一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂、系统及方法与流程

本发明涉及隧道检测领域，尤其涉及一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂、系统及方法。

背景技术：

隧道是埋设于地下的工程建设物，随着西部大开发战略的实施，一大批基建工程正在陆续动工之中，首当其冲是隧道建设。溶洞发育地段的隧道建设，按照规范要求，需要进行洞周的溶洞检测。

溶洞检测需要布置多条测线，其中基本的测线为拱顶一条，拱腰两条，边墙两条。有的隧道还需要进行底板、拱脚、拱肩等位置测线的检测。其中底板测线的检测可以通过人工或机动车牵引完成，较为方便。拱脚测线，往往需要工人托举雷达天线并贴合在墙面上，进行移动扫描，费时费力，无法保证扫描质量。对于拱脚往上的测线，像边墙、拱腰、拱肩、拱顶，就必须借助台车和升降机构，将工人移动到测线附近，再由工人托举雷达天线，随着台车移动进行测线的扫描工作，费时费力，检测效果受人为因素干扰大，而且存在安全隐患。

与常规的二衬检测不同，洞周的溶洞检测一般情况下需要探测的深度较深，往往需要使用100兆雷达天线，此型号天线检测深度较深，但相应体积较大，重量较重，人工托举既不方便又很劳累。

发明人发现，目前，隧道溶洞的雷达监测大多仍依靠人工托举雷达天线的方式来进行，这需要一定力气和耐力，不仅耗时耗力，而且效率低下，无法满足长距离测线连续扫描检测的需要。此外，人工操作精度无法准确保证，且存在安全隐患。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供了一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂、系统及方法。

本发明的第一目的是提供一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂，能够稳定夹持雷达天线，且能够自动调节雷达天线的倾斜角度、高度。

本发明的第二目的是提供一种用于溶洞检测的系统，能够实现雷达天线的全自动托举、贴合、压合操作。

本发明的第三目的是提供一种用于溶洞检测的方法,扫描检测全程不需要工人操作，提高工作效率、节约成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂，包括：

夹持机构，设置压敏传感器，用于夹持雷达天线并能够将其与隧道壁之间的压力传输至控制系统；

缓冲机构，安装于夹持机构下方，用于缓冲夹持机构的震动；

微调机构，与缓冲机构转动连接，用于控制缓冲机构的倾角；

旋转升降机构，位于微调机构下方，用于调节夹持机构的高度及角度；

磁吸固定座，通过多个旋转伸缩件与旋转升降机构相连，用于与升降台吸附固定。

进一步的，所述夹持机构包括夹持底盘，夹持底盘上方对称安装多个夹爪；

所述压敏传感器与夹爪固定连接。

进一步的，所述微调机构包括微调底盘和多个旋转伸缩件，微调底盘通过旋转伸缩件与缓冲机构相连。

进一步的，所述旋转伸缩件包括液压伸缩杆及安装于液压伸缩杆两端的球铰。

进一步的，所述旋转升降机构包括升降摇臂和转盘机构，所述升降摇臂一端与微调机构固定连接，另一端与转盘机构转动连接。

进一步的，所述升降摇臂包括滑动连接的升降部和滑道，所述滑道通过旋转伸缩件连接转盘机构，旋转伸缩件能够调节滑道相对升降部的长度。

进一步的，所述转盘机构包括转动连接的转盘、承压盘，所述承压盘通过旋转伸缩件与磁吸固定座相连。

进一步的，所述磁吸固定座包括电磁铁，所述电磁铁底部设置垫层。

一种用于溶洞检测的系统，包括凿岩台车和所述的雷达辅助机械臂，所述雷达辅助机械臂设置于凿岩台车的升降台中。

一种用于溶洞检测的方法，采用所述用于溶洞检测的系统，包括以下步骤：

a.将雷达辅助机械臂设置于升降台的相应位置；

b.调整转盘机构与磁吸固定座之间的旋转伸缩件，使转盘机构处于设定倾角范围内；

c.通过夹持机构固定雷达天线；

d.启动凿岩台车，使升降台上升至目标测线位置；

e.控制转盘机构旋转，使雷达天线前端朝向前进方向；启动压敏传感器，根据压敏传感器传递的信号调节旋转伸缩件、升降摇臂的伸缩量，使雷达天线以贴合隧道洞壁表面角度的方向压合在墙壁表面；

f.沿测线方向开动凿岩台车，雷达天线即可进行自动扫描工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的雷达辅助机械臂设置夹持机构，能够稳定夹持雷达天线；且设置升降摇臂、转盘机构等，能够自动调节雷达天线的倾斜角度、高度；还包括缓冲机构，在扫描工作进行时，能够缓冲震动，并将夹持机构与墙壁紧密压合，保证扫描效果；

