CN113562008B - 一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：包括走行平台、扣件螺栓检测装置、定位系统；扣件螺栓检测装置包括螺栓应力检测探头，扣件螺栓检测装置通过升降装置安装在走行平台下方；在检测机器人的非测量工作状态下，升降装置将扣件螺栓检测装置抬升脱离扣件螺栓，缩回到走行平台；在检测机器人的测量工作状态下，升降装置将扣件螺栓检测装置从走行平台伸出，接触扣件螺栓进行测量；本发明结合精确定位技术和扣件超声波检测技术，实现钢轨扣件螺栓应力检测的全自动化和智能化。

Description

一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人

技术领域

本发明属于轨道交通钢轨扣件螺栓检测领域，具体涉及一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人。

背景技术

随着我国高速铁路和城市轨道交通的快速发展，其安全问题也变得日益重要，引起铁路安全隐患的因素众多，其中钢轨扣件松脱是最为关注的因素之一。扣件是钢轨、轨枕和道床之间的主要连接部件，在列车运行时，钢轨剧烈振动易导致扣件出现螺栓松动现象，而扣件螺栓松脱后会加大钢轨局部的振动变形量，进而一个扣件的松脱往往会诱发周边扣件出现连续性的松脱。在连续数个扣件松脱下，缺乏足够约束的钢轨其轨距产生变化，从而极易导致列车脱轨。

目前铁路对扣件的松脱检测主要是以人工检查为主，存在劳动强度大、漏检率较大、可靠性差和存在巡检盲区等缺点，这一安全隐患长期以来一直都是处于非完全掌控状态。随着机器人技术的发展，利用移动机器人完成轨道巡检已经成为轨道巡检方法中越来越重要的一个分支，如现有的巡检小车、钢轨焊缝检测小车等。该方法可有效降低人工的劳动强度和安全风险，提高巡检效率，达到巡检无盲区的目的，成为轨道巡检中的一个重要的技术手段。

但是针对钢轨扣件的应力检测机器人一直存在盲区，目前，人工巡检扣件主要是依靠巡检员手动敲击扣件，根据声音判断是否松动，如果采用机器人在移动状态下通过钢轨敲击技术、振动信号拾取技术和识别特征提取技术来进行检测，实现起来比较困难。虽然在实验室条件下有对螺栓进行超声应力测量的各式探头，但如何将扣件的定位和应力的自动化检测手段结合是丞待解决的问题。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人，结合精确定位技术和扣件超声波检测技术，实现钢轨扣件螺栓应力检测的全自动化和智能化。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：包括走行平台、扣件螺栓检测装置、定位系统；

所述走行平台于天窗期上轨运行，具有自主动力；

所述扣件螺栓检测装置包括螺栓应力检测探头，所述扣件螺栓检测装置通过升降装置安装在所述走行平台下方；在检测机器人的非测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置抬升脱离扣件螺栓，缩回到所述走行平台；在检测机器人的测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置从所述走行平台伸出，接触扣件螺栓进行测量；

所述定位系统固定于所述走行平台，用于检测机器人和钢轨扣件的实时定位。

进一步优选地，所述升降装置包括升降总支架，用于所述扣件螺栓检测装置的升降粗调。

进一步优选地，所述升降装置还包括旋转支架，安装在所述升降总支架的下端，用于旋转所述螺栓应力检测探头适应不同的扣件型号对准扣件螺栓。

进一步优选地，所述升降装置包括升降分支架，安装在所述旋转支架的下端，用于所述扣件螺栓检测装置的升降精调。

进一步优选地，在检测机器人的测量工作状态下，所述升降总支架位于最大伸出量位置，所述旋转支架降至抵触钢轨轨顶的位置，所述旋转支架横向两端的所述升降分支架跨设在钢轨两侧，所述螺栓应力检测探头降至抵触钢轨两侧的扣件螺栓顶部的位置。

进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置还包括视频检测装置；

所述视频检测装置安装在所述旋转支架上，用于实时传输视频信号，确定所述螺栓应力检测探头与扣件螺栓的相对位置。

进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置还包括螺栓清扫机构；

所述螺栓清扫机构安装在所述走行平台下方，所述扣件螺栓检测装置的前方。

进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置还包括耦合剂涂布装置；

所述耦合剂涂布装置安装在所述走行平台下方，所述扣件螺栓检测装置的前方。

进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置还包括螺栓标记机构；

所述螺栓标记机构安装在所述走行平台下方，所述扣件螺栓检测装置的前方。

进一步优选地，所述走行平台包括人工驾驶装置和/或自动驾驶装置。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

