一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人及工作方法与流程

1.本发明涉及机器人技术领域，具体为一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人及工作方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.隧道衬砌需要定期的安全性检测，传统方式中采取人工目视的方式获取隧道衬砌表面的裂缝、渗漏水及腐蚀等病害情况，或是采用破坏性检测方法，比如锤击和钻孔来检测隧道衬砌内部的孔洞以及钢筋层分布的情况。
4.传统方式中，以人工方式对隧道衬砌表面检测的方式效率低下，且容易受到光照等条件限制，而破坏性检测方式会对隧道的原始结构产生影响，对隧道病害程度的检测产生一定的限制。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人及工作方法，利用机器人上配备的负压风扇和密封裙，使机器人能够吸附在隧道衬砌壁面，配合机器人上搭载的地质雷达模块和图像采集模块，能够使机器人在隧道衬砌壁面上运行的同时完成隧道结构检测，在不影响隧道内车辆通行的情况下实现自动化检测。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人，包括机器人主体，机器人主体两侧设有地质雷达模块，顶部通过机械臂连接图像采集模块，底部设有柔性密封裙；机器人主体通过传输天线与远程控制端无线通讯；
8.机器人主体包括开口朝向隧道衬砌内壁面的负压真空腔，负压真空腔顶部设有与负压真空腔内部连通的负压风扇，负压真空腔内部设有行走单元，柔性密封裙位于负压真空腔开口一侧的边缘，地质雷达模块位于负压真空腔两侧，地质雷达模块的检测端朝向隧道衬砌内壁面且检测端所在平面与负压真空腔开口边缘平齐。
9.地质雷达模块包括地质雷达接收天线和地质雷达发射天线，两天线分别位于机器人主体的两侧。
10.地质雷达模块的检测端包括，地质雷达接收天线用于接收信号的平面和地质雷达发射天线用于发射信号的平面。
11.地质雷达接收天线和地质雷达发射天线均包括套接在天线模块外部的天线外壳，天线模块位于机器人主体底部的平面为地质雷达模块的检测端；天线模块与天线外壳之间设有电磁屏蔽层，天线模块位于机器人主体底部的平面不设置电磁屏蔽层。
12.行走单元包括平列布置的前行走轮和后行走轮，两行走轮通过连杆连接，前行走
轮与前行走轮驱动单元连接，后行走轮与后行走轮驱动单元连接。
13.机械臂一端通过机械臂驱动单元连接在机器人主体顶部，另一端通过操作手驱动单元与图像采集模块连接。
14.机器人主体底部设有压强监测传感器。
15.本发明的第二个方面提供上述机器人的工作方法，包括以下步骤：
16.控制器依据机器人负压真空腔内部的当前负压设定值改变负压风扇的功率，将机器人吸附在隧道衬砌内壁面上，将负压设定值和当前负压真空腔体内的负压值经传输天线发送给远程控制端；
17.控制器接收远程控制端的指令，改变行走单元的速度并将当前行走速度经传输天线发送给远程控制端；
18.控制器接收远程控制端的指令，改变机械臂的运动角度，并将图像采集模块获取的隧道衬砌内壁面图像信息经传输天线发送给远程控制端。
19.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
20.1、利用机器人上配备的负压风扇和密封裙，使机器人能够吸附在隧道衬砌壁面上，配合机器人上搭载的地质雷达模块和图像采集模块，能够使机器人在隧道衬砌壁面上运行的同时完成隧道结构检测，从实现衬砌质量自行式检测，衬砌厚度均匀性、空洞数量规模、衬砌密实度等指标的自动化检测。
21.2、机器人吸附在隧道衬砌壁面上，检测期间不影响隧道内车辆通行，减少对隧道运营期正常交通流的干扰。
22.3、机器人负压腔体实现吸附的同时，机器人主体两侧搭载的地质雷达能够紧密贴附在隧道衬砌壁面上，从而实现隧道断面的贴附式检测，随着行走单元的运行，能够全面且连续的覆盖全部的隧道衬砌壁面。
