一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部以及过岔方法与流程

1.本发明涉及轨道交通巡检领域，尤其是涉及一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部以及过岔方法。


背景技术：

2.在轨道交通系统中，轨道结构作为直接承载上方列车的主要结构，其稳定可靠的服役状态是保障线路安全的关键。目前在轨道结构的日常维护检查中，大部分线路仍然需要工务人员在运营天窗内定期上道巡检，这种人工巡检的运维方式受气候条件、环境因素、人员素质和责任心等多方面因素的制约，同时也有工作量大、信息化程度低、管理成本高等缺点。
3.目前轨道巡检向着智能化、无人化的趋势发展，也出现了轨检小车、轨道巡检机器人等自动化巡检设备，并且采用人工推行或自走行的方式在轨道上运行，能够在一定程度上提升巡检水平。但现有巡检设备通过区间道岔区段时，其走行部自身通过能力有限，无法配合巡检计划实现自适应顺畅过岔，通常需要人工辅助才能顺利通过，部分情况还可能需要道岔转换锁闭配合。在通过固定心轨辙叉时还可能因有害空间发生掉道，这无疑降低了区间巡检效率，同时也使得无人化、智能化巡检无法实现。因此，推进轨道交通工务巡检智能化的进程，提升轨道巡检设备，尤其是轨道智能巡检机器人走行部的自适应过岔能力就显得极为必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部以及过岔方法，用以解决轨道巡检机器人在通过道岔区时无法进行自适应过岔的难题，使得轨道巡检机器人不需要人工辅助或道岔转换配合也能够顺利通过道岔区完成巡检计划，从根本上提高巡检效率。
5.本发明的技术方案是：
6.一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部，包括底盘、设置在底盘底部的两对走行轮、驱动走行轮转动的动力机构；其特征在于：所述底盘上分别工控机、结构光摄像机、电池与传感器，底盘的两侧分别设有导向轮、用于收放导向轮的升降机构、用于驱动导向轮横向移动的平移机构、连接导向轮与升降机构的自锁型气弹簧；
7.所述工控机分别电连接动力机构、结构光摄像机、升降机构、平移机构、传感器、自锁型气弹簧；所述每对走行轮的轮背距离小于一侧尖轨与另一侧基本轨的间距，每对走行轮的轮背距离大于护轨与翼轨的间距。
8.所述平移机构包括可水平滑动地定位在底盘上的滑动座、可转动地定位在底盘上的丝杆、与丝杆啮合并与滑动座固定的螺母、驱动丝杆转动的平移电机。
9.所述升降机构包括由滑动座、前连杆、后连杆、支架板组成的四杆机构以及驱动四杆机构运动的液压缸；所述导向轮可转动地定位在轮架上，自锁型气弹簧的两端与轮架及
支架板固定；所述导向轮设置在前后两对走形轮之间，升降机构可带动导向轮下降至走行轮下方。
10.所述滑动座的滑动方向、丝杆的轴线方向、自锁型气弹簧的伸缩方向均水平布置并且垂直于走行部的移动方向；所述升降机构各铰接轴的轴线方向平行于走行部的移动方向；所述导向轮的轴线方向竖直布置。
11.所述走形轮包括带锥形踏面的轮体以及设置在轮体内侧的轮缘。
12.所述结构光摄像机包括结构光投影仪和摄像头。
13.所述传感器包括走行轮摄像机、导向轮微动开关。
14.一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部的过岔方法，包括以下步骤：
15.1)导向轮位于初始位置，走行部沿着轨道前进，结构光摄像机拍摄前方轨道图像，工控机根据图像判断前方是否出现道岔区，出现道岔区进入步骤2)；
16.2)工控机判断道岔开通方向，道岔开通方向与巡检方向一致进入步骤3)，不一致进入步骤4)；
17.3)工控机先控制升降机构降下靠近道岔未开通方向一侧的导向轮，工控机控制导向轮进行刚性限位推动走行部往道岔开通方向一侧横移，传感器监测到走行轮的车缘贴住基本轨时工控机控制导向轮回到初始位置，进入步骤5)：
