一种用于地下工程的自动检测标记和修复装置及方法与流程

[0001]
本发明属于地下工程病害检测和修复技术领域，尤其涉及一种用于地下工程的自动检测标记和修复装置及方法。


背景技术：

[0002]
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003]
随着中国隧道、管廊等地下工程大量建成并投入运行，其运营期间地下工程结构的安全性问题也越发凸显，在地下工程的长期运行过程中，受自然因素的、人为因素、施工材料等多种因素的影响，地下工程结构会受到衬砌结构开裂、渗水等各种结构性表观病害与损伤，这些结构病害如不能及时检测出来并修复，将严重影响地下工程的实用寿命，会造成巨大的安全隐患。伴随着已运营的地下工程数量逐渐增多，传统的采用人工检测、人工修复的方式以难以满足其高效率、低成本运维需求，针对地下工程结构病害的自动检测与修复技术，实现结构病害检测、病害区域标记、自动修复的机器人化已成为必然趋势。
[0004]
目前主要采用对地下工程结构病害进行检测、标记、修复技术主要存在以下问题：目前修复机器人仅能对桥梁路面等简单的道路进行修复，无法适应大型地下工程的复杂环境，对地下工程结构表面进行修复的方式还处于人工修复的阶段，存在效率较慢、精度较差、人工成本较高的缺点；并且，检测、标记、修复等工序需分别采用实现相应功能的设备设备的集成度较低，无法实现多个设备协同合作；而地下工程机器人的应用仅处于巡检阶段，不具备自动修复的能力。


技术实现要素：

[0005]
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于地下工程的自动检测标记和修复装置及方法，所述装置通过将病害检测装置、标记物喷涂装置以及病害修复装置集成于同一壳体外部或内部，集成化自动化程度高，能够实现地下工程病害的检测、标记和修复工作。
[0006]
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0007]
一种用于地下工程的自动检测标记和修复装置，包括：壳体，通过固定底座连接于机械臂工作端，所述壳体上设有病害检测装置、标记物喷涂装置和病害修复装置；
[0008]
所述病害检测装置、标记物喷涂装置和病害修复装置均与总控制器连接；总控制器接收到病害检测装置检测到病害信息后，控制标记物喷涂装置标记病害；然后控制病害修复装置根据标记对病害进行修复操作。
[0009]
一个或多个实施例提供了一种基于所述装置的自动检测标记和修复方法，包括：
[0010]
s1.接收关于检测区域和检测路径的设定，初始化机械臂；
[0011]
s2.实时接收固定底座两端的激光测距传感器所测距离，调整机械臂姿态，使固定底座与被测表面平行，且距离在设定范围内；
[0012]
s3.实时接收病害检测装置/病害修复装置上的激光测距传感器所测距离，调整固定底座与被测表面之间的距离，使病害检测装置/病害修复装置与被测表面之间的距离在预设范围内；
[0013]
s4.执行病害检测，实时接收病害检测装置传输的检测信息，若没有检测到病害，执行步骤s5；若检测到病害，则控制标记物喷涂装置标记病害，然后控制病害修复装置根据标记进行修复操作，修复完成后执行步骤s5；
[0014]
s5.根据预设检测路径移动到下一检测位置，重复步骤s4，且检测过程根据步骤s2和s3进行位置调整，直至完成整个检测区域的修复。
[0015]
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0016]
通过将病害检测、标记和修复设备通过壳体集成，实现了病害检测、标记和修复设备的一体化，该一体化设备设于机器人机械臂端部，实现了底下工程病害检测、标记和修复多工序的自动完成。
[0017]
通过实时监测固定底座、病害检测装置、病害修复装置上设置的激光测距传感器，实现对自动检测标记和修复姿态的控制，保证病害检测、标记和修复过程中设备自身的安全，以及后续修复工作的精度。
