CN103737589B - 岩体工程无线遥控综合测孔机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩体工程无线遥控综合测孔机器人，主要用于岩体工程变形、围岩破裂等多元信息测量，属于岩土工程技术领域。测孔机器人由搭载平台，前搭载舱，后搭载舱，驱动系统，数据采集系统，声波测试系统，数字钻孔摄像，控制系统等组成，通过遥控控制测孔机器人依靠履带在钻孔内爬行，数字钻孔摄像对钻孔壁面拍摄，声波测试系统获得岩体波速，采集到的数据经由数据传输天线无线传送到安全区域的数据接收平台。本发明可同时完成钻孔摄像和声波测试，采用无线遥控控制省时省力，不仅适用于一般岩体工程的变形、岩体破裂等多元信息的监测，还可以适用于具有强动力冲击和高放射性危险的不适宜人长期停留的岩体工程环境中。

Description

岩体工程无线遥控综合测孔机器人

技术领域

本发明涉及岩体工程无线遥控综合测孔机器人，可用于岩体工程变形、围岩破裂等多元信息的测量，属于岩土工程技术领域。

背景技术

为了适应我国国民经济快速发展的需要，大规模的工程建设正在兴起，如地上的公路、隧道、蓄水大坝，地下的矿山井巷、水电引水隧洞、地下厂房和核废料处置库等，这些地上的工程很多时候需要切削山体形成陡倾的岩质边坡，如三峡永久船闸最大边坡高度80米、雅砻江锦屏一级水电站大坝开挖边坡最高达540米，地下的岩石工程则需要在具有一定埋深的地下岩体中开挖。无论地面或地下岩体工程，施工和运营期间的稳定性问题是岩石力学工作者最为关心的问题，而岩体的变形特征和规律则是判断围岩是否处于安全稳定状态的直接体现。钻孔摄像技术和声波测试技术因其可以直观的反映岩石的破裂损伤程度而被现场施工人员和科研工作者喜爱，两者都是通过对岩体凿设一定孔径的钻孔，利用推进杆将钻孔摄像仪器或声波探头持续推入钻孔内，分别获得沿钻孔轴线方向的围岩破裂信息和岩体波速。钻孔摄像技术不仅可以获得钻孔壁面破裂（结构面、微裂隙）的位置、产状、宽度等信息，还可以通过分析不同时间拍摄的钻孔壁面信息计算围岩的变形大小和规律；声波测试则是通过声波发射探头发出脉冲波，经钻孔壁围岩传播后被声波接受探头接受，根据两个探头之间的距离和接受与发出的时间差计算脉冲波在岩体中传播的波速值，波速越大围岩越完整，波速越小围岩越破碎。

随着我国浅部矿产资源的逐步枯竭，煤矿和金属矿的开采深度已达到千米以上，在这种高埋深、大扰动环境中冲击地压频发；水电引水隧洞和地下厂房、交通隧道很多情况需要在构造应力极强的深山峡谷中开挖，岩爆越来越严重，其发生的次数和等级逐渐增高，频繁发生的冲击地压和岩爆动力灾害造成人员伤亡、设备损害；核废料作为一种具有高放射性的污染物往往需要深埋在地下力学性质较好的岩体中。当进行上述的岩体工程的施工、测试时均具有极大的危险性，在这种强动力冲击、高放射性的环境中利用常规的钻孔摄像或声波测试测量围岩的变形、破坏程度和波速等信息时，操作人员的生命安全面临极大的威胁。另外，传统的钻孔摄像和声波测试都需要用数根连接杆将钻孔摄像仪器或声波探头连续推入钻孔内部以获得整个钻孔轴线方向的孔壁围岩信息，需要耗费较大的体力和时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集钻孔摄像和声波测试于一体的用于岩体工程围岩变形、波速等多元信息测量的无线遥控综合测孔机器人，通过遥控控制测孔机器人自动完成对围岩钻孔的钻孔摄像和波速测试，不仅可以应用于一般的地上或地下岩石工程，还可适用于像强冲击性（岩爆、冲击地压等）、高放射性（地下核废料处置库）等危险性不适宜操作人员进入或长时间停留的危险环境中，同时完成岩体的钻孔摄像和声波测试获得岩体的破裂状况、变形、波速等多元信息。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

