CN114248249B - 一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于文物检测领域，公开了一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人，包括复杂地面自适应行走系统、复杂大空间自适应调节系统、岩壁接触防护智能控制系统、接触状态智能感知系统以及多功能岩壁损伤信息采集系统五大功能模块；工作过程中，智能感知系统中的传感器与智能控制系统末端的SLAM系统共同作用采集环境信息，通过调节自适应行走系统、自适应调节系统和智能控制系统的相对运动，确保末端检测仪器与岩壁保持恒定的接触位置，既提高了检测的岩壁损伤信息的精度，又从原理上杜绝了检测仪器对岩壁的损坏。同时机器人采用全自动控制，提高了检测工作的安全性、准确性和高效性，为系统性、周期性的探究石质文物的损伤情况提供了可能。

Description

一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人

技术领域

本发明属于文物检测领域，涉及一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人。

背景技术

中华民族五千多年灿烂的历史文化，孕育了许许多多璀璨的文化瑰宝。如果谈及中华民族珍贵的文化遗产，石窟文化一定是其中最重要的一环。石窟艺术是由建筑、雕塑及壁画三者紧密结合而成的宗教艺术，石窟不但是今天了解和研究我国古代历史、建筑、雕刻、音乐和宗教信仰等方面的重要形象资料，也是追溯古代中西文化交流的实物佐证。以北石窟寺为例，北石窟寺位于甘肃省庆阳市西南25公里处，蒲河和茹河交汇之东岸的覆钟山下，其作为全国重点文物保护单位、甘肃省四大石窟之一，创建于北魏时期，经过历代的扩建开凿，现存窟龛308个，造像2126尊，石碑7通，阴刻、墨书、题记等150余方，千姿百态的石雕艺术代表了甘肃陇东地区汉唐文化的精华；其中最具盛名的165窟，规模宏大，内容丰富，艺术价值极高，为国内罕见，是砂岩开凿石窟的典型代表。但是，由于石窟建成较早，且其依山而建、大多都直接暴露在旷野中，在大自然和人为因素的影响下，这些文化瑰宝也逐步发育了不同类型和程度的病害，主要包括山体的局部坍塌、雨水侵蚀和洞窟渗水、环境风貌的破坏以及文物本体的稳定性破坏；文物本体破坏主要有由于物理风化和生物风化导致的雕塑粉化、起壳和根部酥碱，以及石窟雕塑表层的颜料层脱落、起甲、烟熏、褪色、人为刻画和鸟类抓痕等问题。因此，定期对石窟的发育病害展开系统的调查和研究，以及进一步对石窟采取抢救性的保护措施，这对砂岩石窟的保存和文化遗产的传承都具有十分重要的现实意义。

