更快地进行拆管通管作业，继续混凝土泵送施工。相较于传统方式，设备操作简单，无须专业工种；困难环境受限情况下，机器人单体即可完成工作，装拆方便，探测速度快，定位精准，安全高效，节省工期；本发明自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法，特别适用于超高层泵送作业时使用，有助于工程整体提速增效。

参阅图1，为本发明自爬升式混凝土工程自动检测机器人的一个实施例，应用于超高层混凝土泵送泵管堵管检测，如图所示，该机器人包括：

控制及探测系统，主要由主控制器1、探测设备2和控制屏14构成。探测设备2和控制屏14分别联接于主控制器1，由主控制器1进行控制。其中，探测设备2可采用雷达探器，用于在接收到主控制器1发送的探测信号后，发送特定波长频率的波，根据波的反馈确定泵管10中是否有混凝土堵泵；声波与其他波结合，提高探测精度准确性；探测到堵泵时反馈信号给主控制器1。控制屏14用于提供预设速度、高度、管径等工作参数的功能，以及显示反馈的探测数据和机器人工作状况等信息。

爬升系统，主要由上部机壳23、下部机壳24、上抓手、下抓手、上抓手电机3、下抓手电机4、液压缸5、液压缸电机31构成。上部机壳23的底部与下部机壳24的顶部之间连接有液压缸5，液压缸5与液压缸电机31的输出端连接，液压缸电机31的输入端进一步联接于主控制器1，由主控制器1发送信号给液压缸电机31，控制液压缸5顶升或复位，带动上部机壳23和下部机壳24发生相对或相背运动，其中，该上部机壳23和下部机壳24可以是独立的两个部分，也可以是相对移动式连接在一起，即液压缸5不外露。

控制及探测系统可以设置在上部机壳23或下部机壳24上，本实施例中，主控制器1设置在上部机壳23的内部，探测设备2设置在上部机壳23面向泵管10的一侧上，控制屏14设置在上部机壳23背离泵管10的一侧上，探测设备2和控制屏14与主控制器1的连线也设置在上部机壳23的内部。主控制器1用于接收控制屏14设定及远程控制设备25指令信号、处理信息、反馈信号给控制屏14和远程控制设备25；向各电机(包括上抓手电机3、下抓手电机4、防坠电机27、液压缸电机31)发送信号控制机器人工作，记录液压缸5行程并计算液压缸5总行程，即爬行总高度。

其中，上抓手和下抓手结构相同，配合图2～4所示，分别为抓手抓住泵管图、抓手松开泵管图及抓手伸缩调节钳径图。如图所示，上抓手和下抓手分别包括可相互接合的两个半圆形的抓钳15，抓钳15的形状不限于圆形，只要适配于泵管10的形状即可，用于钳住泵管帮助上部机壳或下部机壳附着，以实现机器人沿泵管攀爬。

两半抓钳1的一端分别连接有抓杆，上抓手为上部抓手杆6、下抓手为下部抓手杆7，两根抓杆的端部由抓手转轴转动连接，上抓手设置上抓手转轴12、下抓手设置下抓手转轴13，上抓手转轴12连接于上抓手电机3的输出端，下抓手转轴13连接于下抓手电机4的输出端，该上抓手电机3和该下抓手电机4的输入端分别联接于主控制器1，由主控制器1发生信号给该上抓手电机3和该下抓手电机4，以控制对应的上抓手转轴12和下抓手转轴13转动，帮助相应的抓钳15打开和抓紧。抓手闭合时，两个抓钳15一上一下相互扣合，闭合接口8的贴面装有少量磁力不大的磁吸材料，帮助接合的同时不影响探测效果。

