一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人的制作方法

1.本发明涉及建筑施工技术领域，尤其涉及一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人。


背景技术：

2.轨道隧道交通随着时代的发展科技的进步，隧道在地下交通、高铁、公路中都发挥着举足轻重不可缺少的作用，隧道壁面的质量检测也就成了与人民生命安全息息相关的关键，隧道数量越来越多，与之而来的是数量庞大的隧道壁面质量检测任务，目前隧道壁面的质量检测主要依靠人工检测，和一些简单的自动化装置。隧道壁面的质量检测的效率也亟待提高，现有的攀爬机器人吸附在隧道壁面进行检测时，由于隧道壁面曲率随着隧道的延伸和曲折在发生着变化，导致机器人底部的探地雷达发射端与被测面的距离随之发生变化，进一步不恰当的检测距离影响检测精度同时降级检测效率。随着我国桥梁、铁路隧道等大型基础设施建设的推进，工程质量监督中对检测工具和精度提出了更加严格的要求。
3.综上所述，如何能够使攀爬机器人能够适应隧道截面曲率从而提高检测精度是目前急需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，以实现攀爬机器人轴距的轴距准确调节使其能适应隧道截面曲率以保持检测距离稳定，进而提高隧道检测的效率和精度。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，所述攀爬机器人包括：机架，所述机架上设置有控制单元、探地雷达和激光位移计，所述机架两侧设置有机轮杆；所述机轮杆的一端转动设置有机轮，所述机轮杆的另一端与机轮杆转轴固定连接，所述机轮杆转轴转动设置在机器人机架上，并与电机输出轴传动连接；所述激光位移计用于测量探地雷达的当前检测距离；所述控制单元用于根据所述激光位移计测量的当前检测距离和机轮杆的当前张角θ，计算隧道截面圆半径r1，并根据隧道截面圆半径计算最佳检测距离下机轮杆对应的张角θ1，还用于控制所述电机转动，使机轮杆实际角度等于最佳检测距离下对应的张角θ1。
6.所述机轮杆的张角θ1的计算公式为：；其中，a=4ac
×
cd，b=8ac
×
（h
1-r1），c=4（h
1-rj）（2r
1-h
1-rj）-cd
2-4ac2；ac表示机轮杆长度，cd表示机架两侧的机轮杆转轴之间的距离；h1表示探地雷达最佳检测距离，r1表示隧道截面圆半径，rj表示机轮半径。
7.所述隧道圆半径的计算公式为：
r1=+rj；其中，rj表示机轮的半径，ag=cd/2+accosθ，e’g=ef-acsinθ-rj，eg=ef-acsinθ；ef表示机器人底面至隧道吸附面距离，θ表示机轮杆的当前张角，ac表示机轮杆长度，cd表示机架两侧的机轮杆转轴之间的距离。
8.所述机轮杆的一端设置有2个机轮。
9.所述机架每侧设置有2个机轮杆。
10.所述探地雷达和激光位移计设置在机架中心位置。
11.所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，还包括角度传感器，所述角度传感器用于检测机轮杆的当前张角。
12.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：（1）本发明提供了一种可以适应隧道截面曲率的攀爬机器人，能够使机器人根据所在隧道截面曲率调整适当的攀爬机器人的轴距，适应隧道截面曲率多变的情况；（2）本发明采用的可变轴距的攀爬机器人具有更好的通过能力；（3）同时，可变轴距的攀爬机器人能够根据当前所在位置的隧道截面曲率调整轴距，进而使得攀爬机器人搭载的探地雷达与隧道截面稳定地保持适当的距离，从而增强隧道壁面检测精确度，同时也能提升检测效率的效果。
附图说明
13.图1为本发明实施例中采用的自适应隧道截面曲率的攀爬机器人主视图；图2是本发明实施例中采用的适应隧道截面曲率的攀爬机器人俯视图；图3是本发明实施例中攀爬机器人在行走时的原理示意图；图4是本发明实施例中最佳检测距离测算示意图；图5是本发明实施例中自适应隧道截面曲率的攀爬机器人轴距调整流程图；图中标号：1机架，2机翼杆，3机翼，4机轮杆转轴，5机轮杆，6机轮，7激光位移计，8探地雷达，9电机，10隧道衬砌截面。