岩体工程无线遥控综合测孔机器人，所述的测孔机器人由搭载平台，前搭载舱，后搭载舱，电池，驱动系统，数据采集系统，声波测试系统，数字钻孔摄像，激光测距仪，内控制系统，外控制系统，传输天线，数据接收平台组成，搭载平台呈正六棱柱状，前搭载舱和后搭载舱分别位于搭载平台的前端和后端，前搭载舱和后搭载舱均呈圆柱状，驱动系统由后基座，前基座，履带，步进电机构成，履带为三条，分别通过主动轮和从动轮活动安装在前基座和后基座上，前基座和后基座固定连接在搭载平台的外壁上，三条履带之间呈120°分布，步进电机固定安装在搭载平台内，三条履带的主动轮分别通过传动齿轮与步进电机的转轴连接。

所述的声波测试系统由声波发射探头，声波接收探头，前双向运动活塞，后双向运动活塞，前微型油泵，后微型油泵，微型水泵构成，后双向运动活塞和后微型油泵固定安装在后搭载舱内，后双向运动活塞和后微型油泵之间管路连接，声波发射探头固定在后双向运动活塞的活塞头上，前双向运动活塞和前微型油泵固定安装在前搭载舱内，前双向运动活塞和前微型油泵之间管路连接，声波接收探头固定在前双向运动活塞的活塞头上，前双向运动活塞和后双向运动活塞的活塞头上开有出水孔，微型水泵固定在搭载平台内，搭载平台上设有水接头，微型水泵的进水孔通过水管连接水接头，微型水泵的出水孔分别通过水管连接到前双向运动活塞和后双向运动活塞的活塞头上的出水孔上，激光测距仪固定安装在前搭载舱侧面外壁上，激光测距仪的发射孔的中心线平行于搭载平台的轴线，数字钻孔摄像设置在前搭载舱内，前搭载舱上设有环形视窗，数字钻孔摄像的摄像头位于视窗处，传输天线固定安装在前搭载舱的外壁上，位于环形视窗后方，电池、内控制系统、数据采集系统均固定安装在搭载平台内部，电池通过导线与内控制系统、数据采集系统、步进电机、数字钻孔摄像、前微型油泵、后微型油泵、微型水泵、声波发射探头、声波接收探头、激光测距仪和传输天线相连接，内控制系统通过导线与步进电机、前微型油泵、后微型油泵、声波发射探头、声波接收探头相连接，数据采集系统通过导线与数字钻孔摄像、声波发射探头、声波接收探头、激光测距仪和传输天线相连接，数据接收平台设置在外控制系统内，外控制系统与传输天线可将数据信号、命令信号无线传输。

所述的电池为12V充电锂电池。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下特点：

（1）岩体工程无线遥控综合测孔机器人同时集成了数字钻孔摄像和声波测试的功能，可对钻孔围岩同时进行结构面、裂隙的位置、产状、张开度、变形以及围岩波速的测试。

（2）对测控机器人采用无线遥控的方式控制其进行数据采集，免去了常规测试方法中需要依靠人力用推进杆将钻孔摄像或声波探头推入钻孔费时费力的缺点。

（3）岩体工程无线遥控综合测孔机器人不仅适用于对一般的岩体工程进行变形、裂隙和波速等多元信息的探测，而且适用于那些不适宜试验人员长时间停留的高危险环境，如具有强冲击性和高放射性的岩体工程。

附图说明

图1为本发明的外观结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

见附图

岩体工程无线遥控综合测孔机器人，所述的测孔机器人由搭载平台1，前搭载舱3，后搭载舱2，电池13，驱动系统，数据采集系统15，声波测试系统，数字钻孔摄像9，激光测距仪10，内控制系统14，外控制系统16，传输天线11，数据接收平台17组成，搭载平台1呈正六棱柱状，前搭载舱3和后搭载舱2分别位于搭载平台1的前端和后端，前搭载舱3和后搭载舱2均呈圆柱状，驱动系统由后基座5，前基座4，履带6，步进电机12构成，履带6为三条，分别通过主动轮和从动轮活动安装在前基座4和后基座5上，前基座4和后基座5固定连接在搭载平台1的外壁上，三条履带之间呈120°分布，步进电机12固定安装在搭载平台1内，三条履带的主动轮分别通过传动齿轮与步进电机12的转轴连接。三条履带可以带动测孔机器人在钻孔内往前或向后爬行，所有履带基座可弹性自由伸缩10mm，适应钻孔直径的变化，并将履带压紧在钻孔壁上，提供足够的摩擦力，不仅可以使测孔机器人在水平钻孔内测试，还可以保证测孔机器人在大倾角和垂直钻孔内顺利行进。搭载平台1、前搭载舱3和后搭载舱2以及各自的连接处均具有防水性。

