CN114083510B - 可变角度、直径的隧洞检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了隧洞缺陷检测技术领域一种可变角度、直径的隧洞检测机器人，包括底座、支撑组件、联动组件；底座上设有动力控制组件，动力控制组件包括控制器和电机；支撑组件包括设置在底座上方的平台板和立柱，立柱升降设置在平台板上，立柱端部设有主轴承；联动组件包括驱动杆、轮毂、轮框，轮毂通过横杆与主轴承连接设置，轮毂与轮框连接设置，轮框上转动设置外连杆，外连杆端部固定设置有摄影组件，驱动杆一端与主轴承配合设置，驱动杆的另一端穿设过轮毂与外连杆连接设置；主轴承通过控制器进行轴向和环向方向的转动，主轴承轴向运动带动驱动杆往复运动，主轴承环向运动带动轮毂环向运动。本发明应用场景广、检测效率高、使用方便、成本较低。

Description

可变角度、直径的隧洞检测机器人

技术领域

本发明涉及隧洞缺陷检测技术领域，具体地，涉及一种可变角度、直径的隧洞检测机器人。

背景技术

随着国家水利水电工程的发展，国内建设了大量的大型输水隧洞工程和设施，经过多年运营，由于地质因素、外界环境破坏、结构疲劳损伤累积等原因，已逐渐出现了各种各样的缺陷，工程处于带病运行状态。目前已经发现的缺陷问题有以下方面：混凝土开裂、表面冲蚀、衬砌后脱空、底部淤积等，这些缺陷是隧洞运行的最大安全隐患，需要及时进行检测和修复。而不同工程中的隧洞的尺寸不尽相同，对不同隧洞专门设计检测机器人，将带来大量的成本投入，造成浪费。

经现有技术检索发现，中国发明专利公告号为CN110588925A，公开了一种大直径长引水隧洞水下检测机器人系统，由用于发送指挥控制命令实现各系统交互的岸基操控集装箱、用于保证电缆零浮力布放回收的车载绞车系统及检测机器人组成，所述车载绞车系统由岸基操控集装箱操控并实现布放与回收，所述检测机器人与车载绞车系统的电缆连接。但是上述专利存在以下不足：该专利技术通过电缆计长的方式预报机器人的运动距离，对于不同尺寸的隧洞而言，电缆计长只能使得机器人检测不同深度的隧洞，且存在上述相关问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可变角度、直径的隧洞检测机器人。

根据本发明提供的一种可变角度、直径的隧洞检测机器人，包括底座、支撑组件以及联动组件；

所述底座上设有动力控制组件，所述动力控制组件包括控制器和驱动检测机器人移动的电机；

所述支撑组件包括平台板和立柱，所述平台板设置在所述底座上方，所述立柱设置在所述平台板上，所述立柱的端部设有主轴承；

所述联动组件包括驱动杆、轮毂以及轮框，所述轮毂通过横杆与所述主轴承连接设置，所述轮毂与所述轮框连接设置，所述轮框上转动设置有外连杆，所述外连杆端部固定设置有摄影组件，所述驱动杆一端与所述主轴承配合设置，所述驱动杆的另一端穿设过所述轮毂设置，且所述驱动杆的另一端与所述外连杆连接设置；

所述立柱通过所述控制器升降设置在所述平台板上，所述主轴承通过所述控制器进行轴向和环向方向的转动，所述主轴承轴向运动带动所述驱动杆往复运动，所述主轴承环向运动带动所述轮毂环向运动，且所述摄影组件与所述控制器电信号连接设置。

一些实施方式中，所述驱动杆的穿设过所述轮毂的端部固定设置有圆盘，所述圆盘的外圆周上周向固定设置内连杆，所述内连杆另一端连接设置在所述外连杆上，所述内连杆设有多根，所述外连杆对应多根所述内连杆设有多根，多根所述外连杆周向均匀设置在所述轮框上。