23.4、电磁屏蔽层使地质雷达发射天线只朝向隧道衬砌内壁面发射信号，且地质雷达接收天线只接收来自隧道衬砌内壁面的反射信号，避免隧道衬砌内壁面周围空间对雷达回波信号造成窜扰。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明一个或多个实施例提供的机器人与隧道之间的相对位置示意图；
26.图2为本发明一个或多个实施例提供的沿隧道行进方向视角下机器人的结构示意图；
27.图3为本发明一个或多个实施例提供的机器人整体结构示意图；
28.图4为本发明一个或多个实施例提供的机器人与隧道贴合面的结构示意图；
29.图5为本发明一个或多个实施例提供的机器人运行时的控制系统架构示意图；
30.图6为本发明一个或多个实施例提供的机器人安全保障模块控制流程示意图；
31.图1中：101、隧道；102、隧道衬砌智能爬壁检测机器人；103、隧道内行驶车道；
32.图2中：201、隧道衬砌；202、隧道衬砌内壁面；203、机器人主体；204、地质雷达模块；205、机械臂；206、图像采集模块；
33.图3中：301、地质雷达接收天线；302、传输天线；303、数据存储单元；304、负压风扇；305、机械臂驱动单元；306、机械臂连杆；307、操作手驱动单元；308、ccd高清相机；309、链接组件；310、柔性密封裙；311、负压真空腔腔体；312、地质雷达发射天线；
34.图4中：401、地质雷达天线外壳；402、电磁屏蔽层；403、天线模块；404、前行走轮；405、前行走轮驱动单元；406、连杆；407、后行走轮；408、后行走轮驱动单元；409、压强监测传感器。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.正如前文所描述的，对隧道衬砌进行安全性检测时，传统方式依赖人工目视检测或破坏性检测，效率低下且影响隧道结构；而无损检测时，需要工作人员在车载雷达的辅助下才能实现无损检测，需要多人配合才能确保检测效果，且车载雷达放置的检测车会占用一条隧道内的车道，影响隧道的通行能力。
38.因此以下实施例给出一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人及工作方法，在使用时，将机器人垂直放置于隧道衬砌壁面，启动机器人电源及控制器电源，实现机器人和远程控制器的配对互联，并完成对机器人运行的状态数据的检测。在机器人状态检测完成并无异常后，其中负压吸附单元完成真空环境的构建后形成负压，机器人密封腔中的负压确保机器人在衬砌壁面稳定后，即可通过远程控制器实现对机器人的行走方向、速度、信息采集等控制。通过远程通信控制实现隧道衬砌结构检测信息在控制端的实时现实，从而准确的对隧道衬砌结构空洞、裂缝、渗漏水等病害进行精细化监测，有助于对隧道结构健康状态的全方位精准感知，同时智能机器人的贴附式检测手段减少对隧道运营期正常交通流的干扰，有效保障了隧道日常巡检工作人员的安全，精细化的检测手段使得隧道结构保持健康状态并稳定的投入使用。
39.实施例一：
40.如图1-4所示，本实施例的目的是提供一种爬壁型隧道结构检测与运维智能机器人，包括机器人主体203，机器人主体203两侧设有地质雷达模块204，机器人主体203顶部通过机械臂205连接图像采集模块206，机器人主体203顶部设有与与负压真空腔腔体311连通的负压风扇304，负压真空腔腔体311位于机器人主体203上，机器人主体203底部设有柔性密封裙310，柔性密封裙310位于负压真空腔腔体311边缘，负压真空腔腔体311内部设有行走单元；
41.行走单元包括平列布置的前行走轮404和后行走轮407，两行走轮通过连杆406连接，前行走轮404与前行走轮驱动单元405连接，后行走轮407与后行走轮驱动单元408连接。
42.机器人主体203底部设有压强监测传感器409。
43.地质雷达模块204包括地质雷达接收天线301和地质雷达发射天线312，两天线分别位于机器人主体203的两侧，通过链接组件309与机器人主体203连接。
44.地质雷达接收天线301和地质雷达发射天线312均包括套接在天线模块403外部的