所述的声波测试系统由声波发射探头7，声波接收探头8，前双向运动活塞21，后双向运动活塞19，前微型油泵20，后微型油泵18，微型水泵22构成，后双向运动活塞19和后微型油泵18固定安装在后搭载舱2内，后双向运动活塞19和后微型油泵18之间管路连接，声波发射探头7固定在后双向运动活塞19的活塞头上，前双向运动活塞21和前微型油泵20固定安装在前搭载舱3内，前双向运动活塞21和前微型油泵20之间管路连接，声波接收探头8固定在前双向运动活塞21的活塞头上，前双向运动活塞21和后双向运动活塞19的活塞头上开有出水孔，微型水泵22固定在搭载平台1内，搭载平台1上设有水接头，微型水泵22的进水孔通过水管连接水接头，微型水泵22的出水孔分别通过水管连接到前双向运动活塞21和后双向运动活塞19的活塞头上的出水孔上。前双向运动活塞21和后双向运动活塞19均可以在油泵的作用下带动各自活塞头上的声波接收探头8和声波发射探头7伸出或缩回，进行声波测试时声波接收探头8和声波发射探头7伸出并紧贴钻孔壁围岩，微型水泵22控制水从前双向运动活塞21和后双向运动活塞19的活塞头上的出水孔中流出将探头与围岩壁耦合。

激光测距仪10固定安装在前搭载舱3侧面外壁上，激光测距仪10的发射孔的中心线平行于搭载平台1的轴线。通过高精度的激光测距仪10发出的激光入射到钻孔孔底的激光靶标上，可以实时获得测孔机器人在钻孔内的精确位置，从而将声波测试的结果和钻孔摄像的结果与钻孔位置精确对应进行分析。

数字钻孔摄像9设置在前搭载舱3内，前搭载舱3上设有环形视窗，数字钻孔摄像9的摄像头位于视窗处。

传输天线11固定安装在前搭载舱3的外壁上，位于环形视窗后方。将声波测试的结果、钻孔摄像的结果以及激光测距仪10测得的位置信息等都可以通过传输天线11无线传输到钻孔外部安全区域的数据接收平台17内，外控制系统16发出的指令也可以通过传输天线11无线传输到内控制系统14中，从而实现对测孔机器人的无线远程操控。

电池13、内控制系统14、数据采集系统15均固定安装在搭载平台1内部，电池13通过导线与内控制系统14、数据采集系统15、步进电机12、数字钻孔摄像9、前微型油泵20、后微型油泵18、微型水泵22、声波发射探头7、声波接收探头8、激光测距仪10和传输天线11相连接，内控制系统14通过导线与步进电机12、前微型油泵20、后微型油泵18、声波发射探头7、声波接收探头8相连接，数据采集系统15通过导线与数字钻孔摄像9、声波发射探头7、声波接收探头8、激光测距仪10和传输天线11相连接。

数据接收平台17设置在外控制系统16内，外控制系统16与数据传输天线11可将数据信号、命令信号无线传输。

所述的电池13为12V充电锂电池，电池13的一次充电量可保证对钻孔完成一次变形信息的测量。

本发明的岩体工程无线遥控综合测孔机器人，所有指令均由外控制系统16发出，固定安装在搭载平台1内部的内控制系统14接收，再将命令传递给其他部分。在工程应用中具体的实施过程为：首先将岩体工程无线遥控综合测孔机器人放入钻孔中，利用外控制系统16发出的指令操纵岩体工程无线遥控综合测孔机器人的后基座5和前基座4伸出，直至履带6与钻孔壁面完全接触，使测孔机器人处于稳定状态，然后操纵数字钻孔摄像9对钻孔壁面进行实时摄像，操纵驱动系统中的步进电机12驱动主动轮带动履带6沿钻孔轴线向前爬行，前进设定的某一小段距离后停止前进，分别操纵前微型油泵20和后微型油泵18，使其为分别固定连接有声波接收探头8和声波发射探头7的前双向运动活塞21和后双向运动活塞19充油，使活塞带动声波接收探头8和声波发射探头7伸出直至与钻孔壁面岩体完全接触，操纵微型水泵22将水通过水管输送至声波发射探头7和声波接收探头8处作为与围岩接触的耦合剂，待声波发射探头7和声波接收探头8与钻孔围岩完全贴紧后采集声波数据，在整个过程中，数字钻孔摄像9一直在拍摄，固定安装在前搭载舱3侧面的激光测距仪10不断发出激光，到达钻孔孔底23位置精确定位数字钻孔摄像9拍摄的位置和声波测试的位置，各个部分采集的数据则通过固定安装在前搭载舱3上表面的传输天线11无线实时传输到钻孔外安全区域的数据接收平台17。声波测试完成后，操纵关闭微型水泵22，操纵前微型油泵20和后微型油泵18分别控制前双向运动活塞21和后双向运动活塞19带动声波接收探头8和声波发射探头7缩回至起始位置，然后继续操纵驱动系统的步进电机12驱动主动轮带动三条履带沿钻孔轴线向前爬行，至设定位置处停止爬行进行声波测试，如此往复循环，直至测试到钻孔孔底23位置处。测试完成后操纵测孔机器人往回爬行直至钻孔孔口，然后取出。

