CN210363815U - 轨道扣件维护机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轨道扣件维护机器人，包括：轨道车；机械手，机械手设在轨道车上；定位单元，定位单元设在轨道车上，在轨道扣件维护机器人的行驶方向上定位单元位于机械手的前侧；控制系统，控制系统与轨道车、机械手及定位单元电连接，在定位单元定位到扣件时，根据定位组件与机械手之间的距离控制轨道车的行程。采用定位单元来定位扣件，并且利用定位单元，实现扣件的自动定位，不仅定位速度快，而且能降低工人的劳动强度；而且根据定位组件与机械手之间的距离控制轨道车的行程，实现紧固件松紧工作的高效性及低成本。

Description

轨道扣件维护机器人

技术领域

本实用新型涉及轨道巡检设备技术领域，尤其涉及一种轨道扣件维护机器人。

背景技术

铁路扣件是维系铁路运输安全的重要部件，它是轨道上用以联结轨道和轨枕的零件，其作用在于将轨道固定在轨枕上，保持轨距和阻止轨枕的纵横向移动。铁路扣件松动可能会酿造列车脱轨等重大事故，因此铁路扣件的巡检维护是铁路部门日常的重点工作之一。目前世界范围内大部分铁路网上，其巡检维护工作仍然依靠有工作经验的技术工人来完成，不仅需要耗费大量人力物力，也存在一定安全风险，而且受天气、地形地貌原因以及工人经验水平等因素的影响，维护水平往往差强人意，很难满足实际数以万里的轨道要求。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种轨道扣件维护机器人，可实现在行驶中自动寻找、定位扣件，提高轨道扣件的维护水平。

根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人，包括：轨道车；机械手，所述机械手设在所述轨道车上；定位单元，所述定位单元设在所述轨道车上，在所述轨道扣件维护机器人的行驶方向上所述定位单元位于所述机械手的前侧；控制系统，所述控制系统与所述轨道车、所述机械手及所述定位单元电连接，在所述定位单元定位到扣件时，根据所述定位组件与所述机械手之间的距离控制所述轨道车的行程。

根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人，在机器人对轨道扣件维护过程中，采用定位单元来定位扣件，实现扣件的自动定位，不仅定位速度快，而且能降低工人的劳动强度；而且根据定位组件与机械手之间的距离控制轨道车的行程，实现扣件维护工作的高效性及低成本。

在一些实施例中，所述机械手具有工作套筒，所述工作套筒与轨道扣件的紧固件相匹配以套住所述紧固件。

具体地，所述定位单元包括至少两种类型的定位传感器。

进一步地，所述定位单元包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器是激光传感器，所述第二传感器是超声传感器。

在一些实施例中，所述轨道扣件维护机器人包括：测高传感器，所述机械手根据所述测高传感器检测到的高度信息，调节所述工作套筒的高度。

在一些实施例中，所述轨道扣件维护机器人还包括：反馈系统，所述反馈系统与所述控制系统电连接，所述轨道车包括车轮，所述反馈系统包括车速传感器及与所述车轮相连的距离编码器。

具体地，所述机械手通过伸缩电机调节所述工作套筒的高度，所述反馈系统还包括与所述伸缩电机相连的深度编码器。

在一些实施例中，所述轨道车适于行驶在双轨道上，所述机械手为四个，所述轨道每钢轨的两侧分别对应设有一个所述机械手。

具体地，所述定位单元为四个，四个所述定位单元一一对应地设置在四个所述机械手的前侧。

在一些实施例中，轨道扣件维护机器人还包括：坐标定位装置，所述坐标定位装置设在所述轨道车上，所述控制系统与所述坐标定位装置电连接以记录所述扣件的绝对位置坐标。

在一些实施例中，轨道扣件维护机器人还包括：用于检测所述扣件状态的检测单元，所述检测单元设在所述轨道车上。

具体地，所述检测单元包括设在所述工作套筒内的摄像机。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是常见的铁路轨道的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人的关键部件布局图；

图3是根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人在双轨道上的结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人的侧视示意图；

图5是本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人在隐藏了车壳后在双轨道上的结构示意图。

附图标记：

轨道扣件维护机器人1000、

轨道车1、车架11、纵架111、横架112、车轮12、前轮121、后轮122、挡环123、车壳14、

检测单元2、定位单元20、第一传感器201、第二传感器202、测高传感器203、车速传感器204、摄像机205、

机械手3、工作套筒31、

深度编码器51、避障检测传感器52、坐标定位装置53、无线传输器54、距离编码器55、电源系统6、控制系统7、

轨道91、轨枕92、扣件93、减震垫931、挡板932、弹条933、紧固件934。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

