一种智能巡检机器人

1.本发明涉及轨道交通无损检测技术领域，具体而言，涉及一种智能巡检机器人。


背景技术：

2.铁路运输在全球范围内作为承担物资及人员交换的主要运输方式，大约承担全球的总货运量的70％和客运量的50％。随着电力机车的引进以及人们对铁路运输高速化的需求，高速铁路线路已成为轨道交通发展的重要方向。钢轨是铁路系统中重要部件之一，它在为车轮提供连续、平顺的滚动表面的同时，还承担着引导列车前进方向、承担全车载荷的作用。在交变载荷的作用下，钢轨通常出现轨头磨损以及各种滚动接触疲劳损伤。
3.钢轨的损伤会严重影响铁路的运行安全和服役可靠性，目前行业内通常采用人工配合检测设备的方式对铁轨进行定期的检查，以及时了解钢轨状态，并根据不同的损伤类型选择对应的维护修理措施。但是，现有的检测设备功能单一，在进行一次综合检测作业时，需要组织多种检测设备同时上道，对专业人员需求量大，而且检测效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种智能巡检机器人，其能够同时对钢轨的多种损伤进行智能化检测，检测效率高，且无需人工配合。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明实施例提供一种智能巡检机器人，包括本体模块、设置在本体模块上的控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，控制模块包括控制器和处理器，控制器分别与巡检模块、驱动模块和处理器连接；巡检模块在控制器的控制下驱动仿生腿模块行走，巡检模块在控制器的控制下对钢轨进行图像采集并将采集到的图像发送至控制器，控制器将图像发送至处理器，处理器根据图像分析钢轨的损伤。
7.可选地，巡检模块包括轮廓传感器和相机，轮廓传感器用于实时采集钢轨本体的三维轮廓图像，相机用于实时采集钢轨扣件的三维点云图像。
8.可选地，巡检模块还包括巡检数据处理器，巡检数据处理器分别与轮廓传感器、相机和控制器连接，巡检数据处理器用于对三维轮廓图像和三维点云图像进行预处理后发送至控制器。
9.可选地，仿生腿模块包括多个环绕本体模块均匀分布的折展机构和万向轮，折展机构的一端与本体模块连接、另一端与万向轮连接，驱动模块用于控制折展机构折叠或展开。
10.可选地，万向轮上设有与控制器连接的位移传感器，位移传感器用于实时测量万向轮与钢轨之间的距离，并将测量得到的距离数据发送至控制器。
11.可选地，驱动模块包括驱动电机和电机驱动板，电机驱动板分别与驱动电机和控制器连接，驱动电机与折展机构连接，控制器通过电机驱动板控制驱动电机。
12.可选地，驱动模块还包括升压板，升压板分别与电机驱动板和处理器连接，处理器
为升压板提供第一电压，升压板将第一电压升压为第二电压后提供给电机驱动板。
13.可选地，本体模块上还设有与控制模块连接的通信发射模块，通信发射模块用于与外界总控端进行数据传输与交互。
14.可选地，本体模块包括沿竖直方向依次设置的通信板、固定板和巡检板，控制模块设置在通信板上，仿生腿模块设置在固定板上，巡检模块设置在巡检板上。
15.可选地，轮廓传感器和相机均包括四个且一一对应，四个轮廓传感器呈矩形分布且相对的两个轮廓传感器的采集端背离设置，四个相机呈矩形分布且相对的两个相机的摄像头背离设置。
16.本发明实施例的有益效果包括：
17.本发明实施例提供的智能巡检机器人，包括本体模块、设置在本体模块上的控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，控制模块包括控制器和处理器，控制器分别与巡检模块、驱动模块和处理器连接；巡检模块在控制器的控制下驱动仿生腿模块行走，巡检模块在控制器的控制下对钢轨进行图像采集并将采集到的图像发送至控制器，控制器将图像发送至处理器，处理器根据图像分析钢轨的损伤。该智能巡检机器人，利用驱动模块实现行走，在行走过程中通过巡检模块获取沿途钢轨的图像，并将图像实时传输至处理器进行特征提取，分析钢轨的损伤类型及损伤程度，检测过程无需人工配合，且采集的图像能够记录钢轨的多种损伤，可通过处理器同时对多种损伤进行分析，检测效率较高。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1为本发明实施例提供的智能巡检机器人的结构示意图之一；
20.图2为本发明实施例提供的智能巡检机器人的结构示意图之二；
21.图3为本发明实施例提供的智能巡检机器人的结构示意图之三；
22.图4为本发明实施例提供的智能巡检机器人的控制原理逻辑图。
