一种自动化路面坑槽喷补机的制作方法

本发明属于沥青路面养护技术领域，涉及路面病害自动化修补设备，具体涉及一种自动化路面坑槽喷补机。

背景技术：

喷射式修补方式具有快速、绿色环保、修补可靠的优点，并且可用于凹陷、裂缝填封、封层、罩面等预防性养护作业中。然而现有的喷射式坑槽修补机的修补作业主要依靠操作人员的经验，比如美国的ROSCO、Total Patcher、Bergkamp，英国的Velocity等公司，其生产的修补机分为拖挂式、底盘车安装式和自行式三种类型，即使是最为先进的自行式修补机自动化程度仍不高，从检测坑槽到修补作业都离不开操作员的判断和干预。

在沥青路面裂缝修补领域，基于机器视觉的自动化裂缝修补机已经取得了可喜的成果，其发展过程经过了CMU样机、CMU-UT样机、ARMM样机、APCS样机四个阶段，现已有自动化裂缝修补机样机进入实际应用的验证阶段。然而，与裂缝的自动化修补不同的是，坑槽的自动化修补除了需要平面信息，还需要获取其深度信息。

技术实现要素：

针对现有喷射式坑槽修补机自动化程度不高、主要依靠修补人员经验判断和干预、修补精度不高的缺点，本发明的目的是提供一种自动化路面坑槽喷补机，集合图像处理和三维点云技术，在行车过程中自动检测病害，并且进行路面坑槽的自动修补。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种自动化路面坑槽喷补机，包括：用于提供乳化沥青和集料的修补总成以及具有三个方向自由度的三维运动平台，三维运动平台安装在一个可移动的运动平台支架上，在运动平台支架上安装有检测总成；所述的检测总成包括多个用于获取坐标和路面图像信息的相机，所述的三维运动平台上安装有固定座，固定座由三维运动平台驱动，通过固定座调整乳化沥青和集料的喷补的位置。

进一步地，所述的修补总成包括总成支架，总成支架包括由一对X轴方形钢、一对Y轴方形钢形成的矩形框架，框架上设置有支架底板，框架下方分布有行走支腿；所述的行走支腿包括支腿底座，支腿底座下部通过实心支腿连接有第一万向轮，支腿底座与固定在所述框架底部的第一支腿连接板固结；

所述的支架底板上安装有电动空压机、电动风机、乳化沥青罐、电动沥青泵、接料斗和集料箱，其中，接料斗位于集料箱的下方，集料箱的下料口大小可以调节；自所述的电动风机上引出集料输送管，所述的接料斗的下端与集料输送管连通；所述的电动沥青泵上接有乳化沥青管道，乳化沥青管道和集料输送管的前端共同连接至所述的混合喷嘴，混合喷嘴安装在所述的固定座上；通过电动沥青泵将乳化沥青罐中的乳化沥青泵入到乳化沥青管道的前端，通过电动风机将依次经过集料箱、接料斗落入到集料管道中的集料输送到集料管道的前端，乳化沥青和集料在混合喷嘴中混合后喷入路面的坑槽中；所述的混合喷嘴安装在三维运动平台上。

进一步地，所述的运动平台支架为一对由X轴固定方管、一对Y轴固定方管构成的矩形结构，运动平台支架下方设置有升降支腿总成；所述的升降支腿总成包括螺纹支腿和安装在螺纹支腿底部的第二万向轮，螺纹支腿的上端设置有升降齿箱，升降齿箱上安装有手摇轮；所述的运动平台支架上设置有第二支腿连接板，所述的升降齿轮箱与第二支腿连接板固结；通过手摇轮驱动升降齿箱带动螺纹支腿运动以调节运动平台支架与地面之间的高度。

进一步地，所述的运动平台支架的上方安装有承载架，承载架包括平台上支撑架、平台下支撑架和摇臂总成，其中：

平台上支撑架为矩形框架架构，所述的摇臂总成安装在平台上支撑架的顶部；平台上支撑架的下端固结有第一竖直方管；所述的平台下支撑架包括垂直固结在运动平台支架上的第二竖直方管，所述的第一竖直方管插入到第二竖直方管中，并通过螺栓连接；所述的运动平台支架的Y轴固定方管上对称设置有两对平台支撑板，所述的X轴固定方管上安装有铰接头，铰接头通过铰接臂与所述的修补总成连接。

