本發(fā)明屬于磁懸浮工務維護領域，更具體地，涉及一種中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人。

背景技術：

磁懸浮交通是一種低噪聲無碳交通，是未來城市交通發(fā)展的重要方向之一。中低速磁浮技術是通過安裝在車體上的電磁鐵與F型軌道相互構成磁場閉合磁路，通過氣隙感應器裝置調節(jié)電磁鐵的勵磁電流，調整電磁鐵與軌道之間的吸力(使磁浮間隙保持在8～10mm)，以保持電磁鐵與軌道之間的距離穩(wěn)定，實現(xiàn)列車穩(wěn)定懸浮。因此，軌道維護是工務作業(yè)的重要內容。

由于中低速磁懸浮多為高架、開放式的軌道結構，在現(xiàn)場維護過程中，需配合進行輔助作業(yè)，例如當監(jiān)測到F軌存在裂紋時，需實行焊接操作，在實行焊接及檢修過程中需從地面吊裝材料或設備至軌道上，以及在夜間操作時，需提供照明等輔助作業(yè)。為完成上述各項輔助作業(yè)，需研究設計一種可適用于中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人，以配合完成各種輔助作業(yè)。另外，中低速磁浮軌排多為高架懸空的開放式結構，軌枕間距約為600mm，軌道上無作業(yè)人員走行位置，一般的機器人難以在磁懸浮軌道上自由行走，因此，研究設計的輔助作業(yè)機器人需適應于開放式結構的中低速磁浮。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種輔助作業(yè)機器人，其中結合中低速磁懸浮自身的特點，相應設計了適用于中低速磁懸浮輔助設備，并對其關鍵組件如機架、折疊彎折機構、輔助作業(yè)機構和自主巡航模塊的結構及其具體設置方式進行研究和設計，相應的可有效實現(xiàn)工務維護輔助作業(yè)，并可實現(xiàn)機器人的自主行走，具有結構簡單、操作方便等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人，包括機架、折疊彎折機構、輔助作業(yè)機構和自主巡航模塊，其中：

所述機架用于安裝所述折疊彎折機構、輔助作業(yè)機構和自主巡航模塊，其橫跨在中低速磁懸浮兩個F軌之間；

所述折疊彎折機構共設有兩組，其分設于所述機架的兩端，并位于F軌的上方，每組所述折疊彎折機構上均設置有行走輪對和卡位輪對，其中行走輪對與所述F軌的上表面接觸，并沿著F軌的上表面移動，所述卡位輪對的兩個卡位輪分別與所述F軌的外側面和下表面接觸，并沿著F軌的外側面和下表面移動；

所述輔助作業(yè)機構包括輔助作業(yè)平臺和輔助作業(yè)設備，其中所述輔助作業(yè)平臺安裝在所述機架上，所述輔助作業(yè)設備安裝在該輔助作業(yè)平臺上，用于完成輔助作業(yè)；

所述自主巡航模塊安裝在所述機架的下方，其用于實現(xiàn)輔助作業(yè)機器人沿著F軌自由行走，該自主巡航模塊包括導航系統(tǒng)、巡航計算任務控制模塊和地面控制站通訊模塊，所述導航系統(tǒng)包括慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元，所述慣性導航單元用于測量所述機器人的三軸加速度，所述GPS接收模塊用于測量機器人的經(jīng)度、緯度和高度，所述行走量程測量單元用于測量機器人的行走里程；所述巡航計算任務控制模塊包括巡航模塊和控制模塊，所述巡航模塊分別與所述慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元相連，所述慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元測量的數(shù)據(jù)作為輸入信號輸入至巡航模塊中，該巡航模塊根據(jù)輸入的信號判斷所述機器人的具體位置，并將機器人的具體位置反饋給地面控制站，所述控制模塊與地面控制站通訊模塊相連，其根據(jù)地面控制站通訊模塊的行走指令控制機器人的行走。