铁路轨道是支撑列车和限制列车行驶方向的部件。如图1所示，铁路轨道的主要结构包括轨道91、轨枕92和扣件93，轨道91通过扣件93固定在轨枕92上，扣件93也称为中间联结件。扣件93主要包括减震垫931、挡板932、弹条933和紧固件934等，减震垫931垫在轨枕92和轨道91之间，两个挡板932分别止抵在轨道91的两侧，两个弹条933分别位于两个挡板932上，且每个弹条933均压在轨道91上，紧固件934 由上向下穿过弹条933、挡板932后固定在轨枕92上，将轨道91与轨枕92紧固连接成一体。其中的紧固件934常见为螺栓，螺栓的头部卡在弹条933上。

紧固件934是保证扣件93装配牢固的关键，正常使用的轨道91上，当紧固件934 松动时需要及时拧紧，轨道91在长期使用后更换时，大量紧固件934需要拧松以方便拆下扣件93。铁路系统有数以亿计的扣件93，要拧紧或者拧开这些扣件93的紧固件934，工作量非常庞大。

为解决这一问题，本实用新型实施例提出一种轨道扣件维护机器人1000，轨道扣件维护机器人1000可以沿轨道91行驶并维护扣件，维护主要准对的场景包括换轨、换枕、新铺轨、扣件复紧、应力放散等。

根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人1000，包括：轨道车1、机械手3、定位单元20和控制系统7。轨道车1具有车轮12和行驶电机(图未示出)，车轮12 适于行驶在轨道91上，行驶电机驱动车轮12转动。这里，轨道车1的行驶方式也可不限于此，例如在磁悬浮列车的轨道上，轨道车1也可利用磁悬浮原理行驶。

机械手3设在轨道车1上。机械手3用于对扣件93展开维护工作，如对扣件93喷涂油漆、保养油，或者拧松拧紧紧固件934等。在一些实施例中，机械手3具有工作套筒31，工作套筒31与轨道扣件的紧固件934相匹配以用于拧开或者拧紧紧固件934。具体地，机械手3内部通过伸缩机构和转动机构作用在工作套筒31上，伸缩机构运转时可调节工作套筒31的高度，从而完成工作套筒31套上紧固件934或者解套的动作。转动机构运转时可带动工作套筒31转动，使套上紧固件934工作套筒31，完成拧紧或者拧松的动作。

定位单元20设在轨道车1上，在轨道扣件维护机器人1000的行驶方向上定位单元20位于机械手3的前侧。控制系统7与轨道车1、机械手3及定位单元20电连接，在定位单元20定位到扣件93时，根据扣件93与机械手3之间的距离控制轨道车1的行程。

控制系统7为轨道扣件维护机器人1000的神经中枢系统，控制系统7与各系统电连接，采集信号同时下达工作命令。具体地，控制系统7为控制主机，可采用工业控制平板电脑。

这里要补充说明的是，常规的巡检机器人在需要拧紧或者拧松扣件紧固件时，机器人的行程要通过人工控制或者预先设定。所谓的人工控制是指，随行人员在看到某一扣件松动或者需要拆下某一扣件时，控制机器人在该扣件处停下，然后控制机械手用工作套筒来拧紧或者拧松紧固件，也就是说在人工控制的方式中，巡检机器人的行程是通过肉眼来判断的。所谓的预先设定是指，机器人的行程是由控制系统预先设定的，机器人在行走了一个预设行程后停下，机械手恰好对着设定位置处的扣件来拧紧或者拧松紧固件。预先设定的方式，其实现基础在于轨道的相邻轨枕的间距为一固定值，因此机器人可以按照这一固定值设置预设行程。然而上述两种控制方式各有弊端，人工控制的方式存在定位精度低、人工成本高的问题，预先设定的方式会因各个轨枕上扣件安装位置各有偏差问题、车轮行走打滑等原因，使机械手无法恰好正对扣件停下，也会导致定位失误。而且后一方式中，当一次定位出现小偏差后，后面扣件的定位的偏差一次次累积，最终偏差越来越大，因此后一方式不适用长距离工况需求。