进一步地，所述的摇臂总成包括摇臂上支撑板，摇臂上支撑板上垂直固定有转轴底座，转轴底座上安装有转轴；所述的转轴与一个伸缩臂连接，伸缩臂包括第一节臂和套装在第一节臂中的第二节臂，第二节臂的端部安装有吊钩，吊钩上可拆卸地设置有吊环；所述的平台上支撑架上固定有摇臂下支撑板，摇臂上支撑板固定在摇臂下支撑板上；所述的转轴底座与摇臂上支撑板之间分布有多个底座三角筋，所述的转轴与伸缩臂之间设置有摇臂三角筋。

进一步地，所述的三维运动平台包括一对Y轴皮带滑轨，Y轴皮带滑轨通过滑轨连接板固定在所述的运动平台支架的Y轴固定方管上；所述的一对Y轴皮带滑轨上装配有X轴皮带滑轨，在X轴皮带滑轨的侧面安装有Z轴皮带滑轨；

所述的Z轴皮带滑轨上安装所述的固定座，固定座包括间隔设置的第一侧板和第二侧板，在第一侧板和第二侧板之间沿由上至下依次设置有顶板以及底板，顶板和底板均呈中间高、两侧低的凸形结构；其中，顶板及底板之间开通有集料管道固定孔和沥青管道固定孔，顶板上还开设有深度相机连接孔,第二侧板上开设有滑轨连接孔。

进一步地，所述的平台支撑板包括水平方板，水平方板的一侧间隔设置有第一侧角板和第二侧角板，第一侧角板和第二侧角板之间通过一个竖直方板连接，在水平方板上分布有多个支撑板连接孔。

进一步地，所述的相机包括第一相机、第二相机、第三相机和深度相机，其中第一相机安装在所述的运动平台支架的X轴固定方管下部，第二相机安装在Y轴固定方管的下部，第三相机安装在所述的平台上支撑架上或安装在用于牵引自动化路面坑槽喷补机的牵引机械上；所述的深度相机安装在固定座上。

进一步地，所述的修补总成上设置有控制总成，控制总成包括伺服电机控制柜和电脑主机，控制总成用于实现坑槽修补过程的自动化程序控制。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明可代替传统的人工作业，解放劳动力，加快养护工程进度，大幅提高坑槽修补质量，具有效率高，质量好等优势，适用于各种等级的沥青路面坑槽病害的修补工作，填补了采用喷射式修补工艺且基于图像处理和三维点云技术具有高精度同时能够实现全自动化的坑槽修补机械领域的空白；

2.本发明集道路检测与坑槽修补作业于一体，不仅可用于路面病害的自动化检测，而且可用于路面坑槽的自动化修补；

3.本发明集成性好，自动化程度高，装置整体具有较高的可靠性和实用性，为沥青路面养护提供了一种理想的工具。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为修补总成的结构示意图；