18.4)工控机控制升降机构降下两侧导向轮，工控机控制靠近道岔开通方向一侧的导向轮进行刚性限位推动走行部往道岔未开通方向一侧横移，传感器监测到走行轮的车缘贴住基本轨时工控机控制刚性限位的导向轮回到对齐位置；
19.导向轮进入尖轨后，工控机控制对齐位置导向轮进行刚性限位，走行部受到指向道岔未开通方向一侧的反作用力，迫使道岔未开通方向一侧的走行轮的轮缘紧贴尖轨侧面不断向上爬升并直至轮缘沿着尖轨上滚动，此时走行部位于倾斜状态；同时，工控机控制平移机构推动道岔未开通方向一侧的导向轮贴住尖轨；如果结构光摄像机、传感器监测到走行部掉道，工控机发生报警信号，走行部停止移动，等待人工处理；
20.当走行部进入曲尖轨后，轮缘在尖轨上滚动的前后走行轮自然滑落，走行轮的踏面重新回到基本轨上滚动，如果因意外造成前后走行轮的轮缘在基本轨上滚动而无法自然滑落，工控机控制刚性限位的导向轮回到初始位置并且工控机控制另一侧的自锁型气弹簧闭锁，走行部受到轨道挤压发生横移，强行推动走行轮滑落以使踏面回到基本轨上滚动；此时走行部回到水平状态，导向轮返回初始位置，进入步骤5)；如果结构光摄像机、传感器监测到走行部掉道，工控机发生报警信号，走行部停止移动，等待人工处理；
21.5)走行部通过心轨后，两侧的导向轮进行刚性限位，使走行部对中。
22.所述初始位置包括导向轮与底盘中心的水平间距最小，导向轮位于最高点位置；所述对齐位置包括导向轮与基本轨的间距等于尖轨内侧与基本轨的间距。
23.所述刚性限位包括平移机构推动滑动座平移使得导向轮连续顶推基本轨或尖轨的侧面，同时自锁型气弹簧闭锁。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明在不使用道岔扳道的情况下，能使走行部顺利过岔，该走行部整体结构简单合理、设计新颖、受力明确，走行轮与导向轮的特殊设计又使得走行部在过岔时不致发生掉道，自带的电池保障了走行部的整体续航；综上所述，本发明实现了轨道巡检机器人走行
部的自适应过岔，极大地节省了人工，提升了巡检效率，应用前景非常广阔。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明的立体结构示意图。
28.图2是本发明的右视结构示意图。
29.图3是本发明的通行状态示意图(平移机构和升降机构未启动)。
30.图4是本发明的过岔状态示意图(平移机构和升降机构启动)。
31.图5是图3的主视结构示意图。
32.图6是图4的主视结构示意图。
33.图7是本发明的升降机构的立体示意图之一(升降机构启动)。
34.图8是本发明的升降机构的立体示意图之二(升降机构未启动)。
35.图9是本发明的走行轮的示意图。
36.图10是本发明的走行轮与导向轮的工作状态示意图之一。
37.图11是本发明的走行轮与导向轮的工作状态示意图之二。
38.图12是本发明的走行轮与导向轮的工作状态示意图之三。
39.图13是本发明的实施例1示意图。
40.图14是本发明的实施例2示意图。
41.图15是本发明的实施例3示意图。
42.图16是本发明的实施例4示意图。
具体实施方式
43.下面将结合附图对本发明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。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
47.本发明适用于单开道岔的自适应过岔，单开道岔的主线为直线并且单开道岔的侧线由主线向左或向右岔出。
48.如图1所示，本发明提供了一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部，包括底盘
1，走行轮2、工控机3、结构光摄像机4、电池5、导向轮6、平移机构、升降机构、自锁型气弹簧7。