而本实用新型实施例的方案中，采用定位单元20来定位扣件93，实现扣件的自动定位，不仅定位速度快，而且能降低工人的劳动强度，实现紧固件松紧工作的高效性及低成本。

这里，由于定位单元20与工作套筒31之间的水平距离是固定不变的，一旦定位单元20检测到扣件93的特征满足条件，即可判断出扣件93与工作套筒31之间距离达到设定距离。设定距离除以车轮12的周长，就能得出车轮12的转动圈数。因此一旦定位单元20检测到扣件93的特征满足条件，行驶电机从此时控制车轮12转动该转动圈数后停止，轨道扣件维护机器人1000停下时使机械手3的工作套筒31恰好正对紧固件 934。

由于定位单元20位于机械手3的前侧，因此在检测某一扣件93时，定位单元20 先路过该扣件93，机械手3后路过该扣件93。机器人可以在这段时间差内快速调整车速，并且控制车轮12行程满设定距离后停下。这种定位扣件的方式，使定位单元20每路过一次扣件93后，都能及时判断是否需要停行。

在本实用新型实施例中，机械手驱动工作套筒31伸缩及转动的方案，可采用现有技术中公开的轨道巡检装置的机械手结构，这里对机械手结构及工作原理不再赘述。

在一些实施例中，工作套筒31具有自动对正功能。例如工作套筒31与伸缩机构之间为柔性铰，当工作套筒31套偏时，柔性铰可适应该偏差，使工作套筒31能够套上紧固件934。

在本实用新型实施例中，定位单元20采用相机、定位传感器等多种方式来感应扣件 93，以获得扣件93的数据信息。其中，可采用面阵相机采集扣件93的图像信息等，采用定位传感器可采集扣件93的外形轮廓、尺寸等信息。这些信息通过合理分析均能分析出扣件93的位置信息，从而由控制系统7判断出扣件93与机械手3之间是否达预设的距离。

在一些实施例中，定位单元20包括至少两种类型的定位传感器。定位单元20针对每个扣件93检测时，可以选择全部定位传感器均运行检测，也可以选择其中的一个或者两个运行检测，不同实施例可以根据实际需要灵活选择。因此定位单元20可以针对每个扣件93进行一道检测或者两道检测，每个扣件93都可历经初检、复检。

由于现有技术制造出的各类定位传感器都各有利弊，将定位单元20设置成包括至少两种类型的定位传感器，利用多类型定位传感器的配合来扬长避短，避免单一类型定位传感器遇到特殊情况时出现失效的问题。由此本实用新型实施例的定位单元20，不仅针对每个扣件93的检测次数可增可减，而且通过组合多类型定位传感器降低失效几率，从而大大提高了扣件位置定位精度。

在一些具体实施例中，如图2所示，定位单元20包括第一传感器201和第二传感器202，第一传感器201为激光传感器，第二传感器202为超声波传感器。

需要说明的是，激光传感器定位的一大优势在于定位反应时间非常短，三维数据仿真出的扣件轮廓更加明晰，因此在常规情况下，采用激光传感器定位扣件速度快、精度高。但是激光传感器定位存在弊端，当扣件表面生锈或者外部环境光照过强时，激光传感器容易失效，导致定位失败。而超声波传感器定位虽然反应时间相对要长，但是超声波传感器定位不受扣件生锈、光照强度等影响。

因此采用激光传感器组合超声波传感器的定位单元结构，可以扬长避短，在常规情况下可以利用激光传感器快速准确定位，在特殊情况下可以利用超声波传感器弥补激光传感器的不足。

具体地，将激光传感器优先级高于超声波传感器，可以极大利用激光传感器定位速度快的特性，超声波传感器数据在激光数据无效时启用，以提高定位可靠度。

当然，本实用新型实施例中，定位传感器可以根据需要搭配组合，定位传感器可以是激光传感器、超声波传感器、红外传感器等。

可选地，第一传感器201与第二传感器202相连，可以构成一个复合传感器，这样便于安装定位。

可选地，第一传感器201与机械手3之间的距离小于等于500mm，第二传感器202 与机械手3之间的距离小于等于500mm。这样两个传感器与机械手3之间的距离能够小于一般的轨枕间距，定位单元20在一个时间单元内，两个传感器与机械手3均是针对同一个扣件93进行检测。

在一些实施例中，如图2所示，定位单元20包括：测高传感器203，机械手3根据测高传感器203检测到的高度信息，调节工作套筒31的高度。

如一个具体示例中，紧固件934为顶部设有螺母的螺栓。当定位单元20定位到扣件93时，测高传感器203检测出紧固件934的螺母最低端深度H(即传感器发射点与螺母最低端之间高度差)，以及工作套筒31的当前深度H0(即传感器发射点与工作套筒最低端之间高度差)。当工作套筒31移到螺母上方后，工作套筒31需要向下伸出的高度H1＝H-H0。

