一种桥墩检测用行走机构和行走方法与流程

本发明涉及桥梁自动检测技术领域，特别是涉及一种桥墩检测用行走机构和行走方法。

背景技术：

随着高速铁路的迅速发展，截止2018年底，中国高速铁路营业里程已达2.9万公里，占全世界总里程的超过2/3，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家；而且由于我国高铁技术的出口，世界性的高铁也在不断的扩张，成为了当今一个主要的发展途径。在高铁的建设过程中，为了保障高铁路基的稳固，高铁桥梁在高铁中得到大量的应用，现在高铁桥梁的主要特点是：桥梁占线路比例大，多跨高架、长桥、大跨度桥梁多；设计时速300km、350km的客运专线桥梁全部采用无砟轨道；采用跨度桥梁以等跨布置的32米双线整孔预应力混凝土简支箱梁为主型结构，少量配置24米简支箱梁。桥梁作为高速列车运行轨道的载体，为确保高铁客用专线高速运行的安全性、平稳性和乘车舒适性要求，必须具有高平顺性、高稳定性和高可靠性。由于桥梁隐患所带来的交通事故，往往是车毁人亡的恶性事故，因此不断提升高铁桥梁的检测、养护、维修的手段和设备，显得更加重要和紧迫。

现有的检测方式包括：

(一)搭建脚手架、桥梁检测车等人工检测方式。

目前国内大部分桥梁的检测方式为搭建脚手架、高空作业平台和桥梁检测车等人工检测方式。对于一般的高度较低的公路桥梁，可以采用搭建简易脚手架或者是划船等，并用人工检测的方式进行检测。如果是高度较高则需要借助工程机械——桥梁检测车进行人工检测；但人工检测方式存在以下问题：

①存在严重的安全隐患

在此种桥梁检测过程中，如果检测车一旦出现问题后工作人员存在很大的人身风险。为了保证工人的安全，一般采用低速检测的方式，这就导致了工作效率低下的问题。

②机动性差、检测手段落后

对于在水面上的桥梁，则一般采取在水面上的船只上搭设支架的方式展开桥梁检测作业。还有一些由于辅助工具的高度有限、不便于携带接近、作业比较危险，就很难找到合适的方式解决桥梁检测问题。

③成本高、耗时长

由于桥梁检测工作中需要搭设脚手架，脚手架虽然可以检测到大部分关键的部件，但是搭设一次脚手架需要的资金往往约占桥梁检测总资金的80％，而且脚手架从前期的施工准备到搭设完成再到最后完成检测作业后的拆除，这整个周期需要较长的时间，通过这种方式展开的桥梁检测作业，没有办法保证效率。桥梁车等大型设备虽然可以保证检测效果，但是不适合经常检查，首先检测车存有量少，再者购买和租用的成本高，使得使用率低。

④妨碍公共交通、安全性较小

不管是搭设脚手架的方式还是通过桥梁检测车展开的桥梁检测作业，必定会对公共交通运行和航道通航产生一定的影响。由于作业周期长，还有的检测车检测时需要占用道路甚是封路，极易造成航道和道路交通堵塞。此外，考虑到施工质量和检测环境等，检测作业也存在一定的危险性。

⑤检测范围小

由于不同的桥梁环境和搭设脚手架等各方面的限制，目前的检测方式很难对被检测的桥梁的所有部分都开展有效检测，只能进行局部的检测，这使得检测人员不能全面的了解被检测桥梁的实际情况，从而影响桥梁质量的评估和后期的维护工作。

(二)爬壁机器人

对于一些新型的一些检测方法大都采用的是机器人检测，以减少成本以及降低危险性，从而提高工作效率。其中应用比较广泛的有爬壁机器人、无人机等。爬壁机器人是科学家以壁虎为研究对象研制出的仿生机器人，不仅可以在地面快速运动，而且还能吸附在垂直壁面、天花板面等不同法平面进行灵活工作，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来。

各类型爬壁机器人具有以下的缺陷：

①吸附式机器人对吸附表面要求高

由于桥梁检测需要检测桥梁底面的部分，我们需要有一点的承重能力及灵活性，而爬壁机器人对于壁面的凹凸性、壁面材料等都有一定的要求，如真空吸附法具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；

②磁吸附爬壁机器人要求导磁材料的应用环境。

磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

③越障能力低，且工作速度慢

吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。

(三)无人机桥梁检测

随着航拍技术、遥感技术的不断发展，无人机应用更多地渗透到各行各业。无人飞行器可分许多类别，其中无人多旋翼飞行器因结构简单、价格相对低廉，可应用于公路桥梁检测、线路巡检等领域。但是其检测过程受到很多方面的影响：梁体狭小空间处无法检测，存在检测盲区，续航能力一般，承重能力小，不能携带大量检测设备，控制难度大，工作环境受天气影响大，检测过程需要考虑日照方向、风速、天气状况等。