对于石窟病害的检测，又有其特殊性。第一、病害信息复杂性。引起石窟的破坏主要是水的渗流引起的风化破坏、重力引起的卸荷裂隙、结构损伤引起的裂隙；损伤形式多样，如果对其进行全面研究，深层次揭示其损伤机理和演化规律，至少要对石窟内部水流、裂缝、风化损伤的分布进行多角度、深层次的测试研究。第二、岩壁表面易损性。石窟岩壁风化剥落严重，表面强度很低。检测时测试仪器设备的接触易于引起文物损伤，尤其是壁画损伤。第三、岩壁结构复杂性。石窟艺术表达和损伤剥落引起岩壁表面崎岖不平，为接触式测试增加难度。第四、石窟空间特殊性。洞窟门洞狭小，限制了大型车载式检测设备的使用，不同洞窟几何尺寸差异严重，有的洞窟高度达到20m，有的却仅仅2m，还有一些洞窟内部具有复杂内室，这对测试设备空间自适应能力提出很高要求。考虑到上述情况，现有技术下的研究主要是工作人员采用罗盘仪、钢尺、塔尺、皮尺、全站仪、数码相机以及三位扫描仪等仪器进行现场采样测绘，而后对采样的数据在实验室进行分析研究。对于重要的石窟雕塑、窟龛内壁的表层破坏以及裂纹的研究，更是要在不接触石窟表面的前提下运用高清数码相机进行拍照取样，根据裂纹的形状判断裂纹的深度和对石窟的影响程度。这种方法虽然可以在尽可能保护文物的基础上对石窟岩壁进行研究，但现有存在很多缺陷。首先，采用人工现场采样的办法进行研究时，工作人员首先需要对工作仪器的搭建平台进行选址，对不同的石窟岩壁采样时，还需要频繁的更换仪器安装地点，取样完成后还要对不同样品分类整理研究，这种方法耗时耗力、工作效率极低，不适用于对石窟的发育病害的定期系统研究；其次，复杂的内部结构会形成很多比较狭小的空间，采用这种方法研究时，会由于人体和设备的局限性产生很多研究死角，而有些角落恰巧是研究的重点区域，故该方法不利于对石窟岩壁病害全局性的认识；而且，石窟依山而建，高大雄伟，一些石窟的高度甚至达到十几米，现有研究方法在较大高度的石窟窟龛内作业时非常不方便、费时费力；另外，现有方法进行石窟病害研究时，每研究一种病害就需要更换一种设备，对同一块区域的不同病害研究时，需要根据不同仪器要求多次选址，对同一区域进行反复取样；并且，人工现场取样时，若手持设备离石窟较远时导致采取的照片信息失真，若挨近佛像进行拍摄时，极易由于操作失误造成不必要的文物损坏，且人工拍摄时不能保证每次拍摄都与石窟岩壁保持恒定的距离，这无疑增加了后期分析研究工作的困难。这些因素导致了当前石窟病害探测工作的长期性和艰难性，也决定了石窟岩壁探伤工作无法定期系统的展开，因此对于石窟的病害研究和破坏修复工作急需一个新的突破口，需要一款超大变径多自由度的检测设备。

发明内容

考虑石窟病害检测工作的特殊性，一款合格的检测设备需要满足如下几点要求：第一，为了适应石窟内部的复杂结构，该检测设备必须能够实现超大变径和多自由度的检测；第二，检测设备对石窟岩壁进行检测时必须能够进行接触式探测，以提高设备检测的精度，为深层次揭示石窟损伤机理和演化规律提供技术保障；第三，由于石窟岩壁表面崎岖不平，为了实现对石窟内壁的接触式探测，该检测设备必须要有智能感知和智能控制功能；第四，检测设备需实现对石窟岩壁进行精细化探测，包括对洞窟岩壁表面、浅层、深层的深度维度全尺寸覆盖、对窟龛内部裂隙、水分、硬度的多信息检测以及对浅层微观裂纹和深层宏观裂纹的多尺度探测。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复杂岩壁大空间多功能自适应智能探测机器人，包括复杂地面自适应行走系统、复杂大空间自适应调节系统、岩壁接触防护智能控制系统、接触状态智能感知系统以及多功能岩壁损伤信息采集系统五大功能模块。

复杂地面自适应行走系统，由行走系统工作平台、履带、蓄电池、驱动电机、减速器、转向驱动轴、控制系统模块、散热器和法兰接口组成。蓄电池、驱动电机和控制系统模块安装在行走系统工作平台的内部，一对履带对侧安装于工作平台的两侧，驱动电机通过减速器与履带相连；散热器和法兰接口位于工作平台的上侧盖板。蓄电池为驱动电机供电，工作人员远程遥控控制系统模块中的行走系统模块，控制行走系统实现前进、后退和转弯等的运动。履带与电机的输出轴相连，提高运行过程中与地面的附着力，使得装置运行平稳，越障性能好，环境适应能力强；采用履带行走系统的机器人可以进入门洞超过80cm的洞窟进行检测，也能够适应洞窟复杂路面状况行走需要，还可以有效预防由于路面崎岖不平而引起的仪器设备对岩壁碰撞破坏。安装于工作平台顶部的法兰接口用于将自适应调节系统安装在行走系统工作平台上；散热器用于为控制系统模块散热，保护电路。