23.图标：100-智能巡检机器人；111-通信板；112-固定板；113-巡检板；114-连接柱；121-控制器；122-处理器；131-相机；132-巡检数据处理器；133-位移传感器；141-折展机构；142-万向轮；151-驱动电机；152-电机驱动板；153-升压板。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
29.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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相连。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。
30.请参照图1，本技术实施例提供一种智能巡检机器人100，包括本体模块、设置在本体模块上的控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，控制模块包括控制器121和处理器122，控制器121分别与巡检模块、驱动模块和处理器122连接；巡检模块在控制器121的控制下驱动仿生腿模块行走，巡检模块在控制器121的控制下对钢轨进行图像采集并将采集到的图像发送至控制器121，控制器121将图像发送至处理器122，处理器122根据图像分析钢轨的损伤。
31.该智能巡检机器人100适用于高速铁路的无线远程智能巡检。该智能巡检机器人100包括本体模块、控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块；本体模块作为基体，用于在其上固定安装其他模块；仿生腿模块在驱动模块的驱动下通过自身的形状变化带动本体模块移动，进而实现智能巡检机器人100沿钢轨的行走；巡检模块在智能巡检机器人100行走的过程中，在控制器121的控制下对沿途的钢轨进行图像采集，然后将采集到的图像通过控制器121发送给处理器122，处理器122内存储有巡检算法，利用巡检算法可提取图像中钢轨的损伤类型及损伤程度，其中，可经由图像提取到的损伤包括但不限于裂纹、划伤、凹坑、磨损、点蚀、刮擦、异物、钢轨掉块、变形。示例地，控制器121为微型计算机，处理器122为开发板。
32.需要说明的是，本实施例中对处理器122提取图像中钢轨损伤类型及损伤程度的巡检算法不作限定，只要其能够根据图像分析钢轨的损伤即可。
33.上述智能巡检机器人100，利用驱动模块实现行走，在行走过程中通过巡检模块获取沿途钢轨的图像，并将图像实时传输至处理器122进行特征提取，分析钢轨的损伤类型及损伤程度，检测过程无需人工配合，且采集的图像能够记录钢轨的多种损伤，可通过处理器122同时对多种损伤进行分析，检测效率较高。
34.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，巡检模块包括轮廓传感器和相机
131，轮廓传感器用于实时采集钢轨本体的三维轮廓图像，相机131用于实时采集钢轨扣件的三维点云图像。
35.钢轨包括多个依次首尾相接的钢轨本体以及连接在相邻的两个钢轨本体之间的钢轨扣件。轮廓传感器实时采集钢轨本体的三维轮廓图并通过控制器121发送至处理器122，相机131通过拍照实时采集钢轨扣件的三维点云图像并通过控制器121发送至处理器122，处理器122通过其内部存储的巡检算法可提取钢轨本体和钢轨扣件上的损伤类型及损伤程度。如此，可以在一次行走过程中实现对钢轨的全面智能检测，进一步提高了检测效果和检测效率。
36.示例地，轮廓传感器内存储有钢轨表面损伤检测及故障诊断算法，以实时在钢轨本体表面进行损伤识别和检测，相机131内存储有3d点云特征检测算法，以实现对钢轨扣件的损伤实时识别定位与检测。
37.示例地，轮廓传感器为激光式轮廓传感器，相机131为3d工业相机。
38.请结合参照图2，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，轮廓传感器和相机131均包括四个且一一对应，四个轮廓传感器呈矩形分布且相对的两个轮廓传感器的采集端背离设置，四个相机131呈矩形分布且相对的两个相机131的摄像头背离设置。
39.设置四个轮廓传感器和四个相机131，分别朝向四个方向对钢轨本体和钢轨扣件的图像进行采集，可以更加全面地采集钢轨信息，避免局部区域漏检的情况发生。可以理解，四个轮廓传感器和四个相机131所涵盖的检测区域应完全覆盖预设长度的钢轨表面。
40.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，巡检模块还包括巡检数据处理器132，巡检数据处理器132分别与轮廓传感器、相机131和控制器121连接，巡检数据处理器132用于对三维轮廓图像和三维点云图像进行预处理后发送至控制器121。