作為進一步優(yōu)選的，所述機架上還設置有攝像機，該攝像機通過伸縮桿安裝在所述機架的上方。

作為進一步優(yōu)選的，所述機架上還設置有測距傳感器，該測距傳感器具體為超聲波或紅外測距傳感器，其布置在所述機架的前后側。

作為進一步優(yōu)選的，每組所述折疊彎折機構上均設置有兩組行走輪對和兩組卡位輪對，兩組行走輪對沿著所述F軌的延伸方向布置，并與F軌的上表面接觸，兩組卡位輪對同樣沿著所述F軌的延伸方向布置，并與F軌的外側面和下表面接觸。

作為進一步優(yōu)選的，所述折疊彎折機構包括行走輪安裝板和卡位輪折疊板，所述行走輪安裝板豎直設置并安裝在所述機架上，所述行走輪對安裝在所述行走輪安裝板的下方，所述卡位輪折疊板通過卡位輪連接支架安裝在所述行走輪安裝板的側面，所述卡位輪對安裝在所述卡位輪折疊板上，并與所述F軌的外側面和下表面接觸。

作為進一步優(yōu)選的，所述輔助作業(yè)設備包括焊接設備、起重設備、照明設備和發(fā)電機。

作為進一步優(yōu)選的，所述照明設備包括燈頭組件和升降機構，該升降機構采用四節(jié)伸縮氣缸作為升降調節(jié)方式，最大調節(jié)高度為3米，所述燈頭組件由4盞5W高效率LED燈條組成，其燈光覆蓋半徑達15米-35米，每個LED燈條能單獨做上下左右角度調節(jié)，旋轉實現(xiàn)360度全方位照明。

作為進一步優(yōu)選的，所述焊接設備設于所述輔助作業(yè)平臺的一側，所述起重設備設于所述輔助作業(yè)平臺的另一側，所述發(fā)電機設于所述輔助作業(yè)平臺的下方。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，主要具備以下的技術優(yōu)點：

1.本發(fā)明針對中低速磁懸浮的特點專門設置了適用于中低速磁懸浮的輔助作業(yè)機器人，以完成對F軌的焊接操作、設備吊裝、夜間照明等輔助作業(yè)，具有體積小、結構輕、攜帶方便的特點，同時還具有結構簡單、操作方便等優(yōu)點，可隨車到達作業(yè)地點落軌即可進行使用，可有效用于中低速磁浮的工務維護和安全運營。

2.本發(fā)明通過設置適用于輔助作業(yè)機器人的折疊彎折機構和自主巡航模塊，可實現(xiàn)機器人沿著F軌自主行走，通過專門研究設計的自主巡航模塊，可實現(xiàn)機器人的準確定位與可靠行走，適用于中低速磁懸浮高架懸空的開放式結構，解決了中低速磁懸浮軌道上無作業(yè)人員走行位置而無法實現(xiàn)輔助作業(yè)機器人行走的問題。

3.本發(fā)明的折疊彎折機構共設有兩組，分設于機架的兩端，使用時卡位輪折疊板可在軌道落軌時向下打開以扣住F軌的側沿，并沿著F軌運動，使用結束后，其離開軌道時可向上折起，以減小行走裝置的整體體積，具有攜帶方便、落軌即可工作的特點。

4.本發(fā)明的折疊彎折機構上的行走輪對設計成雙輪結構，可有效防止機器人通過F軌與軌枕連接的螺栓時產(chǎn)生顛簸，使探傷更加準確，卡位輪對采用抱卡的方式卡裝在F軌上，可有效防止機器人脫軌。

5.本發(fā)明的機架的上方設置有攝像機，該攝像機可實現(xiàn)軌道及軌道沿線的圖像采集，并且其可升降的安裝在機架上，可實現(xiàn)多方位、多角度的圖像拍攝。

