CN114800567A - 用于隧道内巡检的轨道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于隧道内巡检的轨道机器人，用于对隧道内的病害进行自动检测，去除人工检测成本及检测危险。轨道机器人能够沿隧道内预设的轨道行走，包括走行机构、随动支架、伸展机构、信息采集组件和控制器，信息采集组件固定在伸展机构的伸展杆上。在机器人沿轨道行走时，伸展杆纵向收拢，不受空间和障碍物的限制，能够快速到达指定位置。探测时，伸展杆能够横向展开并旋转，可以实现对隧道顶部一个较大范围的监测。

Description

用于隧道内巡检的轨道机器人

技术领域

本发明涉及巡检机器人领域，尤其涉及一种用于隧道内巡检的轨道机器人，适用于对隧道结构变形及渗漏水等病害的检测。

背景技术

盾构隧道由管片拼装而成，管片之间通过螺栓连接而成，整个隧道内部存在大量的环缝与纵缝，盾构管片接缝的变形，宏观上看为横断面的收敛变形以及纵向的不均匀沉降，细观上看是管片的错台与接缝的张开。

同时，隧道衬砌结构存在大量的环缝、纵缝、螺栓孔和注浆孔，这些接缝和孔洞是盾构隧道中潜在的渗漏水通道。盾构隧道变形所引起的管片接缝的张开、错台等会对盾构隧道的防水效果产生巨大影响。当错台量超过一定的量值时，防水密封垫不再重叠，防水失效，有关隧道结构安全所引发的运营事故对人民生命财产安全造成了极大威胁。因此定期检测隧道是一项必要的工作。

由于隧道直径较大，检测隧道顶部的某些位置十分困难。现有常规检测方法为检测员在装载机上的铲斗中，托举检测设备，让设备紧贴隧道衬砌表面，实现采集数据。在高空作业不仅对检测员的技术要求极高，而且十分危险。灵活度不够，不仅检测时间长，而且花费的人力物力也十分巨大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于隧道内巡检的轨道机器人，检测效率高，不受空间限制且图像采集清晰准确。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

用于隧道内巡检的轨道机器人，其特征在于，包括：

走行机构，能够沿隧道内的轨道驱动行走；

随动支架，位于走行机构的前方、并通过轮组可移动的位于轨道上；

伸展机构，连接走行机构和随动支架，所述伸展机构包括伸展杆，所述伸展杆的第一端自由设置，第二端与伸展机构可转动连接，所述伸展杆在第一驱动组件的驱动下能够与轨道呈夹角横向展开或纵向收拢，在第二驱动组件的驱动下能够以第二端为原点、绕纵向轴线在空间内旋转；

信息采集组件，固定于伸展杆的第一端，包括图像采集传感器和定位传感器；及

控制器，其信号输入端连接信息采集组件，控制出端连接走行机构、第一驱动组件和第二驱动组件。

进一步的技术方案在于，所述第二驱动组件包括：

第二电机，固定于随动支架上；及

第二连接件，固定于第二电机的电机轴上，所述伸展杆的第二端可转动的固定于第二连接件上；

所述第一驱动组件包括：

第一电机，可转动的悬吊于走行机构上；

驱动螺杆，与第一电机和第二电机的电机轴均同轴设置，所述驱动螺杆的一端与第一电机的电机轴固定，另一端可转动的固定于第二连接件上；

第一连接件，螺纹连接于驱动螺杆上；及

连杆，其一端可转动的固定于第一连接件，另一端可转动的固定有滑套，所述滑套滑接于伸展杆上。

进一步的技术方案在于，所述图像采集传感器包括灰度相机，所述灰度相机通过两个第一舵机固定于伸展杆上、并可实现两个自由度的转动，两个第一舵机与控制器的控制输出端连接。

进一步的技术方案在于，所述伸展杆具有两根，两根伸展杆以纵向轴线对称设置；其中

一根伸展杆的第一端设有灰度相机；

另一根伸展杆的第一端设有红外热成像仪和激光位移传感器，所述红外热成像仪和激光位移传感器同样过两个第二舵机固定于伸展杆上、并可实现两个自由度的转动，两个第二舵机与控制器的控制输出端连接。