附图说明
[0018]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0019]
图1为本发明实施例中自动检测标记和修复装置的整体结构示意图；
[0020]
图2为本发明实施例中检测标记修复装置展开时的示意图；
[0021]
图3为本发明实施例中检测标记修复装置折叠时的示意图；
[0022]
图4为本发明实施例中吸盘固定装置与喷涂装置连接示意图；
[0023]
图5为本发明实施例中自动检测标记和修复装置的控制流程示意图；
[0024]
其中，1巡检机器人；2可伸缩机械臂；3固定底座；4病害检测装置；5病害修复装置；6修复固定装置；7标记物喷涂装置；8总控制器，9避障监控装置；3-1激光测距传感器；4-1超声探测线阵换能器探头；4-2半圆旋转转轴；4-3可伸缩支架；5-1可伸缩连接杆；5-2喷涂填充修复喷头；5-3轴向运动电机；5-4精度抗反光的高速摄像头；6-1真空吸盘的吸孔；7-1环形导轨；7-2应变弹簧；7-3标记物喷嘴；7-4距离编码器。
具体实施方式
[0025]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0026]
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发明的示例性实施方式。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。
[0027]
所使用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，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。本申请中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0028]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0029]
实施例一
[0030]
本实施例公开了一种用于地下工程的自动检测标记和修复装置，如图1-4，所述装置设于地下工程巡检机器人1的可伸缩机械臂2末端，如图1所示，包括：与机械臂2连接的固定底座3，以及连接在所述固定底座3上的壳体，所述壳体用于安装病害检测装置4、病害修复装置5、修复固定装置6、标记物喷涂装置7和避障监控装置9。其中，病害检测装置4连接于所述壳体外部，修复固定装置6和标记物喷涂装置7设于所述壳体上表面，病害修复装置5设于所述壳体内部，避障监控装置9设于所述壳体外表面。并且，所述病害检测装置4、病害修复装置5、修复固定装置6、标记物喷涂装置7和避障监控装置9均与总控制器8连接。本实施例中，壳体与所述检测修复装置固定底座3之间均通过法兰固定连接。
[0031]
所述固定底座3两端均设有激光测距传感器3-1，用于判断固定底座是否平行于被测表面。
[0032]
所述病害检测装置4包括包括两组相控阵超声探测线阵换能器探头，分别通过支架连接于壳体相对的两个侧面；其中，每组包括依次连接的至少两段探头。本实施例中，每组分别包括两段相控阵超声探测线阵换能器探头4-1，其中，第一段探头与第二段探头旋转连接，第一段探头与第一支架旋转连接，第一支架远离第一段探头的端部连接于壳体的一个侧面；第三段探头与第四段探头旋转连接，第四段探头与第二支架旋转连接，第二支架远离第四段探头的端部连接于壳体的另一个侧面，上述两个侧面为相对的两个侧面。本实施例中通过采用多段超声探测器线阵换能器探头的形式，能够准确测量裂缝的深度，精确的病害量测有利于保证后续修复的准确性。
[0033]