6.本發(fā)明輔助作業(yè)機器人的前后均設置有測距傳感器，通過測距可使輔助作業(yè)機器人遇障礙時自動停車，實現(xiàn)機器人的防撞功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人的后視圖；

圖3是本發(fā)明實施例的中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人的左視圖；

圖4是本發(fā)明實施例的自主巡航模塊結構框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種中低速磁懸浮輔助作業(yè)機器人，其主要包括機架11、折疊彎折機構、輔助作業(yè)機構和自主巡航模塊7，其中，機架11作為支撐機構，用于固定安裝折疊彎折機構和輔助作業(yè)機構，所述折疊彎折機構用于安裝輪對，以實現(xiàn)輔助作業(yè)機器人在F軌4上的移動，所述輔助作業(yè)機構用于完成各種輔助作業(yè)，所述自主巡航模塊7用于實現(xiàn)輔助作業(yè)機器人自主巡航于中低速磁浮F軌。通過上述各個機構的相互配合，可實現(xiàn)F軌監(jiān)測過程中的各類輔助操作，并可實現(xiàn)機器人的自主行走，具有結構簡單、操作方便等優(yōu)點。

下面將對各個機構和部件進行詳細的說明和描述。

如圖1所示，機架11作為其他部件的支撐部件，其水平設置，并且橫跨在待檢測的中低速磁懸浮兩個F軌之間，其布置方向與F軌的延伸方向垂直。

如圖1-3所示，折疊彎折機構共設有兩組，其分設于所述機架的兩端，具體的，每組所述折疊彎折機構上均設置有行走輪對5和卡位輪對。其中，行走輪對5包括一對行走輪，其與所述F軌的上表面接觸，并沿著F軌的上表面移動，其中一個是被動輪一個是主動輪，主動輪對是電機輪。該行走輪對設計成雙輪結構，可有效防止機器人通過F軌與軌枕連接的螺栓時產(chǎn)生顛簸，使探傷結果更加準確。所述卡位輪對2包括一對卡位輪，兩個卡位輪分別與所述F軌的外側面和下表面接觸，并沿著F軌的外側面和下表面移動，該卡位輪對可保證機器人沿著軌道行走，并且在彎道處可提供差速功能?？ㄎ惠唽?是沒有動力的被動輪，起卡位、限位以及防脫軌的作用。

進一步的，本發(fā)明的實施例中每組折疊彎折機構上均設置有兩組行走輪對5和兩組卡位輪對2，由此兩組行走輪對5中的四個行走輪沿著所述F軌的延伸方向布置，并可沿著F軌運動，對輔助作業(yè)機器人的移動進行可靠的導向，而兩組卡位輪對2中的與F軌側面接觸的卡位輪沿著所述F軌的延伸方向布置，并沿著F軌的外側面運動，兩組卡位輪對2中的與F軌下表面接觸的卡位輪沿著所述F軌的延伸方向布置，并沿著F軌的下表面運動，以此可有效保證輔助作業(yè)機器人移動的可靠性。

具體的，折疊彎折機構包括行走輪安裝板12和卡位輪折疊板3，其中行走輪安裝板12豎直設置并安裝在所述機架上，所述行走輪對安裝在行走輪安裝板12的下方，所述卡位輪折疊板3通過卡位輪連接支架安裝在所述行走輪安裝板的側面，并包覆在F軌的外圍，然后將卡位輪對安裝在卡位輪折疊板12上，以使其中一個卡位輪與F軌的外側面接觸，另一個卡位輪與F軌的下表面接觸，以此卡位輪對采用抱卡方式卡裝在F軌上，可有效的防止救援機器人脫軌。折疊彎折機構未使用時，兩組卡位輪折疊板1向上折起，以減小行走裝置的整體體積，使用時，兩組卡位輪折疊板1打開，使卡位輪卡裝在F軌的外側面和下表面，實現(xiàn)外側抱軌和內側向上抱軌。