进一步的技术方案在于，所述隧道内的轨道为工字钢结构，具有上顶板、下底板、及连接上顶板和下底板的腹板；

所述走行机构包括：

托架，置于轨道的下方，于托架上向上具有至少四个呈矩形布置的支梁，四个支梁并分置于腹板的两侧；及

走行轮，可转动的固定于每一支梁上，并能够沿轨道的下底板行走，同侧的两走行轮之间通过履带传动，所述走行轮上连接有驱动其旋转的驱动部。

进一步的技术方案在于，同侧的两支梁间间通过连接梁固定，于连接梁上固定有伸入履带内的支撑轮轴，所述支撑轮轴上可转动的固定有对履带上、下进行支撑的支撑轮。

进一步的技术方案在于，所述走行机构还包括：

后导向组件，具有两组，分设于托架的前后两端，每一后导向组件中具有两个后导向轮，两个后导向轮可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。

进一步的技术方案在于，所述后导向轮可转动的固定于一后导向臂上，所述后导向臂可转动的固定于托架上，每组中的两后导向臂之间通过拉伸状态的弹簧连接。

进一步的技术方案在于，所述隧道内的轨道为工字钢结构，具有上顶板、下底板、及连接上顶板和下底板的腹板；

所述随动支架上的轮组包括：

两个万向轮，分置于轨道腹板的两侧，可转动的固定于随动支架上，并能够沿轨道的下底板行走；及

前导向组件，具有两组，分设于万向轮的前后两端，每一前导向组件中具有两个前导向轮，两个前导向轮可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。

进一步的技术方案在于，所述前导向轮可转动的固定于一前导向臂上，所述前导向臂可转动的固定于随动支架上，每组中的两前导向臂之间通过拉伸状态的弹簧连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

在机器人沿轨道行走时，伸展杆纵向收拢，降低了机器人整体的宽度，使机器人不受空间和障碍物的限制，能够快速到达指定位置，同时也对信息采集组件进行了保护，避免与障碍物或隧道内壁发生碰撞，进而保证了检测信息的准确性。

当机器人沿轨道到达指定位置后停止，伸展杆横向展开伸出轨道外，在伸展杆张开过程中，图像采集传感器可以实现对隧道顶部一个较大范围的监测，当伸展杆展开打开至90°时为扫描监测的最大范围，即伸展杆展开到位。

伸展杆展开后，通过第二驱动组件驱动伸展杆第二端为原点、绕纵向轴线在空间内旋转，可使伸展杆末端的图像采集传感器向隧道顶部表面靠近，可以适应不同相机的焦距，得到更加清晰的图片和更加准确的扫描数据。

伸展杆旋转复位并合拢后，第二驱动组件驱动伸展杆旋转180°后，图像采集传感器移动至轨道的另一侧，伸展杆再次展开、旋转，可对轨道另一侧的隧道顶部进行扫描。

综上，通过伸展杆的展开及旋转，可使图像采集传感器的扫描轨迹以伸展杆第二端为中心在水平面和竖直面内各扫描180°的范围，监测范围广，巡检效率和精度得到提高，可用于对隧道内的病害进行自动检测，去除人工检测成本及检测危险。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本轨道机器人在轨道上的结构示意图；

图2是本轨道机器人的一轴测结构示意图；

图3是本轨道机器人的另一轴测结构示意图；

图4是本轨道机器人的俯视结构示意图；

图5是本轨道机器人中走行机构的示意图。

具体实施方式

下面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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1～图5所示，本公开的用于隧道内巡检的轨道机器人，用于对隧道内的病害进行自动检测，去除人工检测成本及检测危险。

轨道机器人能够沿隧道内预设的轨道100行走，轨道100位于隧道的顶部并沿隧道长度方向布设。轨道100优选采用工字型钢架设，具有上顶板、下底板、及连接上顶板和下底板的腹板，取材方便且强度得到保证。