具体实施方式
14.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，都属于本发明保护的范围。
15.实施例一如图1~2所示，本发明实施例提供了一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，所述攀爬机器人包括：机架1，所述机架1上设置有控制单元、探地雷达8和激光位移计7，所述机架1两侧设置有机轮杆5；所述机轮杆5的一端转动设置有机轮6，所述机轮杆5的另一端与机轮杆转轴4固定连接，所述机轮杆转轴4转动设置在机器人机架1上，并与电机9输出轴传动连接；所述激光位移计7用于测量探地雷达8的当前检测距离；所述控制单元用于根据所述激光位移计7测量的当前检测距离和机轮杆5的当前张角θ，计算隧道截面圆半径r1，并根据隧
道截面的圆半径计算最佳检测距离下机轮杆5对应的张角θ1，还用于控制所述电机9转动，使机轮杆5实际角度等于最佳检测距离下对应的张角θ1。此外，攀爬机器人的机架1上还设置有多个机翼杆2，机翼杆2的末端设置有机翼3，使得攀爬机器人可以在机翼的转动下起飞，提高隧道衬砌的检测效率。
16.本发明实施例中，攀爬机器人适应隧道截面曲率的工作原理在于：所述电机9可控制机轮杆转轴4从而确定当前机轮杆5张开角度，因此，本发明的机器人可根据接收指令控制电机9工作情况（即调整机轮杆转轴4的转动角度），进一步调整机轮杆5张开角度。
17.此外，本发明实施例中，攀爬机器人底部中心位置安装有探地雷达8与激光位移计7，所述探地雷达8通过发射端发出电磁波，穿过空气介质层进入隧道衬砌，通过信号放大在空气耦合条件下检测衬砌缺陷。
18.具体地，如图3~5所示，本实施例中，所述激光位移计7可以实时测量机器人底部中心位置法线方向与吸附平面的距离ef，控制单元根据该距离与机轮杆5当前位置（机轮杆5角度）的几何关系计算隧道截面圆半径，再根据隧道截面圆半径计算探地雷达8位于最佳检测位置时机器人对应的最佳轴距，并根据计算结果主动控制电机9调整机轮杆5张开角度，使轴距到达最佳值。图3中，10为隧道衬砌截面。
19.下面介绍本发明实施例中的计算原理。
20.如图3~4所示，假设机架1两侧的机轮6的圆心所在位置分别为a和b，机轮杆转轴4的轴心所在位置分别为c和d，则机架1两侧的机轮杆长度ac=bd，机轮6半径rj，电机距离cd，都可以根据机器人自身设计参数确定，激光位移计7可以测量得到机器人底面至吸附面距离ef，机轮杆5的与机架机身平面之间的角度θ可以从电机9参数读取确定，做辅助圆o与隧道截面圆共心，且经过机轮轴轴心，辅助圆的半径为r，设隧道截面圆半径为r1，雷达最佳检测距离时对应的机器人底面至吸附面距离为h1，最佳轴距l，此时机轮杆角度θ1。
21.轴距调整前，机器人底部轮轴距，则有：；（1）隧道壁面拱顶到机轮组所在平面中心距离为：，（2）根据几何关系有：hg=2r-e’g；（3）由相似三角形可得：；（4）综上式（2）和（3）可求得，辅助圆的半径为：；（5）则隧道截面圆半径为：=+rj；（6）最佳轴距位置为雷达处于最佳检测距离，根据最佳检测距离和机器人自身参数，
可以确定此时对应的机器人底面至吸附面距离，因此，雷达处于最佳检测距离时对应的机器人底面至吸附面距离为h1。
22.轴距调整至最佳位置后ef=h1，则有以下关系：；（8）；（9）其中，l表示最佳轴距；此外，隧道壁面拱顶到机轮组所在平面中心距离为：；（10）此外，根据几何关系有：hg=2r-e’g；（11）；（12）结合式（12）和式（9），可知最佳轴距：；（13）结合式（8）和式（13）并取平方，可知：（cd+2accosθ1）2=4e’g
×
hg；（14）将式（10）和式（11）带入式（14）中，合并可得：；（15）假设：a=4ac
×
cd，b=8ac
×
（h
1-r1），c=4（h
1-rj）（2r
1-h
1-rj）-cd
2-4ac2；式（15）可简写为：；
ꢀꢀ
（16）解方程可得：；
ꢀꢀꢀ
（17）当时，机轮杆向靠近机器人中心的方向合拢；当时，机轮杆向远离机器人中心方向张开。机轮杆张开时机器人姿态稳定性更高，所以本实施例中，优选值为：。
ꢀꢀꢀ
（18）进一步地，如图2所示，本实施例中，所述机轮杆5的一端设置有2个机轮6。所述机架1每侧设置有2个机轮杆5。