进一步地，每个抓钳包括由伸缩杆16连接的两个弧形抓钳段，在抓钳15的内侧沿环向开槽，伸缩杆16滑动连接于相邻的抓钳段之间，可在机器人开始攀爬前通过设定的泵管管径或手动伸缩调整嵌径，调整好后拨动槽口栓片锁死(图中未显示栓片，栓片枢接在其中一个抓钳段上，在另一个抓钳段上设置多个凸点，栓片上开一个孔，与凸点配合)。

在抓钳的内部设置有防滑条9，以增强和泵管10表面贴合的摩擦力，帮助承受机体重量以及顶升时提供反力。

在抓手的抓钳15内面和两钳闭合接口8处设置压力传感器30，用于获取抓钳的抓紧力，抓钳抓紧后达到预设的一定压力，传递信号给主控制器1，主控制器1控制抓手电机停止握紧并保持不动；同时传递信号给液压缸电机31，控制液压缸5顶升或复位。

上部机壳23的底部以及下部机壳24的顶部分别设有限位器29，两个限位器29分别联接于主控制器1，主控制器1根据控制屏14预设的或远程控制设备25调整的攀爬速度导出液压缸5单次顶升最大行程，达到最大行程时反馈信号给主控制器1，控制上抓手电机3和下抓手电机4工作。

在上部机壳23的顶部以及下部机壳24的底部还分别设有红外传感器11，两个红外传感器11分别联接于主控制器1，用于防止机器人触顶或触底而发生碰撞，当红外传感器11感应到顶部构筑物或底部地面、楼面时反馈信号给主控制器1，紧急制动，抓手抓紧泵管，暂停爬升或下降。

防坠系统，如图5～7所示，主要包括防坠圈环、防坠夹片22和防坠电机27，防坠圈环的内侧环向开槽，多个防坠夹片22沿槽布置并伸缩连接于槽内，防坠电机27设置在下部机壳24中，并且，该防坠电机27的输出端连接于防坠夹片22，用于控制防坠夹片22于防坠圈环的槽内缩进或伸出，防坠电机17的输入端联接于主控制器1，使用时，由主控制器1发生信号给防坠电机17，防坠电机17根据信号控制防坠夹片22伸出，防坠夹片22顶端的磁吸块或防滑片17压住泵管表面，环形咬紧泵管10，防止机器人坠落。

在上部机壳23和下部机壳24各设一个施工机械限速防坠器26，感应到向下达到一定速度时，反馈信号给主控制器1，主控制器1启动防坠电机14，控制防坠装置紧急抓住泵管10。

进一步地，防坠圈环可以采用可开合圈环，包括由防坠圈环转轴20转动连接的两半圈环臂21，两半圈环臂21的自由端通过锯齿卡扣18和圈环锁头19连接。其中，两半圈环臂21绕防坠圈环转轴20转动，一臂上有圈环锁头19、一臂上有锯齿卡扣18，打开后套住泵管10再合上，内径扣除圈环夹片22后仍大于泵管10连接处的最大标准规格。防坠圈环转轴20用于辅助打开防坠圈环。锯齿卡扣18与圈环锁头19内部的可动卡扣联合作用，类似于手铐和皮带的原理，插入后只有通过圈环锁头19的钥匙开关才能打开环锁。圈环锁头19可采用如同手铐和皮带头的设计，锯齿卡扣18插入后，内部可转动的卡扣抵住锯齿卡扣的一个缺口，开锁才能转动卡扣松开，从而打开锁头。同时圈环锁头19的另一端固定在下部机壳24侧面，并且与防坠电机27相连。

远程控制系统，包括远程联接于主控制器1的远程控制设备25，机器人启动后沿泵管攀爬，不能从控制屏14直接控制和读数，通过远程控制设备25发送控制命令信号给主控制器1，并接收主控制器1的反馈信号，显示机器人各项工作指标以评估工作效果和安全情况。另外，优选地，在远程控制设备25上设有BIM接口，使用时与BIM模块连接，BIM模块可以是具有BIM建模功能的现有软件，作用是获得接口接入泵管BIM模型，通过定位装置将机器人位置信息、探测到的堵泵直接定位同步反映在泵管BIM模型上，定位装置可以设置在上部机壳或下部机壳上，优选设置在上部机壳靠近探测设备的位置，可采用现有技术中的无线定位装置，将机器人在工程中的位置信息记录在主控制器1并传输给远程控制设备25。