本公开的用于隧道内巡检的轨道机器人包括走行机构1、随动支架2、伸展机构3、信息采集组件4和控制器。

走行机构1能够沿隧道内的轨道100驱动行走，为机器人行走提供驱动。走行机构1采用悬吊的方式连接于轨道100上。走行机构1包括托架101和走行轮102。托架101置于轨道100的下方，于托架101上向上具有至少四个呈矩形布置的支梁，四个支梁并分置于腹板的两侧。走行轮102的数量与支梁的数量相同，走行轮102可转动的固定于每一支梁上，并能够沿轨道100的下底板行走，同侧的两走行轮102之间通过履带103传动，履带103与下底板贴合，在走行轮102上连接有驱动其旋转的驱动部。带轮传动具有较好的传动精确度，履带103式行走通过差速形式过弯，不仅运动稳定而且转弯灵活，并且履带103和走行轮102可拆卸，便于设备的维修与更换，经过更换履带103实现对已有轨道100的适应。

在同侧的两支梁间间通过连接梁固定，于连接梁上固定有伸入履带103内的支撑轮104轴，所述支撑轮104轴上可转动的固定有对履带103上、下进行支撑的支撑轮104，支撑轮104对履带103起到支撑和涨紧的作用，保证带轮间有效的传动。并且支撑轮104优选的设置有三个，三个支撑轮104呈三角形布置，对履带103上、下面进行支撑。

另外，走行机构1还包括后导向组件，后导向组件具有两组，分设于托架101的前后两端，每一后导向组件中具有两个后导向轮105，两个后导向轮105可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。具体的，后导向轮105呈工字型轮，与下底板厚度方向的面发生滚动摩擦。

后导向轮105与托架101具体的安装方式为，后导向轮105可转动的固定于一后导向臂106上，所述后导向臂106可转动的固定于托架101上，每组中的两后导向臂106之间通过拉伸状态的弹簧107连接，从而确保走行机构1移动的稳定性。

随动支架2位于走行机构1的前方、并通过轮组可移动的位于轨道100上。随动支架2上的轮组包括两个万向轮201和前导向组件。

两个万向轮201分置于轨道100腹板的两侧，可转动的固定于随动支架2上，并能够沿轨道100的下底板行走，万向轮201的设置便于机器人在弯道上的转向行走。

前导向组件与后导向组件的结构相同，同样具有两组，分设于万向轮201的前后两端，每一前导向组件中具有两个前导向轮202，两个前导向轮202可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。前导向轮202可转动的固定于一前导向臂上，所述前导向臂可转动的固定于随动支架2上，每组中的两前导向臂之间通过拉伸状态的弹簧107连接。

伸展机构3连接走行机构1和随动支架2，并作为信息采集组件4的载体。伸展机构3包括伸展杆301，可由碳纤维杆制得。伸展杆301的第一端自由设置，第二端与伸展机构3可转动连接，所述伸展杆301在第一驱动组件的驱动下能够与轨道100呈夹角横向展开或纵向收拢，在第二驱动组件的驱动下能够以第二端为原点、绕纵向轴线在空间内旋转。

其中，第二驱动组件包括第二电机321和第二连接件322。第二电机321固定于随动支架2上，第二连接件322固定于第二电机321的电机轴上，伸展杆301的第二端可转动的固定于第二连接件322上。

第一驱动组件包括第一电机311、驱动螺杆312、第一连接件313和连杆314。第一电机311通过轴承等方式可转动的悬吊于走行机构1上，并优选的位于托架101的中部，实现机器人转弯。驱动螺杆312与第一电机311和第二电机321的电机轴均同轴设置，驱动螺杆312的一端与第一电机311的电机轴固定，另一端通过轴承可转动的固定于第一连接件313上。第一连接件313螺纹连接于驱动螺杆312上。连杆314的一端可转动的固定于第一连接件313，另一端可转动的固定有滑套，滑套滑接于伸展杆301上。驱动螺杆312所在的轴线即为伸展杆301旋转时的轴线。

第一驱动组件驱动伸展杆301伸展时，第一电机311启动，驱动螺杆312旋转，从而使第一连接件313沿驱动螺杆312产生轴向向前的位移，在连杆314的作用下，驱动伸展杆301横向展开，可与驱动螺杆312间呈90°的夹角设置。第一电机311控制驱动螺杆312反向旋转，驱动伸展杆301纵向合拢。

第二驱动组件驱动伸展杆301旋转时，第二电机321启动，第二电机321带动第二连接件322转动，从而使伸展杆301旋转，在此过程中，伸展杆301带动连杆314旋转，连杆314带动第一连接件313旋转，使得连杆314组件整体发生旋转，保持伸展机构3的稳定。