一些实施方式中，所述轮毂与所述轮框采用同心圆结构设计，所述轮毂与所述轮框之间通过辐条连接设置。

一些实施方式中，所述平台板与所述底板之间通过斜撑杆固定设置，所述斜撑杆设有四根，四根所述斜撑杆的两端分别与所述平台板、所述底板的四个顶角固定设置。

一些实施方式中，所述立柱与所述平台板相互垂直设置，所述主轴承设置在所述立柱的上端部，所述立柱内设有调整立柱高度的液压装置，所述液压装置与控制器电信号连接设置。

一些实施方式中，所述主轴承与所述轮毂之间固定设置横杆，所述横杆采用中空管。

一些实施方式中，所述底座包括车轮和底板，所述车轮设置在所述底板的下端面，且所述车轮分别设置在底板的四个顶角处，所述车轮与所述电机连接设置，且所述车轮通过所述电机驱动而转动设置。

一些实施方式中，所述动力控制组件还包括蓄电池，所述蓄电池分别与所述电机、所述控制器连接设置。

一些实施方式中，所述摄影组件包括摄像机和轴承件，所述摄像机通过所述轴承件设置在所述外连杆的端部，所述摄像机与所述控制器通过数据线连接设置，所述轴承件与所述控制器电信号连接设置，且所述轴承件通过所述控制器调整所述摄像机的角度。

一些实施方式中，检测机器人进行通电，根据隧洞尺寸调整所述驱动杆，所述驱动杆带动端部的圆盘向远离所述主轴承的方向运动，所述圆盘上连接的内连杆带动所述外连杆进行转动，所述摄影组件向靠近圆盘方向进行收缩；

需要所述摄影组件向远离圆盘方向进行扩展时，所述驱动杆带动端部的圆盘向靠近所述主轴承的方向运动，缩小所述摄影组件的摄像机与隧洞内壁的距离；

需要转动拍照时，所述摄像机通过所述主轴承环向运动进行转动拍摄，将采集的影像传输回所述控制器，通过无线信号将实时数据传输至地面工作平台，并利用相应软件进行处理分析，完成检测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设置动力控制组件，无线传输数据，在检测过程中不需要人工操作，可在地表进行远程操控，大大降低了人工成本，保证检测人员的安全；

2、本发明通过设置底座、动力控制组件、支撑组件、联动组件以及摄影组件，在进行检测之前，将所有组件顺序吊载至起点，然后进行组装和调试，由此可减小机器人的运输成本；

3、本发明通过设置支撑组件和联动组件，通过立柱的升降调整机器人的高度，并可通过调整驱动杆的位置，使圆盘远离或靠近轮毂，从而带动摄像机收缩或张开，从而调整检测半径的大小，可适应不同尺寸的隧洞，大大提高了机器人的应用范围；

4、本发明通过设置动力控制组件，并设置蓄电池供电，可通过更换电池为机器人提供持久动力，由于不需要电缆，所以增加了机器人的灵活性，使机器人的运动更为敏捷；

5、本发明设置摄像系统，摄像系统可围绕轮框中心转动，因此可以调整摄像机的朝向，并且在相邻摄像机的视场不能叠加时，可通过转动整个摄像系统，对隧洞进行连续摄影，提高检测效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明可变角度、直径的隧洞检测机器人的结构示意图；

附图标记：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示为可变角度、直径的隧洞检测机器人的结构示意图，包括底座、支撑组件以及联动组件。底座上设有动力控制组件，动力控制组件包括蓄电池201、控制器203和驱动检测机器人移动的电机202，蓄电池201分别与电机202、控制器203连接设置。

底座包括车轮101和底板102，车轮101设置在底板102的下端面，且车轮101分别设置在底板102的四个顶角处，车轮101与电机202连接设置，且车轮101通过电机202驱动而转动设置。

支撑组件包括平台板302和立柱303，平台板302设置在底座上方，立柱303设置在平台板302上，立柱303的端部设有主轴承304。平台板302与底板102之间通过斜撑杆301固定设置，斜撑杆301设有四根，四根斜撑杆301的两端分别与平台板302、底板102的四个顶角固定设置。立柱303与平台板302相互垂直设置，主轴承304设置在立柱303的上端部，立柱303内设有调整立柱303高度的液压装置，液压装置与控制器203电信号连接设置。

联动组件包括驱动杆401、轮毂403以及轮框405，轮毂403通过横杆402与主轴承304连接设置，轮毂403与轮框405连接设置，轮框405上转动设置有外连杆407，外连杆407端部固定设置有摄影组件，驱动杆401一端与主轴承304配合设置，驱动杆401的另一端穿设过轮毂403设置，且驱动杆401的另一端与外连杆407连接设置。