在一些实施例中，轨道扣件维护机器人1000还包括：反馈系统，反馈系统与控制系统7电连接。这里需要说明的是，定位单元20在定位到扣件93后，轨道扣件维护机器人1000是否能够于设定距离后停下，并且能够以设定速度行驶设定距离，均由驱动电机驱动车轮12来完成。反馈系统的设置，起到对驱动电机的监督作用，驱动电机可以根据反馈系统监测到的数据调整状态。反馈系统的设置，提高了轨道扣件维护机器人 1000的控制自动化。

具体地，反馈系统包括车速传感器204，这样当车速过大时可控制驱动电机降低转速；反之，则驱动电机调高转速。反馈系统还包括与车轮12相连的距离编码器55，这样可通过监测车轮12的转数，来确定机器人是否行满设定距离。

具体地，机械手3通过伸缩电机控制工作套筒31的高度，反馈系统还包括与伸缩电机(图未示出)相连的深度编码器51。这样可以监测工作套筒31是否与紧固件93配合到位，或者是否完全从紧固件93上脱下。

当然，本实用新型实施例中，轨道扣件维护机器人1000包括：电源系统6，电源系统6为整个轨道扣件维护机器人1000提供电力供应。可选地，电源系统6采用锂离子电池组。具体地，电源系统6还包括充电器，输入电源为220V。电源系统6单次工作时间不少于5小时，整车在用电峰值时功率不高于1100W。

如图2-图4所示，轨道车1包括：车架11、车轮12和车壳14。车架11包括横架 112和两个纵架111，两个纵架111并排设置，横架112连接在两个纵架111之间。每个纵架111上均设有车轮12。至少一个车轮12与行驶电机相连，以驱动车轮12转动。车壳14罩在车架11上，车壳14的作用在于保护车架11上部件。在一些示例中，轨道扣件维护机器人的主要功能部件都安装在纵架111上，此示例中车壳14分为两个子壳，两个子壳分别罩在两个纵架111上。

具体地，如图3所示，轨道车1能够在铁路轨道上行驶。工作时，两个纵架111分别置于两条轨道91上，每个纵架111通过车轮12支撑在轨道91上。这里为方便描述，以轨道车1的行驶方向定义轨道车1的前后方向；另外，以两个纵架111的并排方向为左右方向，即横架112沿左右方向设置。如图5所示，左右两侧的车轮12分别为圆筒形，左右两侧的车轮12在朝向彼此的一端设有挡环123，车轮12的圆筒面在轨道91 的上表面上滚动，挡环123挡在轨道91的侧面，挡环123的设置可以起到定向作用，避免轨道车1脱轨。

为保持重心平衡，如图4和图5所示，控制主机和蓄电池均设置在横架112上，且二者沿左右方向排布。

在一些具体示例中，如图2所示，每个车架11上的车轮12均包括前轮121和后轮122，在行驶方向上前轮121位于后轮122的前侧。有利地，前轮121位于横架112的前侧，后轮122位于横架112的后侧，从而有利于保持重心平稳。有利地，机械手3位于前轮121和后轮122之间。可选地，前轮121上连行驶驱动电机，前轮121构成驱动轮，后轮122为被动轮。

在一些实施例中，如图2所示，轨道扣件维护机器人1000还包括：坐标定位装置53，坐标定位装置53设在轨道车1上，控制系统7与坐标定位装置53电连接以记录扣件93的绝对位置坐标。坐标定位装置53可以为轨道扣件维护机器人1000提供近实时的高精度的自主定位测量服务，还可以为运动的车辆和设备提供动态定位服务。

这里，坐标定位装置53的类型不作具体限定，它可以是北斗高动态接收机，也可以是GPS装置，还可以是其他卫星定位装置。

在一些实施例中，轨道车1适于行驶在双轨道91上，机械手3为四个，每个轨道 91的钢轨两侧分别对应设有一个机械手3。这样轨道扣件维护机器人1000每定位完成后，可同时对四个扣件93的紧固件934进行松紧工作，工作效率大大提升。

具体地，坐标定位装置53的中轴线，与四个工作套筒31的中轴线同排设置，坐标定位装置53所在位置与四个工作套筒31位于同一直线上，此时坐标定位装置53跟踪到扣件93位置信息更加精准。