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、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，结合精确定位技术和扣件超声波检测技术，实现钢轨扣件螺栓应力检测的全自动化和智能化。

2、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，可人工驾驶，也可自动驾驶，并通过定位系统精确定位钢轨扣件，再通过视频检测装置进一步定位扣件螺栓的位置，通过探头抵触螺栓顶部，即可检测出扣件螺栓应力。

3、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，可以通过控制终端远程控制走行平台进行运动和自动测量。

4、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，扣件螺栓检测装置为伸缩移动测量装置，在下轨、驶向测量区段等非测量工作状态下，抬升脱离扣件，缩回到走行平台；在测量工作状态下，从走行平台伸出，旋转支架抵触钢轨，探头接触扣件螺栓进行测量。

5、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用升降总支架实现扣件螺栓检测装置升降的快速粗调，采用升降分支架实现扣件螺栓检测探头的升降精调。

6、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用旋转支架，安装在所述升降总支架的下端，用于旋转所述螺栓应力检测探头适应不同的扣件型号对准扣件螺栓。

7、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，针对不同的扣件型号，旋转支架可以旋转，使得升降分支架转动瞄准到不同扣件的螺栓位置，旋转支架抵接钢轨轨顶，进一步增强了探头测量的稳定性。

8、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用随动的视频检测装置实时传输视频信号，确定螺栓应力检测探头与扣件螺栓的相对位置，提高探头对准的准确性。

9、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，在长期暴露的扣件螺栓检测前，通过螺栓清扫机构进行清扫，清除泥沙、石子、灰尘、杂物等检测障碍，通过耦合剂涂布装置预先涂布耦合剂，保证检测数据的可靠性和有效性。

10、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，对于检测后存在缺陷或病害的扣件螺栓，虽然可以通过扣件的定位数据给出定位信息，但对后期维修的工作人员或检修机器人来说还不够直观，因此在检测完成后，通过螺栓标记机构做出直观的视觉的可识别标记，维修的工作人员或检修机器人在现场可以迅速识别。

11、本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，定位系统为检测机器人实现实时定位，考虑轨道交通沿线存在CP点、扣件等众多标志物，定位系统采用编码器累计定位和扣件定位校正相结合的定位方法，并结合北斗定位或者GPS导航技术或RFID定位技术。

附图说明

图1是本发明实施例的钢轨扣件螺栓应力检测机器人的侧视示意图；

图2是本发明实施例的钢轨扣件螺栓应力检测机器人的俯视示意图；

图3是本发明实施例的钢轨扣件螺栓应力检测机器人的扣件螺栓检测装置的示意图；

图4是本发明实施例的钢轨扣件螺栓应力检测机器人的螺栓应力检测探头的工作示意图；

图5是本发明实施例的钢轨扣件螺栓应力检测机器人的定位系统的原理示意图。

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。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图1-5所示，本发明提供一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人，包括走行平台1、扣件螺栓检测装置2、定位系统3。

所述走行平台1于天窗期上轨运行，具有自主动力；具体由多个模块拼装组成，方便天窗时间上轨和平时存放，主要包括车架、电机、减速齿轮、行车制动机构、驻车制动机构和蓄电池，速度可达到20km/h，蓄电池给车提供动力，同时也给装配在车上的其他模块提供电力，车上设置驾驶位11和操作台12(操作台12上有笔记本电脑固定位)，走行平台1包括人工驾驶装置和/或自动驾驶装置，可由人工操作，同时也可自动驾驶。

扣件螺栓检测装置2采用支架的方式，集成视觉传感器，通过位置控制，实现远程操作，使得操作员不需要到现场就能获得对应的图像和接触力信息，完成检测任务，具体操作方式是：操作员在远程人机交互界面发出机器人运动指令(位置、力等)，指令通过通信介质传输到探头。在任务执行过程中，可能会与环境接触，需要将环境图像以及正在执行的任务的反作用力传回主任务，从而使操作员可以观察巡检机器人周围环境以及任务执行过程中发生的环境反作用力。

具体地，如图1-3所示，所述扣件螺栓检测装置2包括螺栓应力检测探头4，所述扣件螺栓检测装置2通过升降装置安装在所述走行平台1下方；在检测机器人的非测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置2抬升脱离扣件螺栓9，缩回到所述走行平台1；在检测机器人的测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置2从所述走行平台1伸出，接触扣件螺栓9进行测量。