天线外壳401，天线模块403与天线外壳401之间设有电磁屏蔽层402。
45.机械臂205一端通过机械臂驱动单元305连接在机器人主体203顶部，另一端通过操作手驱动单元307与图像采集模块206连接。
46.本实施例中，图像采集模块206具有ccd高清相机308。
47.机器人主体203设有传输天线302，用于接收操作指令，反馈地质雷达模块204与图像采集模块206获取的数据。
48.本实施例中，负压真空腔腔体311为一开口朝向隧道衬砌内壁面202的箱型结构，负压风扇304位于该腔体顶部并与其连通，行走单元位于该腔体内部，腔体边缘设有柔性密封裙310，机械臂205和传输天线302位于腔体顶部形成机器人主体203，压强监测传感器409位于负压真空腔腔体311内部朝向隧道衬砌内壁面202，用于检测负压真空腔腔体311的负压值。地质雷达模块204的检测端朝向隧道衬砌内壁面202且检测端所在平面与负压真空腔腔体311开口边缘平齐。
49.机器人主体203还设有控制器和数据存储单元303，用于接收、保存以及处理控制指令以及获取到的数据。
50.在负压风扇304和柔性密封裙310的共同作用下，机器人主体203能够吸附在隧道衬砌内壁面202上，配合行走单元使机器人能够以隧道衬砌201为行走面，利用图像采集模块206和地质雷达模块204实现对隧道衬砌201的检测，从而不影响隧道内行驶车道103的使用。
51.通过负压风扇304将负压真空腔腔体311内的空气抽出，并配合柔性密封裙310能实现复杂表面的自适应吸附，并且有效提高吸附能力和系统的配气效率，减少使用中的能耗。
52.机械臂205搭载ccd工业相机安装于爬壁机器人腔体外部，机械臂205通过控制器实现隧道衬砌内壁面202上三维空间内的平移、旋转等动作。
53.通过上述结构，可实现爬壁机器人在隧道衬砌表面的自由行走、衬砌表面病害图片采集。
54.衬砌表面病害图片采集，是指通过ccd相机和相配合的补光系统，采集隧道衬砌表面的裂缝、渗漏水、腐蚀等病害情况，并通过数据无线传输系统传输至控制存储终端。
55.隧道衬砌裂缝检测利用以ccd相机为核心部件的图像采集系统对隧道断面进行。
56.隧道衬砌地质雷达检测单元，通过搭载的分离式地质雷达主机和天线实现隧道衬砌的空洞、钢筋层分布等检测。
57.本实施例中，地质雷达天线为400m天线，可以有效的开展隧道衬砌运营期检测。地质雷达天线位于机器人主体203两侧，即负压真空腔腔体311两侧，地质雷达模块204的检测端朝向隧道衬砌内壁面202且检测端所在平面与负压真空腔腔体311开口边缘平齐，地质雷达模块204的检测端分别为发射天线312与接收天线301的发射面与接受面，两平面与负压真空腔腔体311开口边缘平齐。
58.由于柔性密封裙311具有弹性，当负压风扇304运行时，机器人主体203在负压风扇304的带动下使柔性密封裙311压缩并靠近隧道衬砌壁面202，使得发射天线312与接收天线301用于检测的平面与隧道衬砌壁面202贴附，利用发射天线312朝隧道衬砌壁面202发射电磁波信号，当这一信号在隧道衬砌201中遇到探测目标时(例如探测到隧道衬砌201中的钢
筋层或是空洞)，会产生一个反射信号，接收天线301获取该反射信号，经放大后显示。根据反射信号的有无，可以判断有无被测目标；根据反射信号到达的滞后时间及目标物体平均反射波速，可以大致计算出探测目标的距离，从而完成隧道衬砌的空洞、钢筋层分布等检测。
59.本实施例中，还具有远程控制端，机器人的控制器通过传输天线302与远程控制端无线通讯，通过数据传输可以实时在远程控制端的显示屏上展示当前数据采集情况。
60.地质雷达为分体式地质雷达，以超宽带冲激脉冲雷达探测原理为基础，利用超宽带脉冲所具有的强穿透性、高分辨力特性，结合射频抑制-抗强噪声、干扰等后端数据处理核心算法，实现对衬砌结构病害的检测。
61.控制器是工业级操控终端，具有数据显示、数据存储、数据备份及行走控制、制动控制、报警控制等功能。
62.控制终端选用windows系统的手持地面站，兼容地质雷达的数据传输接受方式wifi和数据展示及处理软件。