复杂大空间自适应调节系统由旋转底座、四个举升气缸和三个举升臂组成。旋转底座一端与行走系统的法兰接口相连，举升臂1的一端通过铰链与旋转底座相连，另一端与举升臂2通过铰链和连杆组相连，举升臂3通过铰链和连杆组与举升臂2的另一端相连，三个举升气缸分别与三个举升臂的支点相连，举升臂3的末端安装有三级举升气缸，用于进一步增大该自适应调节系统的举高范围。该自适应调节系统在工作时，气缸推动连杆组，进而推动三个举升臂逐级展开；相反，当检测工作结束时，举升臂在气缸的作用下逐级缩回。工作过程中每个举升臂的举升状态均可在控制系统模块的控制下随意调节，故该结构既有旋转自由度、也有俯仰自由度、还有直线伸缩和空间扭转自由度，空间适应性好。能够对高度小于25m的岩壁进行任意位置全覆盖检测，实现对大洞窟和小洞窟的空间适应性需要。而且能自行避开洞窟内墩柱的干涉，保障对洞窟复杂空间结构的自适应性。

岩壁接触防护智能控制系统由旋转连杆、旋转头、和安装在该装置末端的SLAM系统组成。旋转连杆1通过旋转头1与自适应调节系统的三级伸缩臂相连，旋转连杆1可以围绕自适应调节系统的三级伸缩臂做周向旋转运动；旋转连杆2通过旋转头2与旋转连杆1的末端相连，旋转连杆2可以实现在垂直于自适应调节系统三级伸缩臂轴线的x轴方向做360度的旋转运动；SLAM系统通过旋转头3与旋转连杆2的末端相连，SLAM系统可以实现在垂直于自适应调节系统三级伸缩臂轴线的y轴方向做360度的旋转运动；即该装置的末端可以相对于自适应调节系统的三级伸缩臂做全方位的调节。在装置末端安装的SLAM系统，能够快速感知检测仪器附近岩壁表面复杂几何特征；控制系统模块检测到SLAM系统传出的岩壁表面的几何特征信号，控制安装在SLAM系统前端的接触面板在三个旋转头的作用下实现全方位智能调节，使得安装在接触面板上的检测仪器在岩壁表面的横向移动能够适应岩壁凹凸不平的变化，防止对岩壁造成损伤。其中的SLAM系统是指机器人在未知环境中从一未知位置开始移动，在移动过程中根据位置估计和传感器数据进行自身定位，同时建造增量式地图的系统。

接触状态智能感知系统包括接触面板、激光传感器、压力传感器和控制系统四部分。接触面板安装在SLAM系统的末端，激光传感器和压力传感器均安装接触面板上，控制系统位于行走系统工作平台的控制系统模块中。激光传感器用于感知检测设备和岩壁之间的距离，压力传感器用于测量检测设备与岩壁之间的接触压力；检测设备相对岩壁的距离信号作为空间调节系统的控制信号，控制臂架的姿态和调节速度，防止检测设备和岩壁之间发生碰撞；检测设备与岩壁之间的压力信号作为智能检测机器人状态调节是否合理的评价信号，既可以保障良好测试效果，又可以尽可能的防止破坏岩壁。

多功能岩壁损伤信息采集系统由安装在接触面板上的多用途仪器接口和与之搭载的多种检测仪器组成。检测仪器主要包括探地雷达、太赫兹波谱仪、激光雷达、超声探测仪和红外水分测试仪；其中探地雷达用于探测宏观裂隙和深层缺陷，可对10m深度范围内的宏观裂隙进行检测，也可检测山体水系；太赫兹波谱仪用于探测浅层微裂隙和水分，可检测宽度大于0.2mm的微裂隙，也可检测含水率的空间分布；激光雷达用于探测表面损伤和构建三维地图，可以检测表面岩质的空间分布和结构损伤的空间分布，精度可以达到毫米级；超声探测仪用于探测岩壁浅层力学性能，检测浅层砂岩密度和密实性空间分布，反映材料模量的空间变化；红外水分测试仪用于探测岩壁表面含水率变化。该装置进行工作时，首先采用接触面板上的仪器接口分别搭载SLAM、太赫兹测试仪和地质雷达，采集岩壁由表及里的损伤信息及自然孔洞内部的损伤信息；随后采用基于卷积神经网络的深度学习方法，通过对所采集损伤信息进行降噪、二值化、增强、边界识别等处理，识别裂纹位置、裂纹方向和裂纹尺度；最后在前述研究的基础上，分别构建岩壁表层、浅层和深层损伤的三维空间分部数值化地图，依据岩壁断裂力学理论，研究岩壁损伤演化过程和演化机理。对于岩壁表面损伤信息的采集，岩壁的表面状态采用SLAM测试，构建表面状态三维分布数值化地图；岩壁的浅层损伤采用太赫兹测试，可以测试10cm深度范围内的微裂纹，属于微观测试；而对于岩壁的深层损伤信息采用地质雷达进行测试，测试深度可以达到10m，探测较大裂隙，属于宏观测试；最后利用岩壁上的自然孔洞，测试不同深度孔洞壁的损伤分布特征，实现孔洞的内部测试模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明复杂岩壁大空间多功能自适应智能探测机器人采用履带行走系统，运行平稳，越障性能好；同时采用复杂大空间自适应调节系统，当高度调节系统缩回时，装置整体高度仅为80cm，当伸缩臂完全展开时，可以长达25m，因此本发明具有很高的环境适应性，可以基本满足所有现有石窟的工作要求。