具体地，第一支架和第二支架均平行于与其连接的壳体侧面，均为可伸缩支架4-3，且可伸缩支架不伸出的状态下，与第一探头/第四探头连接的一端高出壳体上表面。以上旋转连接均是采用半圆旋转转轴4-2，并通过减速机控制旋转角度，且转轴上均设有扭矩传感器，保证旋转的精准控制。
[0034]
上述的半圆形旋转转轴、减速机、可伸缩支架、扭矩传感器、相控阵超声探测器线阵换能器探头均连接控制器，控制器根据实时传递回的距离和转矩信息，可以在一定范围内调整相控阵超声探测器线阵换能器探头与衬砌表面的距离和展开角度。所述病害检测装置在展开状态下环绕在壳体的上表面外侧，折叠状态下，第一段探头与第二段探头和第三段探头与第四段探头分别折叠于壳体两侧，如图3所示，保障了装置在工作状态和非工作状态下时均尽可能节省空间。
[0035]
所述病害修复装置5设于壳体内部，包括填充修复设备固定底座，所述填充修复设
备固定底座与壳体上表面平行。所述壳体内部相对的两个侧面分别设有一齿条；所述填充修复设备固定底座两端分别设有一个齿轮，与两个齿条分别相啮合，使得填充修复设备固定底座能够带动填充修复设备上下运动。所述填充修复设备包括可伸缩连接杆5-1、喷涂填充修复喷头5-2、十字交叉光标、轴向运动电机5-3、精度抗反光的高速摄像头5-4、储料槽，可伸缩连接杆5-1与喷涂填充修复喷头5-2连接，高精度抗反光的高速摄像头安装在可伸缩连接杆的一侧，与喷涂填充修复喷头保持平行的方向，能够跟随填充喷头一起运动。所述壳体上表面开口，开口大小保证能够完成修复工作。
[0036]
所述固定底座3与壳体下表面之间的空腔内设有储料槽，用于存储喷涂修复所需的材料，以及标记物喷涂装置所需的材料。储料槽端部还设有挤压装置，与总控制器8连接，开始修复任务时，控制挤压装置向喷头挤压材料。上述齿轮和可伸缩连接杆5-1的驱动装置均与总控制器连接。本实施例中，可伸缩连接杆5-1由轴向运动电机驱动。可伸缩的连接杆与喷涂修复喷嘴连接，可以实现喷嘴在纵向的少量位移，修复微型喷头在十字型的喷头架构方式和修复装置壳体内部相对的两个侧面分别设有齿轮导轨动，可以实现在三个维度的平稳运动。上述齿轮均连接驱动电机，驱动电机与总控制器连接。
[0037]
高精度抗反光的高速摄像头安装在可伸缩连接杆的一侧，与喷涂填充修复喷头保持平行的方向，能够跟随填充喷头一起运动，结合检测装置上传到服务器的病害的位置深度等数据信息，再深度学习的caltag识别算法，可以使得喷涂填充修复喷头准确地实现定点修复，其中在进行修复过程时，可折叠检测装置进行折叠收缩，吸盘固定装置进行吸附固定，实现了检测病害、标记病害、修复病害这几个步骤相互配合的功能。所述的高精度抗反光高速摄像机5-5用于修复过程中校准修复喷头的位置的作用。结合深度学习的caltag识别算法，可以实现喷涂填充修复喷头准确地实现定点修复，大大提高了设备的修复精度和效率，上述的装置的联动能够更好地根据系统传回来的裂缝等缺陷的大小尺寸进行精准的修复。
[0038]
所述修复固定装置6设于壳体上表面，包括真空泵和环形吸盘；真空泵与总控制器连接。所述吸盘固定装置6用于在进行喷涂填充修复时固定病害修复装置，保证修复装置在修复过程中装置的稳定运行，保证修复精度。其中，所述环形吸盘的大小保证不会对填充修复工作造成遮挡。
[0039]
所述的标记物喷涂装置7包括环形导轨7-1、导轨电机、标记物喷嘴7-3、应变弹簧7-2、储料槽、喷涂管道。其中，环形导轨7-1设于壳体上表面，导轨电机安装在环形导轨的内侧，标记物喷嘴通过连接法兰和应变弹簧7-2与导轨电机相连，从而实现标记物喷嘴7-3能随着导轨电机在环形导轨上运动。其中应变弹簧一端连接导轨电机，另一端连接标记物喷嘴，可以实现在吸盘吸附时喷头收缩，从而不影响吸盘的吸附。导轨电机与导轨的接触点处设有距离编码器，可以实时测量对在导轨上的标记物喷嘴的位置。标记物喷涂装置喷头上还连接激光测距传感器，用于可以测得喷头距离被测区域的距离。
[0040]