41.预处理的类型可以为如图像转换、图像增强、滤波和水平矫正等，采用巡检数据处理器132先对三维轮廓图像和三维点云图像进行预处理，可以便于后续处理器122进行损伤的分析。
42.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，仿生腿模块包括多个环绕本体模块均匀分布的折展机构141和万向轮142，折展机构141的一端与本体模块连接、另一端与万向轮142连接，驱动模块用于控制折展机构141折叠或展开。
43.折展机构141能够在驱动模块的作用下展开或折叠，当折展机构141折叠时，折展机构141将朝着本体模块移动，当折展机构141展开时，折展机构141将朝着背离本体模块的方向移动。折展机构141以模仿腿部行走的姿势，驱动智能巡检机器人100完成行走动作。同时，折展机构141的底部设置万向轮142，通过万向轮142与地面接触，能够减小与地面之间的摩擦，并方便智能巡检机器人100换向。
44.示例地，折展机构141和万向轮142均包括四个，且一一对应，四个折展机构141环绕本体模块均匀分布。设置四个折展机构141可以提高智能巡检机器人100行走的稳定性，也使智能巡检机器人100的转向更加灵活。
45.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，万向轮142上设有与控制器121连接的位移传感器133，位移传感器133用于实时测量万向轮142与钢轨之间的距离，并将测量得到的距离数据发送至控制器121。
46.位移传感器133用于对控制器121的导向与巡检方位进行引导和纠偏，以使智能巡
检机器人100的行走路径更加精确，进一步提高检测的质量和效率。示例地，位移传感器133为激光式位移传感器。
47.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，驱动模块包括驱动电机151和电机驱动板152，电机驱动板152分别与驱动电机151和控制器121连接，驱动电机151与折展机构141连接，控制器121通过电机驱动板152控制驱动电机151。
48.控制器121向电机驱动板152发出控制信号，电机驱动板152根据控制信号控制驱动电机151正转或反转，进而使折展机构141折叠或展开。示例地，驱动电机151为伺服电机。
49.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，驱动模块还包括升压板153，升压板153分别与电机驱动板152和处理器122连接，处理器122为升压板153提供第一电压，升压板153将第一电压升压为第二电压后提供给电机驱动板152。
50.升压板153的一端与处理器122连接、另一端与电机驱动板152连接。示例地，处理器122为开发板，开发板为升压板153提供+5v输入电压，升压板153将电压升压后，为电机驱动板152提供+12v-+42v的驱动输入电压。
51.可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，本体模块上还设有与控制模块连接的通信发射模块，通信发射模块用于与外界总控端进行数据传输与交互。
52.通信发射模块持续发射无线通信信号，与外界总控端进行数据传输与交互。示例地，通信发射模块为gps通信发射模块，gps通信发射模块与处理器122连接，gps通信发射模块可将智能巡检机器人100检测到的轨道损伤数据连通位置坐标一同发送至外界总控端，以方便检修人员根据损伤位置进行检修。优选的，gps通信发射模块数据最远传输距离64km，传输最小定位半径0.1m。
53.于一实施例中，上述智能巡检机器人100的控制原理逻辑如图4所示，智能巡检机器人100通过通信发射模块与外界总控端进行数据传输与交互，控制器121为智能巡检机器人100的总控中心，其控制着巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，处理器122与控制器121连接，巡检模块中的轮廓传感器、相机131、位移传感器133获取的数据通过控制器121传输至处理器122进行分析。
54.请参照图1和图3，可选的，本发明实施例的一种可实现的方式中，本体模块包括沿竖直方向依次设置的通信板111、固定板112和巡检板113，控制模块设置在通信板111上，仿生腿模块设置在固定板112上，巡检模块设置在巡检板113上。
55.本体模块从上到下依次为通信板111、固定板112和巡检板113，三者之间间隔设置，并可通过连接柱114连接。通信板111用于固定和安装控制模块的硬件，例如，控制器121、处理器122；固定板112用于固定和安装仿生腿模块，例如，折展机构141，当然，也可以固定巡检数据处理器132；巡检板113用于固定巡检模块的硬件，例如，轮廓传感器、相机131。将不同的模块根据功能分别设置在不同层，可以提高智能巡检机器人100在高度方向上的空间利用率，进而减小智能巡检机器人100在长度方向和宽度方向上的尺寸。