如图3所示，进一步优选地，所述升降装置包括升降总支架6，用于所述扣件螺栓检测装置2的升降粗调。

如图3所示，进一步优选地，所述升降装置还包括旋转支架5，安装在所述升降总支架6的下端，用于旋转所述螺栓应力检测探头4适应不同的扣件型号对准扣件螺栓9。

如图3所示，进一步优选地，所述升降装置包括升降分支架8，安装在所述旋转支架5的下端，用于所述扣件螺栓检测装置2的升降精调。

进一步优选地，在检测机器人的测量工作状态下，所述升降总支架6将所述旋转支架5降至横向抵触钢轨的轨顶，所述旋转支架5横向两端的所述升降分支架8跨设在钢轨两侧将所述螺栓应力检测探头4降至抵触钢轨两侧的扣件螺栓9顶部；

如图3所示，进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置2还包括视频检测装置7；所述视频检测装置7安装在所述旋转支架5上，用于实时传输视频信号，确定所述螺栓应力检测探头4与扣件螺栓9的相对位置。

如图1-3所示，进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置2还包括螺栓清扫机构21；所述螺栓清扫机构21安装在所述走行平台1下方，所述扣件螺栓检测装置2的前方。

如图1-3所示，进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置2还包括耦合剂涂布装置22；所述耦合剂涂布装置22安装在所述走行平台1下方，所述扣件螺栓检测装置2的前方。

如图1-3所示，进一步优选地，所述螺栓清扫机构21和耦合剂涂布装置22共用一个移动平台24在走行平台停车的状态下实现前后精确移动。

如图1-3所示，进一步优选地，所述扣件螺栓检测装置2还包括螺栓标记机构23；所述螺栓标记机构23安装在所述走行平台1下方，所述扣件螺栓检测装置2的前方。

如图4所示，螺栓应力检测探头4的基本原理是声弹性理论，固体中的声速与应力有关，它们之间虽然是非线性关系，但是在实际应用分析中，可把这种关系近似看做是线性的，并且这种近似有足够的准确性，可得出的公式如下：

(C_σ-C_0)/C_0＝-Aσ

C_σ表示超声波在应力σ＞0时沿应力方向传播的速度，C_0表示无应力(σ＝0)时的速度，A为比例系数，负号表示沿应力方向传播的超声波速度随应力增大而减小，σ表示应力大小。因此探头负责根据控制系统指令，激发出超声波，从螺栓顶端送到螺栓中，发射和接收均使用一个探头，通过发射和接收信号之间的时间差，即可测量出超声波在螺栓中的速度，通过与无应力情况下，标准螺栓进行对比，即可测出螺栓应力值。

如图5所示，所述定位系统3固定于所述走行平台1，用于检测机器人和钢轨扣件的实时定位。定位系统为检测机器人实现实时定位，考虑轨道交通沿线存在CP点、扣件等众多标志物，定位系统采用编码器累计定位和扣件定位校正相结合的定位方法，并结合北斗定位或者GPS导航技术或RFID定位技术。在地上的开放空间中，可采用卫星定位装置，如北斗/GPS等，在地上遮蔽空间如地上隧道，或地下，卫星定位信号弱等环境下，可采用RFID定位装置，或者RFID定位装置结合卫星定位装置。

进一步优选地，钢轨扣件螺栓应力检测机器人还包括后台分析与远程控制系统，包括扣件螺栓检测装置的位置控制系统和扣件螺栓应力监测与数据分析系统，通过人机交互界面，定时检测鼠标事件作为是否调用探头增量运动的信号、是否调用应力监测的信号，并在后台分析和记录应力数据，得出扣件螺栓是否松动的结论。

进一步优选地，钢轨扣件螺栓应力检测机器人的检测方法，包括如下步骤：

S1、走行平台1在定位系统3给出的扣件的定位信息的支持下，移到每个钢轨扣件处；

S2、开启螺栓清扫机构21对扣件及扣件螺栓9进行清扫；

S3、开启耦合剂涂布装置22，在扣件螺栓9上预先涂布耦合剂；优选地，步骤S2和/或步骤S3是在走行平台1的行进过程中完成的，或者在移动平台24的小范围移动过程中完成的；

S4、走行平台1继续行走至扣件螺栓检测装置2移动至经过步骤S2、S3处理后的扣件上方，在视频检测装置7的辅助下，包括对扣件类型的识别，旋转支架5旋转将升降分支架8对准扣件螺栓9；