喷涂管道一端连接储料槽，另一端连接环形喷涂通道，所述储料槽也设于固定底座3与壳体下表面之间的空腔内。标记物喷嘴上设有电磁阀，电磁阀与总控制器连接，通过控制电磁阀的开合实现标记物喷涂装置的喷涂。所述环形喷涂通道的大小保证不会对无损检测设备的检测造成遮挡。
[0041]
环形导轨设于环形修复固定装置的内径上，修复固定装置的高度满足不影响标记
物喷嘴工作即可，作为一种实现方式，环形导轨和修复固定装置均直接连接在壳体端部，且环形导轨在修复固定装置内侧。此安装方式可以实现检测与标记能够同步进行并且不影响修复时固定。
[0042]
病害修复装置也采用基于碳纤维的轻量化壳体设计，基于碳纤维的轻量化壳体内包含用于安装修复设备的修复设备固定底座，修复设备固定底座上修复微型喷头在十字型的喷头架构方式和壳体内部相对的两个侧面分别设有齿轮导轨动可以实现在三个维度的平稳运动；且，修复设备设有可伸缩杆，保证了修复设备能够灵活移动，适应不用形状的病害修复
[0043]
本实施例中，通过壳体实现病害检测、标记和修复的集成，具体地，病害检测装置连接于壳体侧面；壳体端部分别设有环形的修复固定装置和用于连接标记物喷头的环形导轨，且修复固定装置和环形导轨的内径大小不同；病害修复装置设于壳体内部，通过环形修复固定装置和环形导轨中的空余空间伸出壳体进行修复工作，以上设置在实现了各设备集成的基础上，还保证了各个设备工作时不会互相干涉，并且最大限度上保证了设备的小型化，有利于设备的稳定运动。
[0044]
壳体外表面的侧面设有激光测距传感器阵列，用于监测壳体与被测表面之间的距离。激光测距传感器阵列可采用三角形或者菱形布设方式。三角形布设方式即在前进方向的侧面和前进方向左右的两个侧面安装激光测距传感器阵列；菱形布设方式即在壳体的四个侧面均安装激光测距传感器阵列。通过布设多个激光测距传感器，能够完整的判断一小块区域是否平整。完成的步骤是首先前进方向的激光传感器当检测到距离变化时，在判断中间的激光传感器是否有距离变化，从而可以判断是某一个点还是一个区域的凹凸不平。
[0045]
所述激光测距传感器阵列与总控制器连接，在设备运行过程中，实时将装置与被测表面之间的距离信息传输至控制器，控制器根据距离信息调整贴合装置与被测表面之间的相对距离，保证在贴合装置始终与被测表面贴合的前提下装置的安全。
[0046]
所述避障监控装置9设于壳体外表面，包括监控摄像头，拍摄方向朝向前进方向，实时拍摄前进过程中前方的表面图像，监测中前方表面信息并传输至控制器，控制器再结合数字高程地图(digital elevation map，dem)避障识别算法，实现对前方障碍物的预警和避障操作。
[0047]
壳体外部包裹基于碳纤维材料的保护外壳。
[0048]
所述的可折叠病害检测装置、喷涂填充修复装置、吸盘固定装置采用的材料，其中可折叠病害检测装置中的升降支撑台、病害修复装置的保护外壳采用轻量化碳纤维材料；在可折叠病害检测装置、吸盘固定装置以及喷涂修复装置的外壳上采用聚丙酯、聚乙烯等高强度轻量化材料，采用上述材料，可以大大降低自身的重量，使得机器人能够搭载更加重的检测设备。
[0049]
当总控制器8接收到可折叠病害检测装置4检测到的病害信息时，便实时控制标记物喷涂装置7对病害区域进行标记，最后根据标记进行修复，实现了检测、标记和修复为一体的功能。
[0050]
所述的控制器，接受来自机械臂姿态传感器、可折叠病害检测装置、检测修复设备固定底座、病害修复设备、喷涂装置上的激光测距传感器的信息，经过如下内置的工作方法如图5所示，控制整个系统的协调运行工作。
[0051]
s1.设定检测区域开始的位置以及检测范围，初始化整个运动系统，机械臂开始初始化。
[0052]
s2.检测修复标记装置上所有的激光测距传感器、姿态传感器、扭矩传感器将实时测量的信息传递给控制器。
[0053]
s3.装置固定底座两端的激光测距传感器传递回控制器距离信息，通过两端的距离是否在一定的范围内，判断两端是否是平行的。若两端的距离信息不在设定的范围内，则会调整机械臂，直至两端平行于被测区域的表面；若两端的距离信息在设定的范围内，则进行s4。