进一步的，本发明的工作端安装了接触状态智能感知系统，配合岩壁接触防护智能控制系统，可以使得安装在接触面板上的检测仪器始终与岩壁保持恒定的接触位置，即提高了检测的岩壁损伤信息的精度，又从原理上杜绝了检测仪器对岩壁的损坏。

进一步的，本发明的接触面板上可以搭载多种仪器设备，安装与拆卸方便，可大大提高设备的工作效率，大大缩短文物探测工作的周期。

进一步的，本发明采用了多功能岩壁损伤信息采集系统，通过搭载不同的仪器设备可以深度探测岩壁的表面状态、浅层损伤和深层损伤，根据由表及里含水率和损伤状态的空间分部信息特征来分析损伤演化过程，大大提高了对石窟状态评估的准确性。

进一步的，本发明中检测设备工作过程中路径的规划设置、自适应调节系统以及岩壁防护系统的调节均由设备的控制系统自动调节，无需工作人员参与；且工作过程中变换安装地点仅需启动设备的行走系统即可，不需要重新选择安装地址，为系统性、周期性的探究石窟的损伤情况提供了可能。

进一步的，本发明结构简单、功能多样，具有很高的通用性。

附图说明

图1是本发明的工作状态的结构示意图；

图2是本发明的初始位置的结构示意图；

图3是本发明中复杂地面自适应行走系统的结构示意图；

图4是本发明中复杂大空间自适应调节系统的结构示意图；

图5是本发明中岩壁接触防护智能控制系统的结构示意图；

图6是本发明中接触状态智能感知系统的结构示意图；

图7是本发明中多功能岩壁损伤信息采集系统的结构示意图；

图8是本发明在遇到立柱时的工作示意图；

图9是本发明中更换检测仪器的工作示意图。

其中：1-复杂地面自适应行走系统，101-行走系统工作平台，102蓄电池，103-驱动电机，104-转向驱动轴，105-减速器，106-履带，107-控制系统模块，108-散热器，109-螺纹接口；2-复杂大空间自适应调节系统，201-旋转底座，202-举升臂1，203-举升气缸1，204-举升臂2，205-举升气缸2，206-举升臂3，207-举升气缸3，208-三级伸缩气缸，209-连杆组1，210-连杆组2；3-岩壁接触防护智能控制系统，301-旋转连杆1，302-旋转头1，303-旋转连杆2，304-旋转头2，305-旋转头3，306-SLAM系统；4-接触状态智能感知系统，401-接触面板，402-激光传感器，403-压力传感器；5-多功能岩壁损伤信息采集系统，501-多用途仪器接口，502-探地雷达，503-太赫兹波谱仪，504-激光雷达，505-超声探测仪，506-红外水分测试仪。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1至图7，本发明一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人，由复杂地面自适应行走系统1、复杂大空间自适应调节系统2、岩壁接触防护智能控制系统3、接触状态智能感知系统4以及多功能岩壁损伤信息采集系统5五大功能模块组成，可在复杂的地形环境下实现对石窟岩壁的全范围探测。