图3为承载架的结构示意图；

图4为三维运动平台的结构示意图；

图5为摇臂总成的结构示意图；

图6为平台支撑板的结构示意图；

图7为固定座的结构示意图；

图8为本发明自动化检测及修补的流程示意图；

图中标号代表：1-修补总成，11-混合喷嘴，12-乳化沥青管道，13-集料管道，14-集料箱，15-接料斗，16-电动沥青泵，17-乳化沥青罐，18-电动风机，19-电动空压机，2-总成支架，21-行走支腿，211-第一万向轮，212-实心支腿，213-支腿底座，22-第一支腿连接板，23-X轴方形钢，24-Y轴方形钢，25-支架底板，26-挡板，3-控制总成，31-伺服电机控制柜，32-电脑主机，33-PCI运动控制卡，34-目标运动轨迹，35-实际运动轨迹，4-检测总成，41-第一相机，42-第二相机，43-深度相机，44-第三相机，5-三维运动平台，50-滑轨连接板，51-Y轴伺服电机，52-Y轴皮带滑轨，53-Y轴皮带拖链，54-X轴伺服电机，55-X轴皮带滑轨，56-X轴皮带拖链，57-Z轴伺服电机，58-Z轴皮带滑轨，59-Z轴皮带拖链，6-运动平台支架，61-摇臂总成，610-摇臂下支撑板，611-摇臂上支撑板，612-底座三角筋，613-转轴底座，614-转轴，615-摇臂三角筋，616-第一节臂，617-第二节臂，618-吊钩，619-吊环，62-平台上支撑架，621-上支撑架X轴方管，622-上支撑架Y轴方管，623-上支撑架三角筋，624-第一竖直方管，63-平台下支撑架，631-第二竖直方管，632-下支撑架三角筋，633-平台支撑板，6331-水平方板，6332-第一侧角板，6333-第二侧角板，6334-竖直方板，6335-支撑板连接孔，634-Y轴固定方管，635-X轴固定方管，636-铰接头，637-铰接臂，64-升降支腿总成，641-第二支腿连接板，642-手摇轮，643-升降齿箱，644-螺纹支腿，645-第二万向轮，7-固定座，71-第一侧板，72-深度相机连接孔，73-集料管道固定孔，74-沥青管道固定孔，75-顶板，76-滑轨连接孔，77-第二侧板，78-底板。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图8所示，本发明给出了一种自动化路面坑槽喷补机，包括：用于提供乳化沥青和集料的修补总成1以及具有三个方向自由度的三维运动平台5，三维运动平台5安装在一个可移动的运动平台支架6上，在运动平台支架6上安装有检测总成4，其中检测总成4包括多个用于获取坐标和路面图像信息的相机，所述的三维运动平台5上安装有固定座7，固定座7由三维运动平台5驱动，通过固定座7调整乳化沥青和集料的喷补的位置，即三维运动平台5带动固定座7以调整固定座7在空间内的位置，在此过程中固定座7带动喷头调整位置以进行喷补工作。本发明在使用时，通过外部牵引机械进行整体的牵引，例如在拖拉机的牵引下进行移动和路面修补。此外，下面的方案中提到的零部件所用到的电力均来自于拖拉机带动的发电机组提供。

具体地，在本方案中，修补总成1包括总成支架2，总成支架2包括由一对平行设置的X轴方形钢23、一对平行设置的Y轴方形钢24形成的矩形框架，框架上设置有支架底板25，支架底板25的边缘设置有挡板26；框架下方分布有行走支腿21；所述的行走支腿21包括支腿底座213，支腿底座213下部通过实心支腿212连接有第一万向轮211，支腿底座213与固定在所述框架底部的第一支腿连接板22固结；

所述的支架底板25上安装有电动空压机19、电动风机18、乳化沥青罐17、电动沥青泵16、接料斗15和集料箱14，其中，接料斗15位于集料箱14的下方，集料箱14的下料口大小可以调节；自所述的电动风机18上引出集料输送管，所述的接料斗15的下端与集料输送管连通；所述的电动沥青泵16上接有乳化沥青管道12，乳化沥青管道12和集料输送管的前端共同连接至所述的混合喷嘴11，混合喷嘴11安装在所述的固定座7上；通过电动沥青泵16将乳化沥青罐17中的乳化沥青泵入到乳化沥青管道12的前端，通过电动风机18将依次经过集料箱14、接料斗15落入到集料管道13中的集料输送到集料管道13的前端，乳化沥青和集料在混合喷嘴11中以高速状态混合后喷入路面的坑槽中；所述的电动空压机19通过管道连接至混合喷嘴11，用于向路面坑槽中吹出高压气体，以对坑槽中的杂物进行清理，便于后续的修补过程。所述的混合喷嘴11安装在三维运动平台上，通过三维运动平台5带动混合喷嘴11调整不同的位置。

如图3所示，在本方案中，运动平台支架6为由一对X轴固定方管635、一对Y轴固定方管634构成的矩形结构，矩形运动平台支架6下方设置有升降支腿总成64；所述的升降支腿总成64包括螺纹支腿644和安装在螺纹支腿644底部的第二万向轮645，螺纹支腿644的上端设置有升降齿箱643，升降齿箱643上安装有手摇轮642；所述的运动平台支架6上设置有第二支腿连接板641，所述的升降齿轮箱与第二支腿连接板641固结；通过手摇轮642驱动升降齿箱643带动螺纹支腿644运动以调节运动平台支架6与地面之间的高度。运动平台支架6的上方安装有承载架，承载架包括平台上支撑架62、平台下支撑架63和摇臂总成61，其中：