[0054]
s4.控制器根据病害修复装置上的激光测距传感器传递回的距离信息，机械臂进行调整，若传感器传递回的信息距离信息大于设定的距离范围，则将继续向着被测区域的表面进行运动，直至到达设定的距离范围内；若距离信息小于设定的距离范围，则向着远离被测区域表面的方向运动，直至到达设定的距离范围内，到达设定的距离范围内且底座两端平行时，则进行s5。
[0055]
s5.到达被测区域后可折叠病害检测装置开始展开，并对检测区域用相控阵超声进行病害的检测，若没有检测到缺陷，则移动机器人运动继续进行检测；若检测到缺陷，将检测到的病害信息上传到控制器，控制标记物喷涂装置开始对受损区域进行标注喷涂，进行s6。
[0056]
s6.可折叠病害检测装置开始收缩折叠，折叠完成后，吸盘固定装置开始吸附被测区域，修复装置上的高精度、抗反光智能摄像机实时检测修复装置是否在标记的受损区域内，若在不在受损区域内，则根据摄像机传回的图像结合caltag检测算法识别出病害位置，修复喷嘴向着标记区域运动，直到达到病害位置后结合相控阵超声检测装置传回来的病害数据信息进行喷涂填充修复；若在病害位置，再根据相控阵超声检测装置传回来的数据结合摄像机实时监控信息生成三维修复结构图，修复填充喷头按照生成的修复结构图，对受损区域进行填充修复。
[0057]
s7.对裂缝区域填充后，修复装置上的监控摄像头开始检测修复区域是否已经全部修复完毕，若全部修复完毕后，则进行s8,若仍然存在受损区域，则继续进行修复操作。
[0058]
s8.检测是否有中断按钮按下，如果没有中断按钮摁下，则继续s4；若由中断信号产生，则机器人停止检测，并折叠收回检测装置和修复装置。
[0059]
通过s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，s8的不断运行从而实现整个装置的自动贴合运行。
[0060]
上述设备能够实现检测的实时病害，检测到病害时同步进行标记操作。在标记完成后，便开始吸附修复，修复的位置与检测到病害的位置是同一位置，在修复过程中根据检测装置传递回的病害信息，可以更加准确的修复。
[0061]
以上一个或多个实施例具有以下技术效果：
[0062]
在检测时折叠病害检测装置展开沿着设定的检测区域进行检测，当发现病害时，标记物喷涂装置并会启动开始喷涂，喷涂完毕后可折叠病害并开始折叠收回，吸盘固定装置便会吸附，吸附完成后，修复装置并开始修复操作。通过将病害检测装置和病害修复装置设于同一固定底座上，实现了检测和修复喷涂融合为一体，自动化程度高，精度高；
[0063]
可折叠病害检测装置能够节约平台的空间，并且可以实现检测到了病害，实时的可以进行标记操作，这两块做成同步的。在修复过程中检测到了病害，便开始吸附修复，修
复的位置与检测到病害的位置是同一位置，在修复过程中根据检测装置传递回的病害信息，可以更加准确的修复；
[0064]
病害修复装置也采用基于碳纤维的轻量化壳体设计，基于碳纤维的轻量化壳体内包含用于安装修复设备的修复设备固定底座，修复设备固定底座上修复微型喷头在十字型的喷头架构方式和壳体内部相对的两个侧面分别设有齿轮导轨动可以实现在三个维度的平稳运动；，且，修复设备设有可伸缩杆，保证了修复设备能够灵活移动，适应不用形状的病害修复；
[0065]
病害修复装置上设有摄像头，能够在修复过程中实时判断喷涂是否对准待修复区域，并且结合病害信息，能够重构病害的内部三维结构，保障了修复精度。
[0066]
病害修复装置上还设有吸盘固定装置，保证了修复过程中装置的稳定性，提高了修复精度。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0068]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。