信息采集组件4固定于伸展杆301的第一端，包括图像采集传感器和定位传感器，其中图像采集传感器包括灰度相机401和红外热成像仪402，用于扫描并采集隧道内壁的影像，定位传感器包括激光位移传感器403，判断伸展杆301的姿态(即伸展杆301第一端的位置)。

优选的伸展杆301具有两根，两根伸展杆301以纵向轴线对称设置。其中，一根伸展杆301的第一端设有灰度相机401。灰度相机401通过两个第一舵机固定于伸展杆301上、并可实现两个自由度的转动。另一根伸展杆301的第一端设有红外热成像仪402和激光位移传感器403。红外热成像仪402和激光位移传感器403同样过两个第二舵机固定于伸展杆301上、并可实现两个自由度的转动。

对称的结构设置可使机器人保持平衡。同侧的两个舵机的旋转方向垂直，使传感器就有两个自由度，从而可保证图像采集传感器始终保持垂直对准环形隧道壁面的姿态进行扫描。

控制器为该机器人的逻辑控制部分，接收信息采集组件4反馈的信息，对机器人的姿态进行调控，完成对隧道内壁信息的扫描采集。控制器的信号输入端连接信息采集组件4，控制出端连接走行机构1、第一驱动组件、第二驱动组件、第一舵机和第二舵机。控制器通过接收到的激光位移传感器403反馈的信号，判断判断伸展杆301的姿态，从而控制第一驱动组件、第二驱动组件、第一舵机和第二舵机的动作。控制器接收图像采集传感器反馈的图像信息进行存储或反馈至远端的显示终端。

在机器人沿轨道100行走时，伸展杆301纵向收拢，降低了机器人整体的宽度，使机器人不受空间和障碍物的限制，能够快速到达指定位置，同时也对信息采集组件4进行了保护，避免与障碍物或隧道内壁发生碰撞，进而保证了检测信息的准确性。

当机器人沿轨道100到达指定位置后走行机构1停止，第一驱动组件驱动伸展杆301横向展开伸出轨道100外，在伸展杆301张开过程中，图像采集传感器可以实现对隧道顶部一个较大范围的监测，当伸展杆301展开打开至90°时为扫描监测的最大范围，即伸展杆301展开到位。

伸展杆301展开后，通过第二驱动组件驱动伸展杆301第二端为原点、绕纵向轴线(即绕驱动螺杆312)在空间内正、反两次旋转，可使伸展杆301末端的图像采集传感器向隧道顶部表面靠近(第二电机正转灰度相机401靠近隧道顶部表面，第二电机反转红外热成像仪402靠近隧道顶部表面)，可以适应不同相机的焦距，得到更加清晰的图片和更加准确的扫描数据。

伸展杆301旋转复位并合拢后，第二驱动组件驱动伸展杆301旋转180°后，图像采集传感器移动至轨道100的另一侧，灰度相机401和红外热成像仪402交换位置，伸展杆301再次展开、旋转，可对轨道100另一侧的隧道顶部进行扫描。

综上，通过伸展杆301的展开及旋转，可使图像采集传感器的扫描轨迹以伸展杆301第二端为中心在水平面和竖直面内各扫描180°的范围，监测范围广，巡检效率和精度得到提高，可用于对隧道内的病害进行自动检测，去除人工检测成本及检测危险。

在本公开的用于隧道内巡检的轨道机器人中，可转动固定的方式，可以采用轴承连接或销轴与轴套配合的方式，均属于现有技术，上述内容不再赘述。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于隧道内巡检的轨道机器人，其特征在于，包括：

走行机构(1)，能够沿隧道内的轨道(100)驱动行走；

随动支架(2)，位于走行机构(1)的前方、并通过轮组可移动的位于轨道(100)上；

伸展机构(3)，连接走行机构(1)和随动支架(2)，所述伸展机构(3)包括伸展杆(301)，所述伸展杆(301)的第一端自由设置，第二端与伸展机构(3)可转动连接，所述伸展杆(301)在第一驱动组件的驱动下能够与轨道(100)呈夹角横向展开或纵向收拢，在第二驱动组件的驱动下能够以第二端为原点、绕纵向轴线在空间内旋转；