平台上支撑架62为矩形框架架构，包括上支撑架X轴方管621、上支撑架Y轴方管622以及起到加固作用的上支撑架三角筋623，所述的摇臂总成61安装在平台上支撑架62的顶部；平台上支撑架62的下端固结有第一竖直方管624；所述的平台下支撑架63包括垂直固结在运动平台支架6上的第二竖直方管631，所述的第一竖直方管624插入到第二竖直方管631中，以内嵌的方式通过螺栓连接，并可通过调整螺栓的位置，以改变平台上支撑架相对于地面的高度；在第二竖直方管631的下部侧面设置有起到加固作用的下支撑架三角筋632；所述的运动平台支架6的Y轴固定方管634上对称设置有两对平台支撑板633，所述的X轴固定方管635上安装有铰接头636，铰接头636通过铰接臂637与所述的修补总成1连接。平台支撑板633包括水平方板6331，水平方板6331的一侧间隔设置有第一侧角板6332和第二侧角板6333，第一侧角板6332和第二侧角板6333之间通过一个竖直方板6334连接，在水平方板6331上分布有多个支撑板连接孔6335。

摇臂总成61包括摇臂上支撑板611，摇臂上支撑板611上垂直固定有转轴底座613，转轴底座613上安装有转轴614，转轴614可在转轴底座613中旋转；所述的转轴614与一个伸缩臂连接，伸缩臂包括第一节臂616和套装在第一节臂616中的第二节臂617，第二节臂617的端部安装有吊钩618，吊钩618上可拆卸地设置有吊环619，吊环619通过第一节臂616和第二节臂617的伸缩配合调整位置；吊环619的作用是悬挂乳化沥青管道12和集料管道13，如图1所示。所述的平台上支撑架62上固定有摇臂下支撑板610，摇臂上支撑板611固定在摇臂下支撑板610上；所述的转轴底座613与摇臂上支撑板611之间分布有多个底座三角筋612，所述的转轴614与伸缩臂之间设置有摇臂三角筋615。

如图4所示，本发明中，三维运动平台5包括一对Y轴皮带滑轨52，Y轴皮带滑轨52上设置有Y轴伺服电机51、Y轴皮带拖链53；Y轴皮带滑轨52通过滑轨连接板50固定在所述的运动平台支架6的Y轴固定方管634上；所述的一对Y轴皮带滑轨52上装配有X轴皮带滑轨55，在X轴皮带滑轨55的侧面安装有Z轴皮带滑轨58；X轴皮带滑轨55上设置有X轴伺服电机54、X轴皮带拖链56；Z轴皮带滑轨58上设置有Z轴伺服电机57、Z轴皮带拖链59；

所述的Z轴皮带滑轨58上安装所述的固定座7，固定座7包括间隔设置的第一侧板71和第二侧板77，在第一侧板71和第二侧板77之间由上至下依次设置有顶板75和底板78，顶板75、底板78均呈中间高、两侧低的凸形结构；其中，顶板75和底板78之间开设有集料管道固定孔73和沥青管道固定孔74，顶板75上还开设有深度相机连接孔72，第二侧板77上开设有滑轨连接孔76。三维运动平台5，通过三个方向的滑轨的设置，使其具有了三个方向的自由度，利用电机驱动，可使得固定座7带动混合喷嘴11在一定范围内的三维空间里任意调整位置，以满足实际的喷补需求。

在本发明中，相机包括第一相机41、第二相机42、第三相机44和深度相机43，其中第一相机41安装在所述的运动平台支架6的X轴固定方管635下部，第二相机42安装在Y轴固定方管634的下部，第一相机41和第二相机42通过连接板水平安装，这两个相机构成立体视觉，用于获取混合喷嘴11的世界坐标；第三相机44安装在所述的平台上支撑架62上或安装在用于牵引自动化路面坑槽喷补机的牵引机械上，用于检测路面前方有无坑槽；所述的深度相机43安装在固定座7上，用于获取路面坑槽的三维坐标。