56.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。

技术特征：
1.一种智能巡检机器人，其特征在于，包括本体模块、设置在所述本体模块上的控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，所述控制模块包括控制器和处理器，所述控制器分别与所述巡检模块、所述驱动模块和所述处理器连接；所述巡检模块在所述控制器的控制下驱动所述仿生腿模块行走，所述巡检模块在所述控制器的控制下对钢轨进行图像采集并将采集到的图像发送至所述控制器，所述控制器将所述图像发送至所述处理器，所述处理器根据所述图像分析所述钢轨的损伤。2.根据权利要求1所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述巡检模块包括轮廓传感器和相机，所述轮廓传感器用于实时采集钢轨本体的三维轮廓图像，所述相机用于实时采集钢轨扣件的三维点云图像。3.根据权利要求2所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述巡检模块还包括巡检数据处理器，所述巡检数据处理器分别与所述轮廓传感器、所述相机和所述控制器连接，所述巡检数据处理器用于对所述三维轮廓图像和所述三维点云图像进行预处理后发送至所述控制器。4.根据权利要求1所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述仿生腿模块包括多个环绕所述本体模块均匀分布的折展机构和万向轮，所述折展机构的一端与所述本体模块连接、另一端与所述万向轮连接，所述驱动模块用于控制所述折展机构折叠或展开。5.根据权利要求4所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述万向轮上设有与所述控制器连接的位移传感器，所述位移传感器用于实时测量所述万向轮与所述钢轨之间的距离，并将测量得到的距离数据发送至所述控制器。6.根据权利要求4所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述驱动模块包括驱动电机和电机驱动板，所述电机驱动板分别与所述驱动电机和所述控制器连接，所述驱动电机与所述折展机构连接，所述控制器通过所述电机驱动板控制所述驱动电机。7.根据权利要求6所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述驱动模块还包括升压板，所述升压板分别与所述电机驱动板和所述处理器连接，所述处理器为所述升压板提供第一电压，所述升压板将所述第一电压升压为第二电压后提供给所述电机驱动板。8.根据权利要求1所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述本体模块上还设有与所述控制模块连接的通信发射模块，所述通信发射模块用于与外界总控端进行数据传输与交互。9.根据权利要求1所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述本体模块包括沿竖直方向依次设置的通信板、固定板和巡检板，所述控制模块设置在所述通信板上，所述仿生腿模块设置在所述固定板上，所述巡检模块设置在所述巡检板上。10.根据权利要求2所述的智能巡检机器人，其特征在于，所述轮廓传感器和所述相机均包括四个且一一对应，四个所述轮廓传感器呈矩形分布且相对的两个轮廓传感器的采集端背离设置，四个所述相机呈矩形分布且相对的两个相机的摄像头背离设置。

技术总结
一种智能巡检机器人，涉及轨道交通无损检测技术领域。该智能巡检机器人包括本体模块、设置在本体模块上的控制模块、巡检模块、仿生腿模块和驱动模块，控制模块包括控制器和处理器，控制器分别与巡检模块、驱动模块和处理器连接；巡检模块在控制器的控制下驱动仿生腿模块行走，巡检模块在控制器的控制下对钢轨进行图像采集并将采集到的图像发送至控制器，控制器将图像发送至处理器，处理器根据图像分析钢轨的损伤。该智能巡检机器人能够同时对钢轨的多种损伤进行智能化检测，检测效率高，且无需人工配合。人工配合。人工配合。


技术研发人员：王宇 缪炳荣 张盈 刘崇睿 金月皓 袁哲锋 胡天棋 尹兆珂 张哲 刘俊利 赵浪涛
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/6/28