复杂地面自适应行走系统1，由行走系统工作平台101，蓄电池102，驱动电机103，转向驱动轴104，减速器105，履带106，控制系统模块107，散热器108和法兰接口109组成。行走系统工作平台101为一箱体结构，箱体外侧对称安装了两个履带，用于增大该机器人在行进时与地面的摩擦力；箱体的顶部放置有散热器108和法兰接口109，法兰接口109用于安装该机器人的自适应调节系统；散热器用于为控制系统模块散热，保护电路；蓄电池102，驱动电机103，转向驱动轴104，减速器105以及控制系统模块107均位于行走系统工作平台101的内部，蓄电池102位于工作平台101内部的正中央，其输出端通过导线与驱动电机103相连，驱动电机103的输出轴接入减速器105内，减速器105的输出轴通过锥齿轮与两个转向驱动轴104相连，转向驱动轴104的两端连接有履带106，转向驱动轴104内部的转向驱动电机也通过导线与蓄电池102的输出端相连，且驱动电机103和转向驱动轴104内部的转向驱动电机均通过导线与控制系统模块107相连；该行走系统1工作时，控制系统模块107接收信号，控制驱动电机103转动，输出动力通过减速器105的减速增扭作用后传到履带106上，履带106克服地面摩擦力作用，驱动行走系统1行进；当行走系统1需要转弯时，控制系统模块107控制转向驱动轴104内部的转向驱动电机工作，控制履带106完成转弯动作。该行走系统的前后轴均采用转向驱动轴，提高行走系统1的驱动力，同时减小行走系统1的转弯半径，可大大增强机器人的环境适应性。

复杂大空间自适应调节系统2由旋转底座201、四个举升气缸和三个举升臂组成。旋转底座201一端与行走系统的法兰接口109相连，举升臂1(202)的一端通过铰链与旋转底座201相连，另一端与举升臂2(204)通过铰链和连杆组1(209)相连，举升气缸1(203)的举升端连接在举升臂1(202)上，另一端与旋转底座201通过铰链连接；举升臂2(204)未连接的一端通过铰链和连杆组210与举升臂3(206)相连，举升气缸2(205)的举升端连接到连杆组1(209)的支点，另一端与举升臂1(202)相连；举升气缸3(207)的举升端连接到连杆组2(210)的支点，另一端与举升臂2(204)相连，举升臂3(206)的末端连接有一个三级伸缩气缸(208)，用于进一步提升该自适应调节系统的举升高度。该自适应调节系统2工作时，首先举升气缸1(203)伸出，推动举升臂1(202)离开水平面竖起；接着举升气缸2(205)伸出，通过连杆组1(209)推动举升臂2(204)离开现有位置运动；随后举升气缸3(207)缩回，举升臂3(206)在举升气缸3(207)和连杆组2(210)的作用下运动，进一步提高系统的举升高度；最后三级伸缩气缸(208)伸出，该自适应调节系统2达到最大举升高度；当检测工作结束后，该自适应调节系统2的各个元件依次方向运动，即先缩回三级伸缩气缸(208)，接着折起举升臂3(206)，随后折起举升臂2(204)，最后放下举升臂1(202)，此时该自适应调节系统2回到了初始位置。该机器人在工作时，自适应调剂系统2各个气缸的运动情况均由控制系统模块107控制，工作过程中各个举升臂的举升状态可以随意调节，因为可以满足对复杂大空间表面的全覆盖，满足其环境适应性要求。

岩壁接触防护智能控制系统3由旋转连杆、旋转头和安装在该系统末端的SLAM系统组成。旋转连杆1(301)通过旋转头1(302)与自适应调节系统的三级伸缩气缸(208)相连，旋转连杆2(303)通过旋转头2(304)与旋转连杆1(301)的末端相连，旋转连杆2(303)的未连接端通过旋转头3(305)与SLAM系统306相连，SLAM系统306的末端接有接触面板(401)。当旋转头1(302)运动时，旋转连杆1(301)可以围绕三级伸缩气缸208的轴线做旋转运动；当旋转头2(304)转动时，带动旋转连杆2(303)围绕垂直于三级伸缩气缸208轴线的x轴方向做旋转运动；当旋转头3(305)转动时，带动SLAM系统306围绕垂直于三级伸缩气缸208轴线的y轴方向做旋转运动，即SLAM系统306末端的接触面板401的位置可以在旋转连杆和旋转头的作用下相对于自适应调节系统的三级伸缩气缸208做全方位的调节。安装在旋转头3(305)末端的SLAM系统306，能够快速感知检测仪器附近岩壁表面复杂几何特征，从而驱动控制系统模块107根据SLAM系统306传出的岩壁表面的几何特征信号，控制旋转头和旋转连杆的相对运动，进而控制接触面板401在岩壁上的相对接触距离，使得安装在接触面板上的检测仪器在岩壁表面的横向移动能够适应岩壁凹凸不平的变化，防止对岩壁造成损伤。当岩壁内部控制有立柱或者复式结构时，控制面板401搭载检测仪器可以在岩壁接触防护智能控制系统3的作用下轻松绕过立柱和岩壁，从而实现对岩壁损伤信息的全方位检测。