为了实现本发明坑槽喷补过程的自动化，修补总成1上设置有控制总成3，控制总成3包括伺服电机控制柜31和电脑主机32，控制总成3用于实现坑槽修补过程的自动化程序控制；其中电脑主机32内装有用于控制三维运动平台5动作的PCI运动控制卡33，其作用是驱动三维运动平台5上三个电机，使得混合喷嘴11能在三维平台的带动下到达目标位置；而深度相机43获取的路面坑槽的三维坐标通过电脑进行解析，用于指导喷补过程；电动空压机19、电动风机18、电动沥青泵16等电气设备均由电脑主机32统一控制。

如图8所示，本发明自动化检测及修补过程如下：

承载架和总成支架2由铰接臂637连接为一个整体，在外部牵引机械的作用下沿路面行进，与此同时第三相机44处于开启状态，通过电脑主机32处理获取的路面图像，检测路面前方是否存在坑槽。检测到坑槽存在的情况下，牵引承载架至坑槽上方，同时发出停车信号。接着，电脑主机32控制深度相机43开启，根据获取的深度图像分割坑槽，并计算坑槽的深度信息及详细三维点云坐标，通过点云模型规划混合喷嘴11的目标运动轨迹34，作为控制三维运动平台5动作的依据。

混合喷嘴11的目标运动轨迹34确定后，由电脑主机32中的PCI运动控制卡33给伺服电机控制柜31发出控制信号，控制X轴伺服电机54、Y轴伺服电机51和Z轴伺服电机57的转矩、转速等，进而带动Z轴皮带滑轨58上通过固定座7固定的混合喷嘴11沿着程序要求的目标运动轨迹34运动，对坑槽进行修补。在混合喷嘴11的运动过程中，其实际运动轨迹35与电脑主机32根据点云模型发出的目标运动轨迹34存在偏差，需要进行误差补偿，具体的需要确定轨迹的实际误差量，通过实时的对比混合喷嘴11的目标位置和实际位置即可获取。其中，混合喷嘴11的目标位置来自于对深度相机43获取的点云模型的计算，即计算混合喷嘴11的目标运动轨迹34，而混合喷嘴11的实际位置来自于对第一相机41和第二相机42获取的混合喷嘴11的图像坐标的计算转换。在修补过程中，混合喷嘴11的目标运动轨迹34随着坑槽的深度的变化而变化，与此同时，实际运动轨迹35的误差补偿也是实时进行的。

坑槽喷补的工艺过程包括清理坑槽内部杂物、喷洒粘接剂、喷洒混合料和喷洒干集料，这需要修补总成1和三维运动平台5的协同工作完成，其具体步骤为：电脑主机32通过PCI运动控制卡33发出三维运动平台5的控制信号，带动混合喷嘴11运动，同时来自电动空压机19的高压气流由混合喷嘴11吹出，清理坑槽内杂物；接着，喷洒一层来自电动沥青泵16的乳化沥青作为粘接剂；然后，带动混合喷嘴11逐层遍历坑槽内部，同时电动沥青泵16输送的乳化沥青和电动风机18输送的集料，在混合喷嘴11中均匀混合，并高速的喷入坑槽中进行修补；最后，三维运动平台5带动混合喷嘴11，在修补后的坑槽表面喷洒一层干集料作为保护层。

三维运动平台5带动混合喷嘴11运动时，用于送料的集料管道13和乳化沥青管道12通过摇臂总成61的吊环619固定，以减轻三维运动平台5的负重；同时摇臂总成61可通过转轴614转动，并可通过第一节臂616和第二节臂617伸缩，保证三维运动平台5的顺利动作。此外，为了研究混合喷嘴11离地高度对于喷洒参数的影响，三维运动平台5的离地高度可由升降支腿总成64进行调节，具体通过手摇轮642带动升降齿箱643与螺纹支腿644的相对运动，进而调节与升降齿箱643上平面焊接的第二支腿连接板641的离地高度。