所述輔助作業(yè)機構包括輔助作業(yè)平臺14和輔助作業(yè)設備，其中輔助作業(yè)平臺14作為輔助作業(yè)設備的安裝平臺，其設于機架11的上方，所述輔助作業(yè)設備安裝在該輔助作業(yè)平臺14上，用于完成輔助作業(yè)，該輔助作業(yè)設備包括照明設備、起重設備、焊接設備和發(fā)電機。

照明設備安裝在輔助作業(yè)平臺14，用于為輔助作業(yè)提供照明，包括燈頭組件16和升降機構15，升降機構15選用四節(jié)伸縮氣缸作為升降調節(jié)方式，最大高度為3米，上下轉動燈頭組件16可調節(jié)光束照射角度，燈光覆蓋半徑達到15-35米，燈頭組件16由4盞5W高效率LED燈條組成，按現(xiàn)場需要將每個燈頭單獨做上下左右角調節(jié)，旋轉實現(xiàn)360度全方位照明，也可將燈頭在燈盤均勻布向四個方向照明。

起重設備安裝在輔助作業(yè)平臺的一側，其用于吊裝地面的材料、操作工具、設備等到軌道上，主要包括起重裝置和具有自由落鉤功能的卷揚機構，起重裝置安裝于機器人支架上部，四周固定，伸縮的吊裝線纜從中部伸出，實現(xiàn)吊裝設備從橋底到橋上的吊裝，而吊裝物品的裝卸主要由人工完成。操作時，機器人根據(jù)指令通過控制器操作控制閥，使得在操作起重裝置帶載自由落鉤時，落鉤距離由控制系統(tǒng)指定，等到操作人員掛上額定載荷內的重物后，遠程通知機器人起吊作業(yè)，機器人控制卷揚液壓控制器，起動重物，起動重物的停止由遠程控制，最后的距離為傳感器檢測到位與收繩長度共同判斷停止。

焊接設備是機器人運載的內容，用于對現(xiàn)場需焊接作業(yè)時執(zhí)行焊接操作，方便現(xiàn)場施工人員的使用，焊接相關的設備，也由機器人運輸?shù)街付ㄎ恢?，相關人員也可以在輔助作業(yè)機器人的上面實現(xiàn)焊接的操作。發(fā)電機安裝在輔助作業(yè)平臺14的下方，其為機器人上的用電設備提供應急用電。

自主巡航模塊7安裝在機架的下方，其通過控制行走輪對5的主動輪運動帶動機器人運動，以驅動機器人沿著F軌移動，實現(xiàn)機器人的自主行走控制，由此使得本發(fā)明的輔助作業(yè)機器人適應于中低速磁懸浮高架懸空的開放式結構，該自主巡航模塊7集成了行走穩(wěn)定控制(控制兩主動輪輸出扭矩，使車輛牽引力平衡)、導航和任務控制等諸多功能，具有多個任務航路點，速度可單獨設置，是一套完整的高性能、低成本和微型化的軌道機器人自主行走控制系統(tǒng)。