综上所述，桥梁检测迫切需要一种高效率、低成本、简单方便、系统化的解决方案。根据桥梁检测的任务要求，并考虑到实际工作中可能面临的问题，本专利提出了一种高效实用、简单方便的桥墩检测用行走机构及行走方法。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种高效实用、简单方便的桥墩检测用行走机构及行走方法，具有自动化程度高、检测全面的特点。

本发明提供了一种桥墩检测用行走机构，包括用牵引绳连接的围绕桥墩的若干牵引车，所述牵引车包括车座、安装在车座底部且设有胎压传感器的行走轮、驱动行走轮移动的驱动机构、控制牵引绳收放的牵引绳控制件和控制单元，所述控制单元和胎压传感器、牵引绳控制件、驱动机构电连接，所述胎压传感器发送压力信号给控制单元，所述控制单元根据压力值的大小控制牵引绳控制件和驱动机构，以保证牵引车能在桥墩上行走。

进一步地，本发明还包括控制行走轮移动方向的转向机构，所述转向机构和控制单元电连接。

进一步地，本发明还包括围绕并贴合桥墩的支撑车，支撑车通过牵引绳和牵引车连接。

进一步地，所述牵引绳控制件包括电机、和电机的传动轴连接并缠绕有牵引绳的转筒以及扭矩传感器，扭矩传感器和控制单元电连接。

进一步地，本发明还包括用于检测牵引车运动状态的测量单元。

进一步地，所述牵引车至少有2个，且对称分布。

进一步地，所述相邻的支撑车通过连接绳连接。

进一步地，所述转筒有2个。

本发明还提供了一种桥墩检测用行走机构的行走方法，包括以下步骤，将牵引车和牵引绳围绕桥墩安装，牵引绳控制件控制牵引绳收紧，当胎压传感器检测到的压力值处于预设范围内时，停止收紧牵引绳，驱动机构驱动行走轮移动。

进一步地，所述的行走方法中，所述桥墩检测用行走机构还包括围绕并贴合桥墩的支撑车，支撑车通过牵引绳和牵引车连接；所述驱动机构驱动行走轮移动时，牵引绳控制件控制牵引绳放绳，牵引绳放绳的速度和行走轮移动速度相匹配，以保证牵引车能在桥墩上移动，待牵引车待测水平位置以上或者以下时，牵引车停止移动，牵引绳控制件收绳，拉动支撑车移动到待测水平位置，然后驱动牵引车反向移动，同时牵引绳控制件控制牵引绳收绳，牵引绳放绳的速度和行走轮移动速度相匹配，以保证牵引车能在桥墩上移动。

本发明相对于现有技术，其优点在于：

1、本发明包括用牵引绳连接的围绕桥墩的若干牵引车，牵引车抵接桥墩，牵引绳提供使牵引车支撑在桥墩壁面的作用力，保持所以牵引车在同一检测面不发生偏移，同时多个牵引车的使用避免了绳索对桥墩壁面的伤害；牵引车上设有驱动行走轮运动的驱动机构和控制牵引绳收放的牵引绳控制件，驱动机构提供本发明运动的动力，牵引绳控制件控制牵引绳收放进而控制本发明贴合桥墩壁面时的作用力，保证了本发明能够在桥墩壁面稳定的自由移动，减少测量过程中的误差，保证装置工作过程的稳定性，相对于现有的桥墩检测用行走机构，避免了另外设置单独设置驱动装置，也无需对桥梁预制或加装桁架式悬臂、固定机构、轨道机构、卷扬机、吊篮装置等结构，减少了因安装监测装置对桥梁的二次损伤，结构简单，操作方便；本发明的行走轮设有胎压传感器，控制单元可以根据胎压传感器反馈的压力值控制牵引绳控制件对牵引绳的收放以及对驱动机构进行控制，保证驱动机构产生的驱动力大于本发明的重力和摩擦力，保证本发明始终贴合桥墩壁面，运行过程稳定，自动化程度高。

2、本发明牵引车包括控制行走轮前进方向的转向机构，转向机构与控制单元连接，本发明工作过程中，本发明可以根据牵引车运动的情况，对行走轮进行转向操作，控制本发明进行水平运动或者垂直运动，相比于现有的检测装置只能进行升降检测，本发明还能进行水平检测，且检测过程控制方便、稳定性强、检测结果更为全面，减少了人工操作，节约了人工成本。