49.所述底盘下方设有前后布置的两对走行轮，每对走行轮通过车轴可转动地与底盘连接，动力机构用于驱动走行轮转动以使走行部在钢轨上行进，动力机构(图中省略)包括驱动电机以及传递驱动电机动力的传动机构，底盘上还设有刹车机构(图中省略)用于减速及刹停。
50.所述走形轮包括带锥形踏面的轮体2.1以及设置在轮体内侧(面向另一个走形轮的一侧)的轮缘2.2。所述轮体的踏面套有外层，外层采用绝缘耐磨材料制成，如氮化硅或聚氨酯，不仅增强了耐磨性能，而且便于更换。
51.所述走行轮中，轮体的半径为120mm至150mm，踏面宽度至少为120mm，踏面斜度为1:10，可以避免走行部大幅度转向时出现剧烈跳动，轮缘高度(轮缘与轮体的半径差)为25mm，轮缘宽度为15mm，保证走行部能够顺利通过有害空间不致掉道。所述每对走行轮的轮背距离(两个走行轮的轮缘间距)小于一侧尖轨与另一侧基本轨的间距，并且每对走行轮的轮背距离大于护轨与翼轨的间距，轮背距离为1350mm至1380mm。该走行轮的尺寸设置可以在通过有害空间时避免出现掉道。
52.所述结构光摄像机设置在底盘的顶面与前部并且结构光摄像机通过云台(图中省略)固定在底盘上，结构光摄像机包括结构光投影仪和摄像头，结构光摄像机用于探测底盘前方5m距离内的轨道情况，云台用于驱动结构光摄像机左右转动实现前进方向180
°
范围内的探测角度调整。所述结构光摄像机也可用于监测异物入侵、限界入侵。所述结构光摄像机可利用现有的监测轨道异物侵入的机器视觉传感器直接进行改造，成本可控。
53.所述底盘的两侧各设置一个导向轮，导向轮布置在前后的两对走行轮之间，并且每个导向轮配有平移机构、升降机构与自锁型气弹簧。
54.所述平移机构用于使导向轮横向移动(垂直于底盘的前进方向)，通过导向轮与尖轨侧面、基本轨轨头侧面的滚动接触在过岔过程中起导向与限位作用。所述升降机构用于在过岔时释放导向轮，而在非过岔状态时将导向轮收纳于底盘下方，避免导向轮与钢轨及其他附属线路结构发生碰撞。所述自锁型气弹簧用于在过岔时配合平移机构、升降机构进行导向和限位。
55.所述平移机构包括滑动座8、丝杆9、平移电机11、螺母10。所述滑动座可水平滑动地定位在底盘上，底盘的两侧设有引导滑动座运动的滑槽1.1，滑动座上设有与滑槽滑动配合的滑块(图中省略)，丝杆水平可转动地定位在底座上，平移电机与底盘固定并且平移电机的输出轴与丝杆同轴连接，螺母与丝杆啮合并与滑动座固定。所述滑槽的长度方向、滑动座的滑动方向均水平布置并且垂直于走行部的移动方向。
56.所述升降机构包括前连杆12、后连杆13、支架板14与液压缸15。其中，滑动座与前连杆、后连杆、支架板组成四杆机构，该四杆机构中，支架板设置在滑动座下方，两条前连杆的两端与两条后连杆的两端均可转动地铰接在支架板与滑动座上。所述液压缸的两端也可转动地铰接在支架板与滑动座上，液压缸与滑动座的铰接轴轴线以及前连杆与滑动座的铰接轴轴线同轴布置，液压缸与支架板的铰接轴轴线以及后连杆与支架板的铰接轴轴线同轴布置。所述前连杆、后连杆的铰接轴轴线方向平行于走行部的移动方向。
57.所述导向轮可转动地定位在轮架16上，自锁型气弹簧的两端与轮架及支架板固
定，自锁型气弹簧的伸缩方向平行于滑动座的滑动方向并且垂直于走行部的移动方向，自锁型气弹簧闭锁时，导向轮与支架板刚性连接，自锁型气弹簧解锁时导向轮与支架板弹性连接。所述导向轮用于水平顶推基本轨的轨头侧面或者尖轨侧面。
58.在自适应过岔时，升降机构启动，液压缸收缩将四杆机构从折叠状态(图8)转换到打开状态(图7)将导向轮下降到走行轮下方，导向轮在水平方向上对准基本轨21的轨头20侧面，然后平移机构启动推动滑动座向侧面移动使得导向轮顶住轨头，同时自锁型气弹簧根据情况决定闭锁或解锁，实现导向和限位作用。