(2)本发明的雷达辅助机械臂搭载于常见的凿岩台车上，可以实现雷达天线的全自动托举、贴合、压合操作，扫描检测过程全程不需要工人操作，节省大量人力的消耗，提高工作效率、节约成本；并对施工装置起到很好的综合利用，方便普及和操作，而且还可以胜任二衬检测等其他相似工作，功能强大；

(3)本发明的雷达辅助机械臂应用于常见的凿岩台车上，成本低、效果好，易操作，提高了施工精度、施工安全度；

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1-图3为本发明实施例一的磁吸固定座结构示意图；

图4-图6为本发明实施例一的旋转伸缩件结构示意图；

图7-图10为本发明实施例一的转盘机构结构示意图；

图11-图13为本发明实施例一的升降摇臂结构示意图；

图14-图16为本发明实施例一的微调机构结构示意图；

图17-图20为本发明实施例一的缓冲机构结构示意图；

图21-图23为本发明实施例一的夹持机构结构示意图；

图24为本发明实施例一的整体结构示意图；

图25为本发明实施例一的偏转状态示意图；

图26为本发明实施例二的凿岩台车结构示意图；

图27为本发明实施例二的结构示意图；

图28为本发明实施例二的工作状态示意图；

其中，1、第一球铰支座，2、电磁铁，3、橡胶垫，4、磁吸固定座，5、第一球铰，6、第一承压盘，7、液压伸缩杆，8、第一旋转伸缩件，9、第二球铰支座，10、第二承压盘，11、转盘，12、第三球铰支座，13、第四球铰支座，14、转盘机构，15、第二球铰，16、第三承压盘，17、滑道，18、第五球铰支座，19、升降部，20、升降摇臂，21、微调底盘，22、第六球铰支座，23、微调机构，24、第七球铰支座，25、缓冲底盘，26、弹簧，27、缓冲机构，28、夹持底盘，29、夹爪，30、压敏传感器，31、夹持机构，32、第二旋转伸缩件，33、第三旋转伸缩件，34、升降台，35、雷达辅助机械臂，36、凿岩台车。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

如图1-图25所示，提供了一种用于溶洞检测的多功能雷达辅助机械臂，包括从上至下依次设置的夹持机构31、缓冲机构27、微调机构23、旋转升降机构和磁吸固定座4，旋转升降机构与磁吸固定座4之间通过第一旋转伸缩件8相连。

第一旋转伸缩件8包括液压伸缩杆7，液压伸缩杆7的两端分别与第一承压盘6固定连接，第一承压盘6远离液压伸缩杆7一侧固定有第一球铰5；第一承压盘6与第一球铰5、液压伸缩杆7固连在一起，可以将液压伸缩杆7的集中荷载均匀传递给第一球铰5，防止第一球铰5在集中荷载下疲劳破坏。

需要说明的，在本实施例中，第一承压盘6为圆盘。可以理解的，在其他的实施例中，第一承压盘6也可以为其他形状，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

液压伸缩杆7连接控制系统，在控制系统的作用下能够实现伸缩。

本实施例中，控制系统可采用现有技术实现，例如：通过人工操控遥控装置实现对不同液压伸缩杆的调控。

所述夹持机构31包括夹持底盘28、夹爪29、压敏传感器30，夹持底盘28上方对称安装多个夹爪29，每个夹爪29顶部固定压敏传感器30。

需要说明的，在本实施例中，夹持底盘28的横截面呈矩形，如图21-图23所示，夹持底盘28的每个角均安装一个夹爪29，共四个夹爪29；所述夹爪29与夹持底盘28可以为一体成型，可以为可拆卸连接，例如：螺栓连接。