3、本发明还包括围绕并贴合桥墩的支撑车，支撑车通过牵引绳和牵引车连接，在避免避免了绳索对桥墩壁面的造成伤害的情况下，减少了生产成本，保证了本发明的温度运行，支撑车设有使移动方向自由转换的球绞结构，支撑车可以根据牵引车的移动方向变化而进行转化，运行稳定，检测全面。

4、本发明牵引绳控制件包括电机、和电机的传动轴连接并缠绕有牵引绳的转筒以及扭矩传感器，扭矩传感器和控制单元电连接，所述扭矩传感器可以检测牵引绳受到的扭矩，既可以对牵引绳所受到的扭矩进行量化处理，又能根据扭矩的变化判断本发明在行走过程中是否受到障碍物，从而使控制单元根据扭矩变化控制驱动机构和牵引绳控制件加大或减小工作功率，让本发明不受桥墩壁面材料和凹凸的限制，适应性强。

附图说明

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。

图1为本发明工作示意图。

图2为本发明部件4结构示意图。

图3为本发明a处放大示意图。

图4为本发明b处放大示意图。

图5为本发明控制部分连接关系图

图6为本发明实施例一控制流程图。

图7为本发明实施例二控制流程图。

在图中，1地基，2桥墩，3支撑车，4牵引车，41车座，42牵引绳控制件，43转筒，44测量单元，45控制单元，46行走轮，47转向机构，48胎压传感器，49驱动机构，5牵引绳，6连接绳。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明提供了一种桥墩检测用行走机构，包括用牵引绳5连接的围绕桥墩2的若干牵引车4，所述桥墩2安装在地基1上，所述牵引车4包括车座41、安装在车座41底部且设有胎压传感器48的行走轮46、驱动行走轮46移动的驱动机构49、控制牵引绳5收放的牵引绳控制件42和控制单元45，所述控制单元45和胎压传感器48、牵引绳控制件42、驱动机构49电连接，所述胎压传感器48发送压力信号给控制单元45，所述控制单元45根据压力值的大小控制牵引绳控制件42和驱动机构49，以保证牵引车4能在桥墩2上行走。

本发明包括用牵引绳5连接的围绕桥墩2的若干牵引4车，牵引车4抵接桥墩2，牵引绳5提供使牵引车4支撑在桥墩2壁面的作用力，保持所以牵引车4在同一检测面不发生偏移，同时多个牵引车4的使用避免了绳索对桥墩2壁面的伤害；牵引车4上设有驱动行走轮46运动的驱动机构49和控制牵引绳5收放的牵引绳控制件42，驱动机构49提供本发明运动的动力，牵引绳控制件42控制牵引绳5收放进而控制本发明贴合桥墩2壁面时的作用力，保证了本发明能够在桥墩2壁面稳定的自由移动，减少测量过程中的误差，保证装置工作过程的稳定性，相对于现有的桥墩检测用行走机构，避免了另外设置单独设置驱动装置，也无需对桥梁预制或加装桁架式悬臂、固定机构、轨道机构、卷扬机、吊篮装置等结构，减少了因安装监测装置对桥梁的二次损伤，结构简单，操作方便；本发明的行走轮46设有胎压传感器48，控制单元45可以根据胎压传感器48反馈的压力值控制牵引绳控制件42对牵引绳5的收放以及对驱动机构49进行控制，保证驱动机构49产生的驱动力大于本发明的重力和摩擦力，保证本发明始终贴合桥墩壁面，运行过程稳定，自动化程度高。

本发明还包括控制行走轮46移动方向的转向机构47，所述转向机构47和控制单元45电连接。

本发明转向机构47与驱动机构49固定连接，驱动机构49的传动轴上安装有行走轮46，使本发明结构设计更为合理，避免转向机构47影响驱动机构49。

本发明牵引车包括控制行走轮46前进方向的转向机构47，转向机构47与控制单元45连接，本发明工作过程中，本发明可以根据牵引车46运动的情况，对行走轮46进行转向操作，控制本发明进行水平运动或者垂直运动，相比于现有的检测装置只能进行升降检测，本发明还能进行水平检测，且检测过程控制方便、稳定性强、检测结果更为全面，减少了人工操作，节约了人工成本。

本发明还包括围绕并贴合桥墩2的支撑车3，支撑车3通过牵引绳5和牵引车4连接。

本发明支撑车3包括包括车轮、用于安装车轮的安装架以及用于连接安装架的车架，所述安装架与车架的连接方式为球绞结构，所述球绞结构包括设在车架上的半球面凹槽以及设在安装架端部且与半球面凹槽相匹配的球体，所述安装架具有缓冲功能，当支撑车3运动过程中，通过安装架的缓冲功能，可以减少桥墩2壁面对本发明的支撑车3的摩擦力。