63.驱动单元(例如电机)的表面还设有防护层，防护层粘度适应性好，不易分层，便于喷涂、且无气泡产生，各组分充分结合，综合性能较好，使得防护涂料在喷涂后能够形成较好的涂膜，可有效增加防腐、防火阻燃、防水及抗老化的性能，从而使得机器人的驱动单元在隧道的潮湿环境下不容易出现短路的现象。
64.隧道衬砌结构病害检测雷达天线设有电磁屏蔽层402，电磁屏蔽层用于屏蔽电机、风机、电池等单元运行时对雷达天线的信号干扰，以保证检测雷达的正常信号采集，电磁屏蔽层采用外围增加屏蔽盒同时填充吸波材料，使雷达辐射波垂下辐射，即，使地质雷达模块204发射和接收的信号朝向隧道衬砌内壁面202，而避免向左右及上部空间发射信号，避免对雷达回波信号造成窜扰，使雷达只接收来至下部空间(即来自隧道衬砌内壁面202)的反射信号。
65.衬砌检测爬壁机器人通过负压风扇304的运行形成负压真空腔体311，在大气压强作用下使隧道衬砌智能爬壁检测机器人102稳定的吸附在隧道衬砌101的内侧壁面上202，负压风扇通过控制系统控制，负压真空腔体中布设有压强监测传感器409，机器人稳定吸附后，通过远程控制在前后轮驱动电机的带动下，实现机器人在隧道壁面上的行走。
66.爬壁机器人沿着隧道衬砌顶部行走采集隧道衬砌实现了衬砌厚度均匀性、空洞数量规模、衬砌密实度等指标的全自动化检测。采集到的数据通过数据传输单元303将视频、图像数据传输至遥控终端实时显示。
67.爬壁机器人沿着隧道所布设的衬砌结构雷达测线，启动地质雷达探测天线312对隧道衬砌进行贴附式扫描，对衬砌异常部位可在终端实现实时标注。
68.本实施例中的柔性密封裙310采用自动稳压设计，同时配合自适应可调节的密封系，可对密封室内负压实时反馈与离心风扇电机驱动形成闭环控制，在通过接缝、凹坑等较粗糙的壁面造成负压降低时系统通过闭环电路控制提升电机输出功率维持负压稳定，能适应凹凸不平的水泥壁面，大大提高了隧道探测的灵活性。探测工作不需要封闭隧道内行驶车道103，不仅可以节约成本，还能够降低工人工作的危险性。
69.作业单元通过机械臂205安装于爬壁机器人负载主体203上，爬壁检测机器人通过3自由度机械臂搭载工业照相机，实现行进过程中的隧道壁面图像拍照，并通过图像传输模
块将工业相机采集到的图片数据传输到地面遥控终端中，实现隧道表面图像数据的存储和实时显示。
70.爬壁型隧道衬砌外观与结构病害智能运维机器人可适用于隧道、巷道、桥墩等圆形或弧形壁面的检测使用。
71.实施例二：
72.上述机器人的工作方法如下：
73.控制器依据机器人当前负压真空腔体311内的负压设定值改变负压风扇304的功率，将负压设定值和当前负压真空腔体311内的负压值经传输天线发送给远程控制端；
74.控制器接收远程控制端的指令，改变行走单元的速度并将当前行走速度经传输天线发送给远程控制端。
75.具体的：
76.如图5-6所示，控制器负责读取遥控物理按键反馈、机器人电源开关、运动控制、和各种参数配置。摇杆控制负责机器人的运动控制以及云台控制，档位控制主要有速度档位和压力档位，分别用于速度控制和吸附力控制。
77.遥控终端显示界面用于显示摄像头图像、机器人电压电量、负压、运动电机转速、风机转速和通信状态，显示界面快速度反应出机器人的实时状态，方便操作人员对机器人进行操作和监控。
78.具体包括以下步骤：
79.步骤一、进入自检流程，检查遥控器的摇杆和关键按钮的状态，是否误触发和在不正常位置，然后检测遥控器电量，各种运动控制归零，检查通讯连接，检测机器人各种属性状态等；如果检测失败则等待问题修复后通过自检。
80.步骤二、显示读取的机器人参数和遥控器参数，开始刷新视频数据流。
81.步骤三、开始机器人控制，同时对危险操作和异常情况进行控制保护，防止机器人失控。
82.在使用时针对传统隧道衬砌质量检测方法，利用机器人的负压腔体两侧搭载地质雷达实现隧道断面的紧密贴附式检测。解决了人工辅助车载雷达的分离式检测难题，从实现衬砌质量自行式检测，衬砌厚度均匀性、空洞数量规模、衬砌密实度等指标的全自动化检测。
83.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。