接触状态智能感知系统4包括接触面板401、激光传感器402、压力传感器403和控制系统107四部分。接触面板401安装于岩壁接触防护智能控制系统3的末端，激光传感器402和压力传感器403均安装接触面板401上，两者的输出信号均传输给控制系统模块107；激光传感器402用于感知检测设备和岩壁之间的距离，压力传感器403用于测量检测设备与岩壁之间的接触压力。系统工作时，控制系统接收激光传感器402和压力传感器403的实时信号，进而控制岩壁接触防护智能控制系统3做出相应动作，通过调整智能控制系统3旋转头和旋转连杆的相对位置，使检测设备与岩壁间保持恒定距离，智能避让岩壁内壁的复杂结构，防止检测设备和岩壁之间发生碰撞。

多功能岩壁损伤信息采集系统5由安装在接触面板401上的多用途仪器接口501和与之搭载的多种检测仪器组成；检测仪器主要包括探地雷达502、太赫兹波谱仪503、激光雷达504、超声探测仪505和红外水分测试仪506。该机器人进行石窟岩壁损伤探测时，首先通过接触面板401表面的SLAM系统307构建表面状态三维分布数值化地图；接着接触面板上的多功能接口501搭载太赫兹波谱仪503测试岩壁的浅层损伤；随后搭载探地雷达502探测岩壁的宏观裂隙和深层缺陷；最后分别搭载超声探测仪505和红外水分测试仪506对岩壁浅层力学性能和岩壁表面含水率进行探测。工作过程遵循先探测表面状态、浅层损伤和深层损伤，根据由表及里含水率和损伤状态的空间分部信息特征来分析损伤演化过程的原则。含水率监测装置包括工作箱体2和工作箱体落料装置。工作箱体2上设置用于检测含水率的两个陶瓷极板201、测试电路集成式模块5和显示控制系统模块。两个陶瓷极板201对称安装于工作箱体2的内壁，陶瓷极板201的下表面位于工作箱体落料装置一端上方，陶瓷极板201用于检测工作箱体2内部空间的电容量变化，本实施例中，以用于坚果的含水率检测为例，两个陶瓷极板201可以将坚果中的含水率变化为转化为电容量的变化。

参见图8和9，本发明的工作过程如下所示：

所述自适应智能探测机器人在进行石窟岩壁病害探测时，机器人搭载不同的检测仪器，在行走系统1的带动下进入石窟内部，通过自适应调节系统2和岩壁接触防护智能控制系统3的相对运动，实现对岩壁的探测。

启动机器人电源开关后，工作人员通过操作工作手柄，远程控制该机器人的行走系统1。控制系统模块107在接收到指令后，控制驱动电机103开始转动，驱动电机103通过输出轴将动力传输到履带106上，履带106克服地面摩擦力作用，驱动行走系统1行进；工作人员远程控制该机器人的行走系统1前进、后退和转弯动作，直到该机器人行驶到需检测的石窟附近的指定位置。