可以理解的，在其他的实施例中，夹持底盘28的横截面可以为圆形或其他形状，具体可以根据实际工况具体设置，在此不做赘述。

优选地，所述夹爪29的纵向截面呈圆弧形，夹爪29与夹持底盘28之间形成类似挂钩结构，用于夹紧雷达天线。

压敏传感器30与控制系统相连，能够将夹爪29与隧道壁之间的压力传输至控制系统。

所述缓冲机构27包括缓冲底盘25和若干弹簧26，弹簧26均匀分布于缓冲底盘25的上表面；可以缓冲来自夹持机构31的震动，并能够将夹持机构31压合在隧道墙壁上，保证雷达天线的扫描效果。

需要说明的，在本实施例中，缓冲底盘25的横截面呈矩形，如图17-图20所示，弹簧26呈多排多列固定于缓冲底盘25表面。

可以理解的，在其他的实施例中，缓冲底盘25的横截面可以为圆形或其他形状，具体可以根据实际工况具体设置，在此不做赘述。

缓冲底盘25的下表面固定有多个第七球铰支座24。

在本实施例中，缓冲底盘25底部设置四个第七球铰支座24；在其他实施例中，第七球铰支座24还可以设置为六个、八个或者更多，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

所述微调机构23包括微调底盘21、第六球铰支座22，第六球铰支座22与第七球铰支座24之间通过第三旋转伸缩件33相连。

所述第三旋转伸缩件33的结构与第一旋转伸缩件8相同，此处不再赘述。

第六球铰支座22、第七球铰支座24分别与第三旋转伸缩件33的球铰配合形成球铰结构，以实现对缓冲机构27角度的调节。

需要说明的，在本实施例中，微调底盘21的横截面呈矩形，如图14-图16所示，微调底盘21表面对称安装四个第六球铰支座22。可以理解的，在其他的实施例中，缓冲底盘25的横截面可以为圆形或其他形状，第六球铰支座22也可以为四个以上，具体可以根据实际工况具体设置，在此不做赘述。

所述旋转升降机构包括升降摇臂20和转盘机构14，所述升降摇臂20一端与微调底盘21固定连接，升降摇臂20另一端与转盘机构14转动连接。

进一步的，升降摇臂20包括升降部19和滑道18，升降部19与多个滑道18滑动连接。

需要说明的，在本实施例中，升降部19为圆柱形结构，其内部具有用于滑道18移动的滑槽；其中，滑道18优选的为四个；滑道18也可以为四个以上，具体可根据实际情况而定。

可以理解的，在其他的实施例中，升降部19的横截面为矩形或者其他结构，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不做详述。

每个滑道18的侧面均固定第五球铰支座18，滑道18通过第五球铰支座18连接第二旋转伸缩件32的一端，第二旋转伸缩件32的另一端与转盘机构14相连。

第二旋转伸缩件32的结构与第一旋转伸缩件8相同，此处不再赘述。

滑道18远离升降部19的一端通过第三承压盘16连接第二球铰15。

第二旋转伸缩件32可以通过伸缩作用控制升降摇臂20在以第二球铰15为中心的半球面内发生任意角度的自由转动，并能在目标角度对升降摇臂20进行锁定固定。

升降摇臂20在第二旋转伸缩件32的作用下可以自由升降，具有足够的支撑力以及升降高度。

优选地，升降摇臂20采用高强度金属制作，质量较轻、强度较高。

所述转盘机构14包括转盘11、第二承压盘10，转盘11位于第二承压盘10上方且二者转动连接。

进一步的，转盘11通过轴承与第二承压盘10相连。

具体的，电机通过轴承连接转盘11、第二承压盘10，其中，转盘11连接轴承外圈、第二承压盘10连接轴承内圈；在内置电机的作用下，能够进行顺畅的顺时针或者逆时针旋转，从而使得雷达天线一直保持正面向前运动；在偏心压力作用下时，依然可以平稳顺畅转动，不发生侧移，轴承既满足抗压要求又满足抗拉要求。