Claims (2)

1.岩体工程无线遥控综合测孔机器人，其特征在于：所述的测孔机器人由搭载平台（1），前搭载舱（3），后搭载舱（2），电池（13），驱动系统，数据采集系统（15），声波测试系统，数字钻孔摄像（9），激光测距仪（10），内控制系统（14），外控制系统（16），传输天线（11），数据接收平台（17）组成，搭载平台（1）呈正六棱柱状，前搭载舱（3）和后搭载舱（2）分别位于搭载平台（1）的前端和后端，前搭载舱（3）和后搭载舱（2）均呈圆柱状，驱动系统由后基座（5），前基座（4），履带（6），步进电机（12）构成，前基座（4）和后基座（5）均为三个，履带（6）为三条，每一条履带（6）都分别通过主动轮和从动轮活动安装在与之对应的前基座（4）和后基座（5）上，前基座（4）和后基座（5）固定连接在搭载平台（1）的外壁上，三条履带相互平行，且都平行于搭载平台（1）的轴线，三条履带之间呈120°分布，步进电机（12）固定安装在搭载平台（1）内，三条履带的主动轮分别通过传动齿轮与步进电机（12）的转轴连接；

所述的声波测试系统由声波发射探头（7），声波接收探头（8），前双向运动活塞（21），后双向运动活塞（19），前微型油泵（20），后微型油泵（18），微型水泵（22）构成，后双向运动活塞（19）和后微型油泵（18）固定安装在后搭载舱（2）内，后双向运动活塞（19）和后微型油泵（18）之间管路连接，声波发射探头（7）固定在后双向运动活塞（19）的活塞头上，前双向运动活塞（21）和前微型油泵（20）固定安装在前搭载舱（3）内，前双向运动活塞（21）和前微型油泵（20）之间管路连接，声波接收探头（8）固定在前双向运动活塞（21）的活塞头上，前双向运动活塞（21）和后双向运动活塞（19）的活塞头上开有出水孔，微型水泵（22）固定在搭载平台（1）内，搭载平台（1）上设有水接头，微型水泵（22）的进水孔通过水管连接水接头，微型水泵（22）的出水孔分别通过水管连接到前双向运动活塞（21）和后双向运动活塞（19）的活塞头上的出水孔上，激光测距仪（10）固定安装在前搭载舱（3）侧面外壁上，激光测距仪（10）的发射孔的中心线平行于搭载平台（1）的轴线，数字钻孔摄像（9）设置在前搭载舱（3）内，前搭载舱（3）上设有环形视窗，数字钻孔摄像（9）的摄像头位于视窗处，传输天线（11）固定安装在前搭载舱（3）的外壁上，位于环形视窗后方，电池（13）、内控制系统（14）、数据采集系统（15）均固定安装在搭载平台（1）内部，电池（13）通过导线与内控制系统（14）、数据采集系统（15）、步进电机（12）、数字钻孔摄像（9）、前微型油泵（20）、后微型油泵（18）、微型水泵（22）、声波发射探头（7）、声波接收探头（8）、激光测距仪（10）和传输天线（11）相连接，内控制系统（14）通过导线与步进电机（12）、前微型油泵（20）、后微型油泵（18）、声波发射探头（7）、声波接收探头（8）相连接，数据采集系统（15）通过导线与数字钻孔摄像（9）、声波发射探头（7）、声波接收探头（8）、激光测距仪（10）和传输天线（11）相连接，数据接收平台（17）设置在外控制系统（16）内，外控制系统（16）与传输天线（11）可将数据信号、命令信号无线传输。

2.如权利要求1所述的岩体工程无线遥控综合测孔机器人，其特征在于：所述的电池（13）为12V充电锂电池。