自主巡航模塊7包括導航系統(tǒng)、巡航計算任務控制模塊和地面控制站通訊模塊，導航系統(tǒng)包括慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元，所述慣性導航單元用于測量所述機器人的三軸加速度(即xyz三向加速度，xyz方向根據(jù)實際需要設定，如設定F軌的延伸方向為x軸，與F軌延伸方向垂直，并水平分布的為y軸，與F軌延伸方向垂直，并垂直分布的為z軸)，所述GPS接收模塊用于測量機器人的經(jīng)度、緯度和高度，所述行走量程測量單元用于測量機器人的行走里程。所述巡航計算任務控制模塊與地面控制站通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，巡航計算任務控制模塊可將機器人的具體位置反饋給地面控制站通訊模塊，地面控制站通訊模塊可發(fā)送指令給巡航計算任務控制模塊，以使機器人運行至指定位置；該巡航計算任務控制模塊主要包括巡航模塊和控制模塊，巡航模塊和控制模塊類似于兩個微型計算機，巡航模塊是基于嵌入式Linux的巡航計算機，用于導航和任務控制以及與地面控制站的通訊，控制模塊是控制計算機，用于機器人的行走控制、增穩(wěn)控制及與地面控制站的通訊，實現(xiàn)移動機器人的運動控制，具體是實現(xiàn)行走輪中主動輪的伺服電機的控制，通過控制主動輪的伺服電機實現(xiàn)主動輪的運動，進而實現(xiàn)機器人的運動，其適用于脈寬信號控制的各種扭矩三相無刷電機，該控制模塊還可實現(xiàn)傳感器的信息采集(測距傳感器6的數(shù)據(jù))、圖像信息采集(攝像機10的數(shù)據(jù))及導航數(shù)據(jù)的獲取。具體的，巡航模塊分別與慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元相連，慣性導航單元、GPS接收模塊和行走量程測量單元測量的數(shù)據(jù)作為輸入信號輸入至巡航模塊中，該巡航模塊根據(jù)輸入的信號判斷所述機器人的具體位置，并將機器人的具體位置反饋給地面控制站，所述控制模塊與地面控制站通訊模塊相連，其根據(jù)地面控制站通訊模塊的行走指令控制機器人的行走。

具體的，自主巡航模塊7內的導航系統(tǒng)根據(jù)輸入的巡航里程，GPS自動定位到需要到達的地點坐標，然后機器人根據(jù)行走里程與遠程地面站通信輸入的地點坐標實時匹配運算，同時組合慣性導航實時行走的位置與所設定的坐標位置實時匹配計算，并采用行走量程測量單元測量機器人移動的距離，以根據(jù)機器人出發(fā)點的初始值確定機器人當前的位置,根據(jù)機器人當前的具體位置，然后與已知的按照事先編制的作業(yè)航點進行PID匹配計算控制機器人的運動方向和距離,從而實現(xiàn)自主巡航，巡航的速度由機器人根據(jù)到達目的地的距離計算。本發(fā)明的導航系統(tǒng)主要是以量程標定為主，以GPS以及慣性導航為輔助的導航系統(tǒng)，其控制邏輯簡單，結構緊湊，體積小，可使得機器人根據(jù)導航的規(guī)劃路徑進行行走。

所述機架上還設置有為自主巡航模塊7提供電源的電池8，然而自主巡航模塊7也可通過電纜與外部電源相連，通過外部電源提供巡航模塊巡航所需的動力。

所述機架上還設置有測距傳感器6和攝像機10，所述測距傳感器6位于兩個F軌之間，其具體為超聲波或紅外測距傳感器，并以陣列的方式排布，輔助作業(yè)機器人的前后均布置該測距傳感器。具體的，在安全距離范圍內，測距傳感器6檢測到行進線路有障礙，機器人控制電控驅動單元剎車，根據(jù)速度的不同設定安全距離不同，速度越快，安全距離越遠，可使探傷機器人遇障礙時自動安全停車，實現(xiàn)機器人的防撞功能。所述攝像機10安裝在所述機架的上方，其用于對軌道及軌道的沿線進行圖像采集，可對異物入侵、侵限越界等情況進行觀測，圖像進行實時傳輸或存儲本地，攝像機類型具體可為2D或3D攝像機，其具體通過伸縮桿9安裝在機架的上方，可實現(xiàn)攝像機的升降，實現(xiàn)多方位多角度的拍攝。其中，自主巡航模塊7可接收測距傳感器6和攝像機10的檢測數(shù)據(jù)，并對檢測數(shù)據(jù)進行分析，獲得所需的數(shù)據(jù)。

此外，為了實現(xiàn)將機器人測得的數(shù)據(jù)及時的進行傳輸與保存，在所述機架上還設置有外接接口13，以實現(xiàn)機器人與遠程控制臺的通信聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程交互。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。