具体地，定位单元20为四个，四个定位单元20一一对应地设置在四个机械手3的前侧。这样四个定位单元20可以对四行扣件93进行定位，多重定位下精度进一步提高。

在本实用新型实施例中，还配置有避障检测传感器52，在遇障时降速或者停车。可选地，避障检测传感器52为激光雷达，检测快、安全系数高。

具体地，轨道扣件维护机器人1000包括无线传输器54，以与基站、卫星进行信息传输。

在一些实施例中，轨道扣件维护机器人1000还包括：用于检测扣件93状态的检测单元2，检测单元2设在轨道车1上。这样轨道扣件维护机器人1000不仅具有松紧紧固件的功能，还具有检测扣件的功能，轨道扣件维护机器人1000功能更加多元化，实用性更高。

具体地，检测单元2包括设在工作套筒31内的摄像机205。采用摄像机205检测，可从图片上简单判断扣件93是否存在弹条缺失、弹条松动、紧固件(如螺栓)缺失、减震垫缺失、弹条异物、扣件歪斜等问题，这样方便记录哪些扣件存在哪些问题，方便维护工人后续复检时针对有问题的扣件进行更换、维护等。另外，由于摄像机能拍摄到扣件93表面纹理、裂隙等情况，还可以进一步分析出扣件93是否出现裂痕、生锈等。

进一步地，检测单元2包括：第一传感器201、第二传感器202，可以通过第一传感器201、第二传感器202获得扣件93的三维数据，从而能够分析出扣件93的零件轮廓特征，基本上能够检测出扣件93是否存在以下问题：弹条缺失、弹条松动、紧固件(如螺栓)缺失、减震垫缺失、弹条异物、扣件歪斜。

这里，第一传感器201、第二传感器202既是用来定位扣件93的部件，第一传感器201、第二传感器202也可以用来监测扣件93状态的部件，即第一传感器201、第二传感器202既是定位单元20的一部分，第一传感器201、第二传感器202也是检测单元2 的一部分。

进一步地，轨道扣件维护机器人1000还包括与控制系统7电连接的声光报警器。控制系统7判断出扣件93有异时声光报警器报警，这样随行的人员可以立即针对有故障的扣件93进行维护工作。另外，装置遇障时，声光报警器也可报警，通知随行人员除障。

采用本实用新型实施例的结构，轨道扣件维护机器人1000的漏检率可以降低至1％以下。

根据本实用新型实施例的轨道扣件维护机器人1000，处理速度快，检测准确率高，检测异常种类多，优化算法设计能适用于各种高铁轨道类型，精确定位异常位置。而且数据的自动存储，方便事后数据分析，操作简单，流程化设计标准。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种轨道扣件维护机器人，其特征在于，包括：

轨道车；

机械手，所述机械手设在所述轨道车上；

定位单元，所述定位单元设在所述轨道车上，在所述轨道扣件维护机器人的行驶方向上所述定位单元位于所述机械手的前侧；

控制系统，所述控制系统与所述轨道车、所述机械手及所述定位单元电连接，在所述定位单元定位到扣件时，根据所述扣件与所述机械手之间的距离控制所述轨道车的行程。

2.根据权利要求1所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述机械手具有工作套筒，所述工作套筒与轨道扣件的紧固件相匹配以套住所述紧固件。

3.根据权利要求2所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述定位单元包括至少两种类型的定位传感器。

4.根据权利要求3所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述定位单元包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器是激光传感器，所述第二传感器是超声传感器。

5.根据权利要求2所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，还包括：测高传感器，所述机械手根据所述测高传感器检测到的高度信息，调节所述工作套筒的高度。

6.根据权利要求2所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，还包括：反馈系统，所述反馈系统与所述控制系统电连接；

所述轨道车包括车轮，

所述反馈系统包括车速传感器及与所述车轮相连的距离编码器。

7.根据权利要求6所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述机械手通过伸缩电机调节所述工作套筒的高度，所述反馈系统还包括与所述伸缩电机相连的深度编码器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述轨道车适于行驶在双轨道上，所述机械手为四个，每个所述轨道的两侧分别对应设有一个所述机械手。

9.根据权利要求8所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述定位单元为四个，四个所述定位单元一一对应地设置在四个所述机械手的前侧。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，还包括：坐标定位装置，所述坐标定位装置设在所述轨道车上，所述控制系统与所述坐标定位装置电连接以记录所述扣件的绝对位置坐标。

11.根据权利要求2-7中任一项所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，还包括：用于检测所述扣件状态的检测单元，所述检测单元设在所述轨道车上。

12.根据权利要求11所述的轨道扣件维护机器人，其特征在于，所述检测单元包括设在所述工作套筒内的摄像机。

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