本发明还提供了一种采用上述实施例中的自爬升式混凝土工程自动检测机器人的检测方法，应用于超高层混凝土泵送泵管堵管检测，工作流程如下：

S1：打开防坠圈环的圈环锁头19，转动圈环臂21套住泵管10，锯齿卡扣18插入圈环锁头19内，关闭圈环锁头19固定防坠圈环。

S2：在控制屏14上预设机器人工作参数：高度、攀爬速度、防坠限速限距、泵管管径、抓力等参数。液压缸5复位。

S3：上下抓手均先打开，下抓手抓住泵管10并紧扣。启动机器人。

S4：液压缸5顶升上部机壳23，至控制屏14预设的最大行程时，限位器19传输信号给主控制器1，主控制器1传递信号给上抓手电机3，启动上抓手钳住泵管10并紧扣。

S5：上抓手扣紧达到预设的压力数值后，上抓手的压力传感器30传递信号给主控制器1，主控制器1控制上抓手电机3停止加力，上抓手维持现状抓牢；同时主控制器1发出信号给液压缸电机31，控制液压缸5复位，从而带动抓手张开的下部机壳24随液压缸5上移。

S6：复位完成行程归零后，限位器29传递信号给主控制器1，控制下抓手电机4启动，并扣紧泵管10。

S7：下抓手的压力传感器30感应到预设的压力数值时，传递信号给主控制器1，主控制器1控制下抓手电机4停止加力并维持原力；同时主控制器1传递信号给液压缸电机31，控制液压缸5向上顶升直至最大行程。

S8：重复S4-S7，实现机器人沿泵管10向上攀爬。

S9：机器人开始工作后，探测设备2同步开始向泵管10发射特定波长和频率的波形，并接收反馈的信号，来判别管中有无混凝土堵泵并确定分界点堵泵位置。

S10：确定到堵泵位置时，探测设备2向主控制器1反馈信号，主控制器1记录此时液压缸5的攀爬高度信息和机器人内定位装置的定位信息，并将信号反馈给远程控制设备25；若接通BIM接口可反馈在泵管BIM模型上。同时控制屏14上闪光显示，并发声直观报告探测到堵泵。

S11：在远端控制设备25选择机器人是否继续向上或向下运行。若选择继续运行，机器人重复攀爬、下降和探测操作。若选择不继续运行，主控制器1收到信号后控制抓手和防坠圈环抱住泵管10，人工通过安全操作将机器人从泵管10上取下回收。

S12：向下运行时和攀爬反之同理。

本发明上述实施例中的自爬升式混凝土工程自动检测机器人还可以应用于钢管混凝土密实度和堵塞的检测，特别是钢管高强混凝土密实度和堵塞的检测。

①钢管混凝土密实度和堵塞的检测：

钢管混凝土施工时，压注可能发生堵塞，常规压注流程为：堵塞钢管法兰间隙——清洗管内污物、润湿管壁——安设压注头和闸阀——压注管内混凝土——从排浆孔振捣混凝土——关闭压注口闸阀稳压——拆除闸阀完成压注。

压注过程中发生堵管时，可以安装适宜规格型号的机器人于管壁，沿管壁上下移动探测钢管内混凝土密实与疏空分界处，工作方法及原理与泵管工程相同。

压注完后，可安装机器人沿管壁上下移动探测。通过设定机器人工作条件，预输入允许误差，再根据检测中声波等综合反馈情况，确定钢管中混凝土疏松不密实的点和缺失程度。根据检测结果，判定是否满足要求是否需要采取补救措施，如需要制定相应施工方案。