机器人到达指定位置时，控制系统模块107控制举升气缸1(203)工作，气缸1(203)伸出从而推动举升臂1(202)离开水平面竖起；接着举升气缸2(205)伸出，通过连杆组1(209)推动举升臂2(204)离开现有位置运动；随后举升气缸3(207)缩回，举升臂3(206)在举升气缸3(207)和连杆组2(210)的作用下运动，进一步提高系统的举升高度；最后三级伸缩气缸(208)伸出，该自适应调节系统2完全展开。随后岩壁接触防护智能控制系统3开始动作，控制系统模块107接收机器人末端接触面板401上的激光传感器402、压力传感器403的传出的实时信号后，控制三个彼此连接的旋转连杆和旋转头的相互运动，使得机器人末端接触面板401上的检测仪器始终与石窟内壁表面有恒定的相对接触距离，避免检测仪器与岩壁复杂的内部结构发生碰撞；工作过程中，控制系统模块107根据SLAM系统306传出的数值化地图信号，控制该机器人的自适应调节系统2和岩壁接触防护智能控制系统3的相对位置，从而使检测设备依次完成对整个检测位置表面全覆盖。该设备在检测过程中，当该机器人末端接触面板401搭载检测仪器在壁面行进过程中遇到立柱时，SLAM系统发现立柱的具体位置后，控制系统模块107采集信号，控制自适应调节系统2和岩壁接触防护智能控制系统3动作，自适应调节系统2的末端在各级气缸和举升臂的相对运动下靠近立柱，随后岩壁接触防护智能控制系统3的旋转头1(302)旋转，旋转连杆1(301)带动检测仪器绕过立柱，接着旋转头2(304)和旋转头3(305)调节相对位置，使检测仪器靠近壁面，完成该空间的病害损伤检测。

当一个检测仪器完成对石窟岩壁的探测后，自适应调节系统2的举升气缸2(205)缩回，通过连杆组1(209)带动举升臂2(204)缩回，随后举升臂3和随后岩壁接触防护智能控制系统3也发生相对运动，控制系统模块107控制系统运动使接触面板下降到一定高度后，工作人员取下检测仪器并安装下一个检测仪器，然后自适应调节系统2和岩壁接触防护智能控制系统3运动，带动接触面板到达检测区域，该机器人自动完成再一次的检测任务。当完成全部检测项目后，控制系统模块107控制自适应调节系统2缩回三级伸缩气缸(208)，接着折起举升臂3(206)，随后折起举升臂2(204)，放下举升臂1(202)，此时该自适应调节系统2回到了初始位置；最后工作人员通过远程遥控，控制该机器人行走系统1工作，履带转动，载着该机器人驶离石窟，返回初始工作位置，至此，本发明复杂岩壁大空间多功能自适应智能探测机器人完成一次工作循环。

本发明复杂岩壁石质文物智能探测机器人，工作端安装了接触状态智能感知系统和岩壁接触防护智能控制系统，使得安装在接触面板上的检测仪器始终与岩壁保持恒定的接触位置，即提高了检测的岩壁损伤信息的精度，又从原理上杜绝了检测仪器对岩壁的损坏；采用复杂大空间自适应调节系统，配合自适应履带行走系统，可实现很高的环境适应性，基本满足所有现有石质文物的检测工作要求；采用多用途仪器搭载接口，可在接触面板上搭载多种仪器设备，对石质文物岩壁的表面状态、浅层损伤和深层损伤进行深度探测，根据由表及里含水率和损伤状态的空间分部信息特征来分析损伤演化过程，大大提高了对文物状态评估的准确性，同时仪器安装与拆卸方便，可大大提高设备的工作效率，大大缩短文物探测工作的周期；检测设备工作过程中路径的规划设置、自适应调节系统以及岩壁防护系统的调节均由设备的控制系统自动调节，无需工作人员参与，工作过程高效可靠，为系统性、周期性的探究石窟的损伤情况提供了可能；同时本发明中的各部分结构简单、功能多样，具有很高的通用性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复杂岩壁石质文物智能探测机器人，其特征在于，包括：复杂地面自适应行走系统(1)、复杂大空间自适应调节系统(2)、岩壁接触防护智能控制系统(3)、接触状态智能感知系统(4)、多功能岩壁损伤信息采集系统(5)；

所述复杂地面自适应行走系统(1)通过旋转底座(201)的法兰接口(109)与复杂大空间自适应调节系统(2)相连；由行走系统工作平台(101)，蓄电池(102)，驱动电机(103)，转向驱动轴(104)，减速器(105)，履带(106)，散热器(108)和法兰接口(109)组成；