在本实施例中，转盘11、第二承压盘10的横截面均为圆形。

转盘11的中心位置安装一个与第二球铰15相适配的第四球铰支座13，二者配合使升降摇臂20能够相对转盘11倾斜。

第四球铰支座13的周向设有与第五球铰支座18数目相同的第三球铰支座12，第三球铰支座12与第二旋转伸缩件32的球铰相适配。

第二承压盘10的底部设置多个第二球铰支座9，第二球铰支座9与第一旋转伸缩件8的第一球铰5相适配。

优选地，为了保证支撑稳定性，第二承压盘10底部设置三个第二球铰支座9，且三个第二球铰支座9呈等腰三角形分布。

可以理解的，在其他的实施例中，第二承压盘10底部的第二球铰支座9也可以为三个以上，只要能够形成稳定支撑的分布形式均可。

磁吸固定座4的个数与第一旋转伸缩件8的个数相同，其包括电磁铁2、第一球铰支座1，第一球铰支座1安装于电磁铁2的上方，与第一旋转伸缩件8的第一球铰5相适配。

本实施例中，多处采用球铰与球铰支座适配的形式，实现密封接触，防止灰尘进入，保证润滑效果良好，可以允许球铰发生任意方向的、大角度的自由转动，并可以通过电磁锁定使得球铰在目标位置固定成为固定端。

电磁铁2的底部设置有用于减小本申请机械臂与凿岩台车之间摩擦的垫层。

需要说明的，在本实施例中，所述垫层为橡胶垫3。

可以理解的，在其他实施例中，所述垫层可以采用其他材质，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不做详述。

本实施例采用24v-2a的电磁铁2，每个磁吸固定座4最大可产生1500n磁力，装置总质量预计小于100kg，三个磁吸固定座4产生最大4500n磁力，可以牢牢固定装置，既可以稳定固定机械臂又不会干扰雷达天线的信号。

启动电磁铁2后，本申请机械臂可以通过吸附的形式与凿岩台车固定。

电磁铁2可采用常规的继电器控制电路或者其他合适控制电路，保证打开开关后每个磁吸固定座4能够在24v-2a下正常工作并牢牢吸附在升降机平台上即可。

磁吸固定座4可以根据所搭载的凿岩台车升降台的大小、形状灵活地将电磁铁2固定在合适的位置，允许电磁铁2不在同一水平面，通过液压伸缩杆7的伸缩和偏转可以控制转盘机构14保持水平或者合适倾角。

本申请的夹持机构31可以通过夹爪29固定不同型号的雷达天线，在第一旋转伸缩件8将转盘机构14固定在合适角度后，第二旋转伸缩件32随后将升降摇臂20固定在合适倾角，此时第三旋转伸缩件33控制缓冲机构27和夹持机构31倾转到贴合隧洞墙壁的角度，并通过缓冲机构27将雷达天线压合在墙壁上，进行溶洞检测工作。

夹爪29上的压敏传感器30将信号通过控制系统传递至各旋转伸缩件，通过对压敏传感器30信号的识别，对各部分进行伸缩控制，最后使得雷达天线以契合隧道洞壁表面角度的方向压合在墙壁表面。

实施例二：

如图26-图28所示，提供了一种用于溶洞检测的系统，包括凿岩台车36和雷达辅助机械臂35，所述雷达辅助机械臂35采用实施例一中的结构，雷达辅助机械臂35通过电磁铁吸附于凿岩台车的升降台中。

需要说明的是，在本实施例中，凿岩台车为三臂凿岩台车。

可以理解的，在其他实施例中，也可以采用其他类型的凿岩台车，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不做详述。

本实施例中用于溶洞检测的系统的方法，包括以下步骤：

a.根据凿岩台车36的升降台24的大小和形状，在升降台24上搭载雷达辅助机械臂35，即将磁吸固定座4固定在升降台34上的合适位置。

b.调整第一旋转伸缩件8，保证转盘机构14处于水平状态或在合适倾角范围内。

c.将雷达天线固定于夹持机构31的夹爪29中。

d.启动凿岩台车36，使升降台34上升至目标测线附近。

e.控制转盘机构14旋转，使雷达天线前端朝向前进方向；启动压敏传感器30，根据压敏传感器30传递的信号调节第一旋转伸缩件8、第二旋转伸缩件32、第三旋转伸缩件33和升降摇臂20的伸缩量，使雷达天线以贴合隧道洞壁表面角度的方向压合在墙壁表面。

f.沿测线方向开动凿岩台车36，雷达天线即可进行自动扫描工作。

如需进行多条测线扫描检测工作，可根据现场情况重复d-f步骤即可。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。