信息采集组件(4)，固定于伸展杆(301)的第一端，包括图像采集传感器和定位传感器；及

控制器，其信号输入端连接信息采集组件(4)，控制出端连接走行机构(1)、第一驱动组件和第二驱动组件。

2.根据权利要求1所述的轨道机器人，其特征在于，所述第二驱动组件包括：

第二电机(321)，固定于随动支架(2)上；及

第二连接件(322)，固定于第二电机(321)的电机轴上，所述伸展杆(301)的第二端可转动的固定于第二连接件(322)上；

所述第一驱动组件包括：

第一电机(311)，可转动的悬吊于走行机构(1)上；

驱动螺杆(312)，与第一电机(311)和第二电机(321)的电机轴均同轴设置，所述驱动螺杆(312)的一端与第一电机(311)的电机轴固定，另一端可转动的固定于第二连接件(322)上；

第一连接件(313)，螺纹连接于驱动螺杆(312)上；及

连杆(314)，其一端可转动的固定于第一连接件(313)，另一端可转动的固定有滑套，所述滑套滑接于伸展杆(301)上。

3.根据权利要求1所述的轨道机器人，其特征在于，所述图像采集传感器包括灰度相机(401)，所述灰度相机(401)通过两个第一舵机固定于伸展杆(301)上、并可实现两个自由度的转动，两个第一舵机与控制器的控制输出端连接。

4.根据权利要求3所述的轨道机器人，其特征在于，所述伸展杆(301)具有两根，两根伸展杆(301)以纵向轴线对称设置；其中

一根伸展杆(301)的第一端设有灰度相机(401)；

另一根伸展杆(301)的第一端设有红外热成像仪(402)和激光位移传感器(403)，所述红外热成像仪(402)和激光位移传感器(403)同样过两个第二舵机固定于伸展杆(301)上、并可实现两个自由度的转动，两个第二舵机与控制器的控制输出端连接。

5.根据权利要求1所述的轨道机器人，其特征在于，所述隧道内的轨道(100)为工字钢结构，具有上顶板、下底板、及连接上顶板和下底板的腹板；

所述走行机构(1)包括：

托架(101)，置于轨道(100)的下方，于托架(101)上向上具有至少四个呈矩形布置的支梁，四个支梁并分置于腹板的两侧；及

走行轮(102)，可转动的固定于每一支梁上，并能够沿轨道(100)的下底板行走，同侧的两走行轮(102)之间通过履带(103)传动，所述走行轮(102)上连接有驱动其旋转的驱动部。

6.根据权利要求5所述的轨道机器人，其特征在于，同侧的两支梁间间通过连接梁固定，于连接梁上固定有伸入履带(103)内的支撑轮(104)轴，所述支撑轮(104)轴上可转动的固定有对履带(103)上、下进行支撑的支撑轮(104)。

7.根据权利要求5所述的轨道机器人，其特征在于，所述走行机构(1)还包括：

后导向组件，具有两组，分设于托架(101)的前后两端，每一后导向组件中具有两个后导向轮(105)，两个后导向轮(105)可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。

8.根据权利要求7所述的轨道机器人，其特征在于，所述后导向轮(105)可转动的固定于一后导向臂(106)上，所述后导向臂(106)可转动的固定于托架(101)上，每组中的两后导向臂(106)之间通过拉伸状态的弹簧(107)连接。

9.根据权利要求1所述的轨道机器人，其特征在于，所述隧道内的轨道(100)为工字钢结构，具有上顶板、下底板、及连接上顶板和下底板的腹板；

所述随动支架(2)上的轮组包括：

两个万向轮(201)，分置于轨道(100)腹板的两侧，可转动的固定于随动支架(2)上，并能够沿轨道(100)的下底板行走；及

前导向组件，具有两组，分设于万向轮(201)的前后两端，每一前导向组件中具有两个前导向轮(202)，两个前导向轮(202)可转动的分置于下底板的两侧，能够夹持住下底板的外缘、并沿下底板行走。

10.根据权利要求9所述的轨道机器人，其特征在于，所述前导向轮(202)可转动的固定于一前导向臂上，所述前导向臂可转动的固定于随动支架(2)上，每组中的两前导向臂之间通过拉伸状态的弹簧(107)连接。

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