59.所述底盘上还设有传感器(图中省略)以满足巡检需求，包括走行轮摄像机、导向轮微动开关。所述走行轮摄像机用于监测前后走行轮的爬轨、掉道、对中状态，还可监测轨道的各种病害(轨道扣件装置的弹条断裂、胶垫脱出)。所述导向轮微动开关用于监测导向轮是否与钢轨接触。
60.所述工控机设置在底盘的顶面及后部，用于接收、处理数据并控制各机构运动实现自适应过岔。所述工控机分别电连接动力机构、刹车机构、结构光摄像机、平移电机、液压缸、自锁型气弹簧、传感器。所述电池设置在底盘顶面用于供电，保证走行部的的正常运行。
61.上述各部件均为现有技术，可外购获得。
62.本发明还提供了一种可自适应过岔的轨道巡检机器人走行部的过岔方法，包括以下步骤：
63.1)导向轮位于初始位置(平移机构未启动，导向轮与底盘中心的水平间距最小，升降机构未启动，导向轮位于最高点位置)，走行部沿着轨道前进，结构光摄像机拍摄前方轨道图像，工控机根据图像判断前方是否出现道岔区，如出现道岔区，进入步骤2)；
64.2)工控机判断道岔开通方向，道岔开通方向与巡检方向一致进入步骤3)，道岔开通方向与巡检方向不一致进入步骤4)；巡检计划需预先输入在工控机中；
65.3)工控机控制升降机构降下靠近道岔未开通方向一侧(尖轨22与基本轨21密贴的一侧)的导向轮，工控机控制导向轮进行刚性限位(平移机构推动导向轮向基本轨移动并且自锁型气弹簧闭锁，导向轮顶推基本轨的轨头侧面使得走行部受到反作用力，图10所示)，走行部往道岔开通方向一侧(尖轨22与基本轨21分开的一侧)横移，传感器(导向轮微动开关、走行轮摄像机)监测到走行轮的车缘贴住基本轨的轨头时工控机控制导向轮回到初始位置(避免与钢轨及其他附属线路结构发生碰撞)，进入步骤5)：
66.4)工控机控制升降机构降下两侧导向轮，工控机控制靠近道岔开通方向一侧(尖轨22与基本轨21分开的一侧)的导向轮进行刚性限位(平移机构推动导向轮向基本轨移动并且自锁型气弹簧闭锁，导向轮顶推基本轨的轨头侧面使得走行部受到反作用力，图10所示)，走行部往道岔未开通方向一侧(尖轨与基本轨密贴的一侧)横移，传感器监测到走行轮的车缘贴住基本轨时工控机控制刚性限位的导向轮回到对齐位置(导向轮与基本轨的间距等于尖轨内侧与基本轨的间距，避免导向轮与尖轨发生碰撞)；
67.导向轮进入尖轨后，工控机控制对齐位置的导向轮进行刚性限位(平移机构推动导向轮向尖轨移动并且自锁型气弹簧闭锁，导向轮顶推尖轨的轨头侧面使得走行部受到反作用力)，走行部受到指向道岔未开通一侧(尖轨与基本轨密贴的一侧)的反作用力，迫使该侧(道岔未开通一侧)走行轮的轮缘紧贴住尖轨的侧面不断向上爬升(图11所示)，直至到达尖轨顶面(图12所示)，此时走行部位于倾斜状态；与此同时，工控机控制平移机构推动道岔
未开通一侧的导向轮贴住尖轨(图11所示)，该侧的自锁型气弹簧解锁，随着走行部的横向移动，该自锁型气弹簧不断压缩，起到避免走行部发生出轨的作用；如果结构光摄像机、传感器监测到走行部掉道，工控机发生报警信号，走行部停止移动，等待人工处理；
68.走行部进入曲尖轨23后(尖轨与基本轨之间出现的空心区30)，轮缘在尖轨上滚动的前后走行轮自然滑落，走行轮的踏面重新回到基本轨上滚动，走行部回到水平状态；如果结构光摄像机、传感器监测到前后走行轮偏离至基本轨上(前后走行轮的轮缘在基本轨上滚动而无法自然滑落)，工控机控制刚性限位的导向轮回到初始位置并且工控机控制另一侧的自锁型气弹簧闭锁，走行部受到轨道挤压发生横移进行纠偏，强行推动走行轮滑落以使踏面回到基本轨上，使得走行部回到水平状态；
69.走行部回到水平状态后沿着基本轨行驶，工控机控制导向轮返回初始位置(避免与钢轨及其他附属线路结构发生碰撞)，进入步骤5)；如果结构光摄像机、传感器监测到走行部掉道，工控机发生报警信号，走行部停止移动，等待人工处理；
70.5)走行部通过心轨25后，工控机控制两侧导向轮同时进行刚性限位，使走行部对中，过岔结束。
71.实施例1