本发明还包括围绕并贴合桥墩2的支撑车3，支撑车3通过牵引绳5和牵引车4连接，在避免避免了绳索对桥墩壁面的造成伤害的情况下，减少了生产成本，保证了本发明的温度运行，支撑车3设有使移动方向自由转换的球绞结构，支撑车3可以根据牵引车4的移动方向变化而进行转化，运行稳定，检测全面。

所述牵引绳控制件42包括电机、和电机的传动轴连接并缠绕有牵引绳5的转筒43以及扭矩传感器，扭矩传感器和控制单元45电连接。

本发明牵引绳控制件42包括电机、和电机的传动轴连接并缠绕有牵引绳5的转筒43以及扭矩传感器，扭矩传感器和控制单元45电连接，所述扭矩传感器可以检测牵引绳5受到的扭矩，既可以对牵引绳5所受到的扭矩进行量化检测，又能根据扭矩的变化判断本发明在行走过程中是否受到障碍物，从而使控制单元45根据扭矩变化控制驱动机构49和牵引绳控制件42加大或减小工作功率，让本发明不受桥墩2壁面材料和凹凸的限制，适应性强。

本发明还包括用于检测牵引车4运动状态的测量单元44。

所述测量单元44包括激光测距传感器、惯性测量单元、水深传感器、光电里程计或卫星定位接收单元中的至少一种，激光测距测距传感器，用于确定车体距离地面或水面的距离；惯性测量单元，用于测量车体的运动状态，进而方便控制单元45控制本发明的移动；水深传感器，在水下作业检查时，用于确定车体离水面的距离；光电里程计，用于记录车体运动路径及距离；卫星定位接收单元，用于收集检测桥墩的卫星定位信息，以上测量器件均属于现有技术，本领域技术人员可以根据实际需求选择市售器件。

所述牵引车4至少有2个，且对称分布，使本发明工作过程中各部分受力均匀，有利于提高本发明的稳定性，保证贴合桥墩2壁面。

所述相邻的支撑车3通过连接绳6连接，本发明的工作人员可以根据需要在牵引车4之间设置1个或者多个支撑车3，保持本发明结构更为紧凑，减少成本。

所述转筒43有2个，有利于分别对两侧的牵引绳5进行缠绕，方便单独控制。

所述牵引车4设有进行视频监控的高清防水摄像头，保障既能完成水面以上桥墩壁面视频监控又能完成水面以下桥墩壁面视频监控，有利于检测人员更为直观的获取检测结果，本发明中的桥墩2壁面检测装置属于现有技术，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的桥墩2壁面检测装置，桥墩2壁面的检测装置包括但不限于高清防水摄像头。

所述测量单元44与用于将传输数据至云端计算中心的本地监控终端连接，本地监控终端具有现实功能，便于进行数据处理以及数据显示，便于检测维护人员进行后续工作。

本发明还提供了一种桥墩检测用行走机构的行走方法，包括以下步骤，将牵引车4和牵引绳5围绕桥墩2安装，牵引绳控制件42控制牵引绳5收紧，当胎压传感器48检测到的压力值处于预设范围内时，停止收紧牵引绳5，驱动机构49驱动行走轮46移动。

本发明中胎压传感器48的预设范围的获取，只需保证驱动机构49产生的驱动力大于本发明自身的重力加上本发明在桥墩2壁面所受的摩擦力即可，其中本发明在桥墩2壁面上所受的摩擦力由胎压传感器48所检测的压力和桥墩2壁面与行走轮46之间的摩擦系数确定，本领域技术人员可以根据牵引车的行走轮轮胎宽度、车体尺寸、车体质量以及壁面材质获得，也可以根据有限的实验次数获得，属于本领域技术人员的常规技术手段。

所述的行走方法中，所述桥墩检测用行走机构还包括围绕并贴合桥墩2的支撑车3，支撑车3通过牵引绳5和牵引车4连接；所述驱动机构49驱动行走轮46移动时，牵引绳控制件42控制牵引绳5放绳，牵引绳5放绳的速度和行走轮46移动速度相匹配，以保证牵引车4能在桥墩上移动，待牵引车4待测水平位置以上或者以下时，牵引车4停止移动，牵引绳控制件42收绳，拉动支撑车3移动到待测水平位置，然后驱动牵引车4反向移动，同时牵引绳控制件42控制牵引绳5收绳，牵引绳5放绳的速度和行走轮46移动速度相匹配，以保证牵引车4能在桥墩2上移动。