所述复杂大空间自适应调节系统(2)由旋转底座(201)、四个举升气缸和三个举升臂组成；举升臂1(202)的一端与旋转底座(201)通过铰链相连，另一端通过铰链与举升臂2(204)和连杆组1(209)相连，举升气缸1(203)的举升端连接在举升臂1(202)上，另一端与旋转底座(201)通过铰链连接；举升臂2(204)未连接的一端通过铰链和连杆组2(210)与举升臂3(206)相连，举升气缸2(205)的举升端连接到连杆组1(209)的支点，另一端与举升臂1(202)相连；举升气缸3(207)的举升端连接到连杆组2(210)的支点，另一端与举升臂2(204)相连，举升臂3(206)的末端连接有一个三级伸缩气缸(208)，用于进一步提升该自适应调节系统的举升高度；

所述岩壁接触防护智能控制系统(3)安装在三级伸缩气缸(208)的末端；岩壁接触防护智能控制系统(3)由旋转连杆、旋转头和安装在该系统末端的SLAM系统(306)组成；旋转连杆1(301)通过旋转头1(302)与自适应调节系统的三级伸缩气缸(208)相连，旋转连杆2(303)通过旋转头2(304)与旋转连杆1(301)的末端相连，旋转连杆2(303)的未连接端通过旋转头3(305)与SLAM系统(306)相连；

接触状态智能感知系统(4)由接触面板(401)、激光传感器(402)和压力传感器(403)三部分组成；接触面板(401)安装于岩壁接触防护智能控制系统(3)的末端，激光传感器(402)和压力传感器(403)均安装接触面板(401)上；激光传感器(402)用于感知检测设备和岩壁之间的距离，压力传感器(403)用于测量检测设备与岩壁之间的接触压力；

多功能岩壁损伤信息采集系统(5)由安装在接触面板(401)上的多用途仪器接口(501)和与之搭载的多种检测仪器组成；检测仪器主要包括探地雷达(502)、太赫兹波谱仪(503)、激光雷达(504)、超声探测仪(505)和红外水分测试仪(506)；

其中探地雷达(502)用于探测宏观裂隙和深层缺陷，可对10m深度范围内的宏观裂隙进行检测，也可检测山体水系；太赫兹波谱仪(503)用于探测浅层微裂隙和水分，可检测宽度大于0.2mm的微裂隙，也可检测含水率的空间分布；激光雷达(504)用于探测表面损伤和构建三维地图，可以检测表面岩质的空间分布和结构损伤的空间分布，精度可以达到毫米级；超声探测仪(505)用于探测岩壁浅层力学性能，检测浅层砂岩密度和密实性空间分布，反映材料模量的空间变化；红外水分测试仪(506)用于探测岩壁表面含水率变化。

2.根据权利要求1所述的复杂岩壁石质文物智能探测机器人，其特征在于，还包括控制系统模块(107)，控制系统模块(107)位于行走系统工作平台(101)的内部，用于控制复杂地面自适应行走系统(1)的行进以及复杂岩壁石质文物智能探测机器人进行石质文物探测的全部运动。

3.根据权利要求1所述的复杂岩壁石质文物智能探测机器人，其特征在于，行走系统工作平台(101)为一箱体结构，箱体外侧对称安装了两个履带(106)，用于增大该机器人在行进时与地面的摩擦力；箱体的顶部放置有散热器(108)和法兰接口(109)，散热器(108)用于为控制系统模块散热，保护电路；蓄电池(102)，驱动电机(103)，转向驱动轴(104)以及减速器(105)均位于行走系统工作平台(101)的内部；该行走系统(1)工作时，控制系统模块(107)接收第一预设信号，控制驱动电机(103)转动，实现本机器人的行进、后退以及转弯运动。

4.根据权利要求2所述的复杂岩壁石质文物智能探测机器人，其特征在于，复杂大空间自适应调节系统(2)举升臂的运动、岩壁接触防护智能控制系统(3)中旋转连杆和旋转头的相对运动均受控制系统模块(107)的控制；控制系统模块(107)的初始信号来源于接触状态智能感知系统(4)末端的传感器感知的信号。

5.根据权利要求3所述的复杂岩壁石质文物智能探测机器人，其特征在于，复杂地面自适应行走系统(1)的行走控制信号来自于远程操作手柄。

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