23.进一步地，如图2所示，本实施例中，所述探地雷达8和激光位移计7设置在机架1中心位置。
24.进一步地，如图2所示，本实施例的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，还包括角度传感器，所述角度传感器用于检测机轮杆5的当前张角。通过实时测量机轮杆5的当前张角，结合激光位移计测量的当前检测距离，可以有助于确定隧道截面的半径，进而调整机轮杆5的实际角度，使机器人上的探地雷达位于最佳检测距离。
25.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述攀爬机器人包括：机架（1），所述机架（1）上设置有控制单元、探地雷达（8）和激光位移计（7），所述机架（1）两侧设置有机轮杆（5）；所述机轮杆（5）的一端转动设置有机轮（6），所述机轮杆（5）的另一端与机轮杆转轴（4）固定连接，所述机轮杆转轴（4）转动设置在机器人机架（1）上，并与电机（9）输出轴传动连接；所述激光位移计（7）用于测量探地雷达（8）的当前检测距离；所述控制单元用于根据所述激光位移计（7）测量的当前检测距离和机轮杆（5）的当前张角θ，计算隧道截面圆半径r1，并根据隧道截面圆半径计算最佳检测距离下机轮杆（5）对应的张角θ1，还用于控制所述电机（9）转动，使机轮杆（5）实际角度等于最佳检测距离下对应的张角θ1。2.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述机轮杆（5）的张角θ1的计算公式为：；其中，a=4ac
×
cd，b=8ac
×
（h
1-r1），c=4（h
1-r
j
）（2r
1-h
1-r
j
）-cd
2-4ac2；ac表示机轮杆（5）长度，cd表示机架两侧的机轮杆转轴（4）之间的距离；h1表示探地雷达最佳检测距离，r1表示隧道截面圆半径，r
j
表示机轮（6）半径。3.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述隧道圆半径的计算公式为：r1=+r
j
；其中，r
j
表示机轮（6）的半径，ag=cd/2+accosθ，e’g=ef-acsinθ-r
j
，eg=ef-acsinθ；ef表示机器人底面至隧道吸附面距离，θ表示机轮杆（5）的当前张角，ac表示机轮杆（5）长度，cd表示机架两侧的机轮杆转轴（4）之间的距离。4.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述机轮杆（5）的一端设置有2个机轮（6）。5.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述机架（1）每侧设置有2个机轮杆（5）。6.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，所述探地雷达（8）和激光位移计（7）设置在机架（1）中心位置。7.根据权利要求1所述的一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，其特征在于，还包括角度传感器，所述角度传感器用于检测机轮杆（5）的当前张角。

技术总结
本发明属于建筑施工技术领域，公开了一种适应隧道截面曲率的攀爬机器人，包括：机架，机架上设置有控制单元、探地雷达和激光位移计，机架两侧设置有机轮杆；机轮杆的一端转动设置有机轮，机轮杆的另一端与机轮杆转轴固定连接，机轮杆转轴转动设置在机器人机架上，并与电机输出轴传动连接；激光位移计用于测量探地雷达的当前检测距离；控制单元用于根据激光位移计测量的当前检测距离和机轮杆的当前张角，计算隧道截面圆半径，并根据隧道截面圆半径计算最佳检测距离下机轮杆对应的张角，还用于控制电机转动，使机轮杆实际角度等于最佳检测距离下对应的张角。本发明可以调节机器人轴距，适应隧道截面曲率多变的情况。适应隧道截面曲率多变的情况。适应隧道截面曲率多变的情况。


技术研发人员：项柳福 丁正祥 韦征 周建强 翁文林 陆王杰 舒畅 郭敏 王可心 孙雪双 魏军
受保护的技术使用者：中铁十二局集团有限公司 中铁十二局集团山西建筑构件有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/3/24