72.如图13所示，本实施例中，单开道岔为右开道岔且开通方向为主线，轨道巡检机器人需要沿主线通过，道岔的通行方向与巡检计划一致(箭头方向)。
73.该走行部的过岔方法如下：
74.1)前方出现道岔区(走行部位置为图中a所示)；
75.2)工控机判断道岔开通方向与巡检方向一致；
76.3)升降机构放下右侧的导向轮，平移机构伸出导向轮，自锁型气弹簧闭锁，走行部往左侧移动(走行部位置为图中b所示)，右侧的导向轮再收回；
77.4)进入道岔区(走行部位置为图中c所示)；
78.5)通过心轨后，两侧的导向轮进行刚性限位，保证走行部对中(走行部位置为图中d所示)。
79.实施例2
80.如图14所示，本实施例中，单开道岔为右开道岔且开通方向为侧线，轨道巡检机器人需要沿侧线通过，道岔的通行方向与巡检计划一致(箭头方向)。
81.该走行部的过岔方法如下：
82.1)前方出现道岔区(走行部位置为图中a所示)；
83.2)工控机判断道岔开通方向与巡检方向一致；
84.3)升降机构放下左侧的导向轮，平移机构伸出导向轮，自锁型气弹簧闭锁，走行部往右侧移动(走行部位置为图中b所示)，左侧的导向轮再收回；
85.4)进入道岔区(走行部位置为图中c所示)；
86.5)通过心轨后，两侧的导向轮进行刚性限位，保证走行部对中(走行部位置为图中d所示)。
87.实施例3
88.如图15所示，本实施例中，单开道岔为右开道岔且开通方向为主线，轨道巡检机器人需要沿侧线通过(箭头方向)，道岔的通行方向与巡检计划不一致。
89.该走行部的过岔方法如下：
90.1)前方出现道岔区(走行部位置为图中a所示)；
91.2)工控机判断道岔开通方向与巡检方向不一致；
92.3)升降机构放下两侧的导向轮，平移机构伸出左侧导向轮，自锁型气弹簧闭锁，走行部往右侧移动(走行部位置为图中b所示)，左侧的导向轮回到对齐位置(走行部位置为图中c所示)；
93.导向轮进入尖轨后，左侧的导向轮进行刚性限位，右侧的导向轮顶住尖轨并且右侧的自锁型气弹簧解锁(走行部位置为图中d所示)；右侧的走行轮沿着尖轨不断爬升(走行部位置为图中e所示)，直至到达尖轨顶面，右侧自锁型气弹簧被压缩；
94.前后走行轮进入曲尖轨后，右侧的走行轮重新回到基本轨上，两侧导向轮收回；或者，收回左侧导向轮，依靠右侧导向轮进行纠偏，使右侧的走行轮重新回到基本轨上(走行部位置为图中f所示)，再收回右侧导向轮；
95.4)通过心轨后，两侧的导向轮进行刚性限位，保证走行部对中(走行部位置为图中g所示)。
96.实施例4
97.如图16所示，本实施例中，单开道岔为右开道岔且开通方向为侧线，轨道巡检机器人需要沿主线通过(箭头方向)，道岔的通行方向与巡检计划不一致。
98.该走行部的过岔方法如下：
99.1)前方出现道岔区(走行部位置为图中a所示)；
100.2)工控机判断道岔开通方向与巡检方向不一致；
101.3)升降机构放下两侧的导向轮，平移机构伸出右侧导向轮，自锁型气弹簧闭锁，走行部往左侧移动(走行部位置为图中b所示)，右侧的导向轮回到对齐位置(走行部位置为图中c所示)；
102.导向轮进入尖轨后，右侧的导向轮进行刚性限位，左侧导向轮顶住尖轨并且左侧的自锁型气弹簧解锁(走行部位置为图中d所示)；左侧的走行轮沿着尖轨不断爬升(走行部位置为图中e所示)，直至到达尖轨顶面，左侧自锁型气弹簧被压缩；
103.前后走行轮进入曲尖轨后，左侧的走行轮重新回到基本轨上，两侧导向轮收回；或者，收回右侧导向轮，依靠左侧导向轮进行纠偏，使左侧的走行轮重新回到基本轨上(走行部位置为图中f所示)，再收回左侧导向轮；
104.4)通过心轨后，两侧的导向轮进行刚性限位，保证走行部对中(走行部位置为图中g所示)。
105.实施例1
‑
4均为右开道岔，若需通过左开道岔时，过岔方法也类同，在此不做详细描述。
106.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。