摄影组件包括摄像机501和轴承件，摄像机501通过轴承件设置在外连杆407的端部，摄像机501与控制器203通过数据线连接设置，轴承件与控制器203电信号连接设置，且轴承件通过控制器203调整摄像机501的角度。

驱动杆401的穿设过轮毂403的端部固定设置有圆盘408，圆盘408的外圆周上周向固定设置内连杆406，内连杆406另一端连接设置在外连杆407上，内连杆406设有多根，外连杆407对应多根内连杆406设有多根，多根外连杆407周向均匀设置在轮框405上。在本实施例中，摄像机501设置8-20个，内连杆406对应摄像机501的数量设置8-20根。摄像机501采用自动对焦高分辨率防抖摄像机，摄像机501下可设拉稳云台。

主轴承304与轮毂403之间固定设置横杆402，横杆402采用中空管，使主轴承304与轮毂403之间不发生相对运动。轮毂403与轮框405采用同心圆结构设计，轮毂403与轮框405之间通过辐条404连接设置。

立柱303通过控制器203升降设置在平台板302上，主轴承304通过控制器203进行轴向和环向方向的转动，主轴承304轴向运动带动驱动杆401往复运动，主轴承304环向运动带动轮毂403环向运动，且摄影组件与控制器203电信号连接设置。

工作原理：在检测前，将各部分组件分别运送至待检测隧洞入口处。在组装完底座、动力控制组件以及支撑系统后，调节支撑系统中的立柱303，使立柱303上端连接的主轴承304的中心与隧洞的中心接近，这样可以保证在组装完成后摄像机501与隧洞内壁的距离相同，从而保证所有摄像机501所得到的影像质量接近，便于对采集的数据进行处理。

在组装联动系统和摄影组件时，先将机器人的驱动杆401调整至最前端。进行组装后，打开控制系统203上的开关，使检测机器人进行通电。根据隧洞尺寸调整驱动杆401，驱动杆401带动端部的圆盘408向远离主轴承304的方向运动，由于内连杆406与外连杆407相连，所以内连杆406会发生旋转和平移，从而带动外连杆407绕内连杆406与轮框405的连接处发生转动，摄影组件向靠近圆盘408方向进行收缩。

对于内径较大的隧洞，需要摄影组件向远离圆盘408方向进行扩展时，驱动杆401带动端部的圆盘408向靠近主轴承304的方向运动，缩小摄影组件的摄像机501与隧洞内壁的距离，提高影像的清晰度。同时，通过控制系统203，远程调节摄像机501与外连杆407连接处的轴承件，保证摄像机501朝向在检测过程中始终垂直于隧洞内壁，减小影像的畸变。

机器人的行进速度可根据摄像机501的拍照的频率、摄像机501的焦距、摄像机501的视场角以及摄像机501与隧洞内壁的距离计算得出，以保证在行进过程中，每个摄像机501的相邻两次拍照得到的图像具有10％以上的重叠率。

需要转动拍照时，摄像机501通过主轴承304环向运动进行转动拍摄，转动的速度可根据摄像机501的拍照的频率、摄像机501的焦距、摄像机501的视场角以及摄像机501与隧洞内壁的距离计算得出，以保证在行进过程中，每个摄像机501的相邻两次拍照得到的图像具有10％以上的重叠率。

所采集到的影像数据传输回控制器203，通过数据线从摄像机501直接传送至控制中心203的硬件中进行存储，同时通过无线信号，将实时数据传输至地面工作平台，并利用相应软件进行处理分析。根据分析结果，对于缺陷分布较为集中的部分，应适当降低机器人行进速度，以保证采集到的数据数量足够多、精度足够高。

检测完成后，将机器人行进到出口或入口处，进行拆解后，再分步运送至地面。

机器人所携带的蓄电池2的容量应尽量满足整条隧洞的检测工作，如果隧洞长度较大，所能携带的蓄电池201无法提供足够的电量，在检测过程中，蓄电池201电量耗尽，则需要人工更换备用电池。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，包括底座、支撑组件以及联动组件；