②钢管混凝土缺陷检测：钢管混凝土中，特别是钢管高强混凝土，可能因混凝土流动性差、凝结过快、压注不到位、管理不善等多种原因，造成混凝土疏松、空洞、施工缝不均匀、不能与钢管良好胶结等缺陷。由于电波难以穿透钢管，转用声波为主、电波或射线波为辅的测量方式。实际工程中应用超声探测钢管混凝土技术已趋成熟，考虑通过声波电波结合、多传感器智能化控制，在无接触探测和自动化探测方面完成创新，形成专有成果。

相比于现有技术，本发明自爬升式混凝土工程自动检测机器人及其检测方法，优点在于：

1、自升降系统、控制及探测系统、远程控制系统、防坠系统各部分协同，实现堵泵位置的自动化检测，减少工人高空作业，同时可以人工控制为辅，增加安全性、适应性；

2、数据导入BIM模型方便后期进行其他分析研究；

3、机器人主体探测部分沿泵管爬行探测，探测速度较快；探测设备可采用声波射线波结合，提高探测结果准确性；

4、各种传感器协同工作，攀爬上升下降，可自然避开泵管附墙连接、管间珐琅连接的同时，防坠，防触底触顶碰撞，探测到堵泵时自动制动记录亦可选择继续启动运行走完全程，装拆灵活方便，可根据现场实际工况灵活调整探测流程；

5、减少人工成本、措施材料浪费、减少其他附加作业，减少工期。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，包括：

控制及探测系统，包括主控制器以及联接于所述主控制器的探测设备；

爬升系统，包括上部机壳、下部机壳以及连接于所述上部机壳和所述下部机壳之间的液压缸，所述上部机壳和所述下部机壳分别设有抓手，所述主控制器和所述探测设备设于所述上部机壳或所述下部机壳，由所述主控制器控制所述液压缸及所述抓手工作；

防坠系统，包括防坠圈环以及伸缩连接于所述防坠圈环内侧的防坠夹片，由所述主控制器控制所述防坠夹片伸缩；

远程控制系统，包括远程联接于所述主控制器的远程控制设备。

2.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述上部机壳的底部以及所述下部机壳的顶部分别设有限位器，所述限位器分别联接于所述主控制器。

3.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述上部机壳的顶部以及所述下部机壳的底部分别设有红外传感器，所述红外传感器分别联接于所述主控制器。

4.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述远程控制设备设有BIM接口，使用时与BIM模块连接。

5.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述主控制器还联接于控制屏，所述控制屏设于所述上部机壳或所述下部机壳。

6.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述抓手包括可相互接合的两个抓钳，两个抓钳的一端分别连接有抓杆，两根抓杆的端部由抓手转轴转动连接，所述抓手转轴由抓手电机控制转动，所述抓手电机联接于所述主控制器。

7.如权利要求6所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，每个所述抓钳包括由伸缩杆连接的两个弧形抓钳段。

8.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述主控制器还联接于防坠器，所述防坠器设于所述上部机壳和/或所述下部机壳。

9.如权利要求1所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人，其特征在于，所述防坠圈环包括由圈环转轴转动连接的两半圈环臂，两半圈环臂的自由端通过锯齿卡扣和锁头连接。

10.一种采用如权利要求1～9中任意一项所述的自爬升式混凝土工程自动检测机器人的检测方法，其特征在于，

将所述防坠圈环套设在待检测构筑物上，所述防坠圈可沿所述构筑物移动；

由所述主控制器控制交替控制所述下部机壳和所述上部机壳的抓手抓紧和松开所述构筑物，并在一个抓手松开、另一个抓手抓紧时启动所述液压缸伸长或缩进，使所述机器人沿所述构筑物移动；

所述探测设备在所述机器人沿所述构筑物移动的过程中，对所述构筑物进行检测，并将检测结果回传至所述远程控制设备。

Images