如图5所示，本发明控制单元45分别与牵引绳控制件42、测量单元44、转向机构47、胎压传感器48以及驱动机构49电连接，胎压传感器48将牵引车4与桥墩2壁面间的压力值反馈给控制单元45，进而控制单元45控制牵引绳控制件42与驱动机构49的启停；测量单元44检测牵引车4的运动状态并反馈给控制单元45，控制单元45根据测量单元44反馈的牵引车4运动状态判断是否启动转向机构47进行转向操作，同时控制单元45根据牵引车4运动状态判断牵引车4是否完成位移，使控制单元45也能控制牵引绳控制件42与驱动机构49停止。

实施例一

如图6所示，本发明在桥墩上的检测步骤包括：

s01：将牵引车4和牵引绳5围绕桥墩2安装，牵引绳控制件42控制牵引绳5收紧；

s02：胎压传感器48检测到牵引车4与桥墩2壁面间的压力值，并将压力值信息反馈给控制单元45，控制单元45判断胎压传感器48检测到的压力值是否处于预设范围内，如果是则转到步骤s03，如果不是则牵引绳控制件42继续控制牵引绳5收放；

s03：控制单元45控制驱动机构49启动，并控制牵引绳控制件42停止工作，驱动机构49驱动行走轮46移动；

s04：在行走轮46移动过程中，完成对桥墩2壁面的数据采集，控制单元45持续接收胎压传感器48检测到的压力值，并判断胎压传感器48检测到的压力值是否处于预设范围内，根据判断结果转到步骤s05；

s05：若胎压传感器48检测到的压力值处于预设范围内，则驱动机构49继续驱动行走轮46移动，若胎压传感器48检测到的压力值不处于预设范围内，则控制单元45控制驱动机构49停止，并将采集到的数据通过实时显示的本地监视终端上传至云计算中心进行数据处理；

s06：调整牵引车4的安装位置，重复步骤s01、s02、s03、s04和s05，完成对整个桥墩2的检测。

实施例二

如图7所示，本发明在桥墩上的检测步骤包括：

s1：牵引车4与支撑车3围绕桥墩2放置，牵引车4对称分布与桥墩2同水平壁面，支撑车3位于牵引车4之间且通过牵引绳5与牵引车4连接，相邻支撑车3之间通过连接绳6连接，牵引绳控制件42控制牵引绳5收紧，使牵引车4与支撑车3逐渐紧贴桥墩2壁面；

s2：胎压传感器48检测到牵引车4与桥墩2壁面间的压力值，并将压力值信息反馈给控制单元45，控制单元45判断胎压传感器48检测到的压力值是否处于预设范围内，如果是则转到步骤s3，如果不是则牵引绳控制件42继续控制牵引绳5收放；

s3：测量单元44检测牵引车4的运动状态信息，并将相关运动状态信息反馈给控制单元45，控制单元45根据测量单元44检测的运动状态信息判断转向机构47是否进行转向操作，如果是则转到步骤s4，如果不是则转到步骤s5；

s4：控制单元45控制转向机构47进行转向操作后进行步骤s5的操作；

s5：控制单元45根据测量单元44检测的运动状态信息判断牵引车4的运动方向是否为水平运动，并根据判断结果跳转到步骤s6；

s6：当牵引车4的运动方向为水平运动时，控制单元45控制驱动机构49启动，使牵引车4绕桥墩2运动，且在此过程中完成对桥墩2壁面的数据采集，当牵引车4的运动方向为垂直运动时，控制单元45控制驱动机构49和牵引绳控制件42启动，驱动机构49驱动行走轮46移动，牵引绳控制件42控制牵引绳5放绳，牵引绳5放绳的速度和行走轮46移动速度相匹配，以保证牵引车4能在桥墩上移动，待牵引车4待测水平位置以上或者以下时，牵引车4停止移动，牵引绳控制件42收绳，拉动支撑车3移动到待测水平位置，然后驱动牵引车4反向移动，同时牵引绳控制件42控制牵引绳5收绳，牵引绳5放绳的速度和行走轮46移动速度相匹配，以保证牵引车4能在桥墩2上移动，待牵引车4重新移动到待测水平位置，牵引车4停止移动，完成本发明在桥墩2上的垂直移动；

s7：控制单元45根据根据测量单元44检测的运动状态信息判断牵引车4是否完成在桥墩2上的位移，如果是则转到步骤s8，如果不是，则重复步骤s2的后续步骤；

s8：控制单元控制45控制驱动机构49和牵引绳控制件42停止，完成整个桥墩2的测量，将采集到的数据通过实时显示的本地监视终端上传至云计算中心进行数据处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。