所述底座上设有动力控制组件，所述动力控制组件包括控制器(203)和驱动检测机器人移动的电机(202)；

所述支撑组件包括平台板(302)和立柱(303)，所述平台板(302)设置在所述底座上方，所述立柱(303)设置在所述平台板(302)上，所述立柱(303)的端部设有主轴承(304)；

所述联动组件包括驱动杆(401)、轮毂(403)以及轮框(405)，所述轮毂(403)通过横杆(402)与所述主轴承(304)连接设置，所述轮毂(403)与所述轮框(405)连接设置，所述轮框(405)上转动设置有外连杆(407)，所述外连杆(407)端部固定设置有摄影组件，所述驱动杆(401)一端与所述主轴承(304)配合设置，所述驱动杆(401)的另一端穿设过所述轮毂(403)设置，且所述驱动杆(401)的另一端与所述外连杆(407)连接设置；

所述立柱(303)通过所述控制器(203)升降设置在所述平台板(302)上，所述主轴承(304)通过所述控制器(203)进行轴向和环向方向的转动，所述主轴承(304)轴向运动带动所述驱动杆(401)往复运动，所述主轴承(304)环向运动带动所述轮毂(403)环向运动，且所述摄影组件与所述控制器(203)电信号连接设置；

所述驱动杆(401)的穿设过所述轮毂(403)的端部固定设置有圆盘(408)，所述圆盘(408)的外圆周上周向固定设置内连杆(406)，所述内连杆(406)另一端连接设置在所述外连杆(407)上，所述内连杆(406)设有多根，所述外连杆(407)对应多根所述内连杆(406)设有多根，多根所述外连杆(407)周向均匀设置在所述轮框(405)上；

所述主轴承(304)与所述轮毂(403)之间固定设置横杆(402)，所述横杆(402)采用中空管。

2.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述轮毂(403)与所述轮框(405)采用同心圆结构设计，所述轮毂(403)与所述轮框(405)之间通过辐条(404)连接设置。

3.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述底座包括车轮(101)和底板(102)，所述车轮(101)设置在所述底板(102)的下端面，且所述车轮(101)分别设置在底板(102)的四个顶角处，所述车轮(101)与所述电机(202)连接设置，且所述车轮(101)通过所述电机(202)驱动而转动设置。

4.根据权利要求3所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述平台板(302)与所述底板(102)之间通过斜撑杆(301)固定设置，所述斜撑杆(301)设有四根，四根所述斜撑杆(301)的两端分别与所述平台板(302)、所述底板(102)的四个顶角固定设置。

5.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述立柱(303)与所述平台板(302)相互垂直设置，所述主轴承(304)设置在所述立柱(303)的上端部，所述立柱(303)内设有调整立柱(303)高度的液压装置，所述液压装置与控制器(203)电信号连接设置。

6.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述动力控制组件还包括蓄电池(201)，所述蓄电池(201)分别与所述电机(202)、所述控制器(203)连接设置。

7.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，所述摄影组件包括摄像机(501)和轴承件，所述摄像机(501)通过所述轴承件设置在所述外连杆(407)的端部，所述摄像机(501)与所述控制器(203)通过数据线连接设置，所述轴承件与所述控制器(203)电信号连接设置，且所述轴承件通过所述控制器(203)调整所述摄像机(501)的角度。

8.根据权利要求1所述的可变角度、直径的隧洞检测机器人，其特征在于，检测机器人进行通电，根据隧洞尺寸调整所述驱动杆(401)，所述驱动杆(401)带动端部的圆盘(408)向远离所述主轴承(304)的方向运动，所述圆盘(408)上连接的内连杆(406)带动所述外连杆(407)进行转动，所述摄影组件向靠近圆盘(408)方向进行收缩；

需要所述摄影组件向远离圆盘(408)方向进行扩展时，所述驱动杆(401)带动端部的圆盘(408)向靠近所述主轴承(304)的方向运动，缩小所述摄影组件的摄像机(501)与隧洞内壁的距离；

需要转动拍照时，所述摄像机(501)通过所述主轴承(304)环向运动进行转动拍摄，将采集的影像传输回所述控制器(203)，通过无线信号将实时数据传输至地面工作平台，并利用相应软件进行处理分析，完成检测。

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