S5、升降总支架6将旋转支架5降至横向抵触钢轨的轨顶；

S6、旋转支架5横向两端的升降分支架8跨设在钢轨两侧将螺栓应力检测探头4降至抵触钢轨两侧的扣件螺栓9顶部；

S7、开启螺栓应力检测探头4进行应力检测。

优选地，还包括步骤S8、对于检测后存在缺陷或病害的扣件螺栓，通过螺栓标记机构做出标记，如直观的视觉的可识别标记，以便后期维修的工作人员或检修机器人在现场可以迅速识别。优选地，标记的位置可以在扣件螺栓本身，也可以是扣件其他地方，也可以是轨道的其他地方不限。标记物如颜料、涂料不限。

综上所述，与现有技术相比，本发明的方案具有如下显著优势：

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，结合精确定位技术和扣件超声波检测技术，实现钢轨扣件螺栓应力检测的全自动化和智能化。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，可人工驾驶，也可自动驾驶，并通过定位系统精确定位钢轨扣件，再通过视频检测装置进一步定位扣件螺栓的位置，通过探头抵触螺栓顶部，即可检测出扣件螺栓应力。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，可以通过控制终端远程控制走行平台进行运动和自动测量。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，扣件螺栓检测装置为伸缩移动测量装置，在下轨、驶向测量区段等非测量工作状态下，抬升脱离扣件，缩回到走行平台；在测量工作状态下，从走行平台伸出，旋转支架抵触钢轨，探头接触扣件螺栓进行测量。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用升降总支架实现扣件螺栓检测装置升降的快速粗调，采用升降分支架实现扣件螺栓检测探头的升降精调。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用旋转支架，安装在所述升降总支架的下端，用于旋转所述螺栓应力检测探头适应不同的扣件型号对准扣件螺栓。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，针对不同的扣件型号，旋转支架可以旋转，使得升降分支架转动瞄准到不同扣件的螺栓位置，旋转支架抵接钢轨轨顶，进一步增强了探头测量的稳定性。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，采用随动的视频检测装置实时传输视频信号，确定螺栓应力检测探头与扣件螺栓的相对位置，提高探头对准的准确性。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，在长期暴露的扣件螺栓检测前，通过螺栓清扫机构进行清扫，清除泥沙、石子、灰尘、杂物等检测障碍，通过耦合剂涂布装置预先涂布耦合剂，保证检测数据的可靠性和有效性。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，对于检测后存在缺陷或病害的扣件螺栓，虽然可以通过扣件的定位数据给出定位信息，但对后期维修的工作人员或检修机器人来说还不够直观，因此在检测完成后，通过螺栓标记机构做出直观的视觉的可识别标记，维修的工作人员或检修机器人在现场可以迅速识别。

本发明的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，定位系统为检测机器人实现实时定位，考虑轨道交通沿线存在CP点、扣件等众多标志物，定位系统采用编码器累计定位和扣件定位校正相结合的定位方法，并结合北斗定位或者GPS导航技术或RFID定位技术。

可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：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实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：包括走行平台(1)、扣件螺栓检测装置(2)、定位系统(3)；

所述走行平台(1)于天窗期上轨运行，具有自主动力；

所述扣件螺栓检测装置(2)包括螺栓应力检测探头(4)，所述扣件螺栓检测装置(2)通过升降装置安装在所述走行平台(1)下方；在检测机器人的非测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置(2)抬升脱离扣件螺栓(9)，缩回到所述走行平台(1)；在检测机器人的测量工作状态下，所述升降装置将所述扣件螺栓检测装置(2)从所述走行平台(1)伸出，接触扣件螺栓(9)进行测量；

所述定位系统(3)固定于所述走行平台(1)，用于检测机器人和钢轨扣件的实时定位；

所述升降装置包括升降总支架(6)，用于所述扣件螺栓检测装置(2)的升降粗调；

所述升降装置还包括旋转支架(5)，安装在所述升降总支架(6)的下端，用于旋转所述螺栓应力检测探头(4)适应不同的扣件型号对准扣件螺栓(9)。

2.如权利要求1所述的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：

所述升降装置包括升降分支架(8)，安装在所述旋转支架(5)的下端，用于所述扣件螺栓检测装置(2)的升降精调。

3.如权利要求2所述的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：

在检测机器人的测量工作状态下，所述升降总支架(6)位于最大伸出量位置，所述旋转支架(5)降至抵触钢轨轨顶的位置，所述旋转支架(5)横向两端的所述升降分支架(8)跨设在钢轨两侧，所述螺栓应力检测探头(4)降至抵触钢轨两侧的扣件螺栓(9)顶部的位置。

4.如权利要求1所述的钢轨扣件螺栓应力检测机器人，其特征在于：

所述走行平台(1)包括人工驾驶装置和/或自动驾驶装置。

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