CN108868837B - 一种地下空间构建系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下空间构建系统，包括地形探测及处理机器人单元、3D打印机器人单元和集中电控单元；地形探测及处理机器人单元包括全地形行走底盘、探测机械臂、旋挖机械臂和车载电控装置；3D打印机器人单元包括全地形行走底盘、打印机械臂、打印材料输入装置和打印电控装置；集中电控单元包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、地形处理回路、3D打印控制回路。本地下空间构建系统自动化程度高，可以在实现对地下空洞内部进行有效支护的前提下实现基于地下空洞的深层地下空间的构建，同时实现降低开发成本、降低施工安全隐患，特别适用于基于地下空洞的深层地下空间构建作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下空间构建系统，具体是一种基于如煤矿井下煤炭采空区、煤炭地下气化过程中形成的大面积煤层燃空区等人为岩土活动产生的地下空洞或者天然地质运动在地表下产生的一系列空洞等自然地下空洞的地下空间构建系统，属于地下工程技术领域。
背景技术
地下空间是指属于地表以下，主要针对建筑方面来说的一个名词，它的范围很广，比如地下商城、地下停车场、地铁、穿海隧道等建筑空间。地下空间的开发利用是城市发展到一定阶段的产物，城市化加速发展使得城市地下空间开发利用同步加快发展成为必然。
我国现有的地下空间开发利用多是针对地下浅层部分进行的开发利用，而随着我国一线城市地下空间的开发利用，地下浅层部分将会利用完毕，为了综合利用地下空间资源，地下空间开发将逐步向深层发展，深层地下空间资源的开发利用已成为未来城市现代化建设的主要课题。
地下空洞是指地表以下被岩层覆盖的空间，一般是指空间较大的、位于地表以下深层的地下空腔。人为岩土活动如在煤矿开采中地下开采占世界煤矿生产的60％，而地下开采过程中将地下煤炭或煤矸石等开采完成后往往留下大面积的煤炭采空区形成地下空洞；另外，煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层，虽然煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，但煤炭地下气化过程中也会形成的大面积煤层燃空区地下空洞；另外，天然地质运动在地表下也会产生一系列地下空洞。
虽然地下空洞可以作为深层地下空间的开发基础，但传统的深层地下空间的开发与浅层地下空间的开发不同，深层地下空间开发无法像浅层地下空间开发一样先在地表开挖基坑、再在基坑内进行施工，传统的深层地下空间开发通常是基于BIM技术和深层开挖装备及技术的基础上，通常是先进行开挖并支护后采用如预制钢筋混凝土柱地基基础、预制外墙、预制楼板等PC构件进行吊装拼接施工工序，再进行压力灌浆与现浇节点处理等后续施工工序。传统的深层地下空间开发施工过程中通常需要空间占用较大的输送设备、支护设备和起重设备，通常需要耗费大量人力物力，深层地下空间开发成本较大；另外，深层地下空间在开挖后深层地下空间的原始应力状态通常被破坏，从而致使应力重新分布，深层地下空间施工过程中在上覆压力和地下水等因素的作用下，深层地下空间极易发生如片帮、冒顶、突水、岩爆、冲击地压等多种形式的地质灾害，施工环境恶劣、且施工作业安全性较差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种地下空间构建系统，自动化程度高，可以在实现对地下空洞内部进行有效支护的前提下实现基于地下空洞的深层地下空间的构建，同时实现降低开发成本、降低施工安全隐患，特别适用于基于地下空洞的深层地下空间构建作业。
为实现上述目的，地下空间构建系统包括地形探测及处理机器人单元、3D打印机器人单元和集中电控单元；
所述的地形探测及处理机器人单元包括全地形行走底盘、探测机械臂、旋挖机械臂和车载电控装置；全地形行走底盘设置在地形探测及处理机器人单元的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头，探测头包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构；旋挖机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，旋挖机械臂包括旋挖机械臂驱动，旋挖机械臂驱动至少包括控制旋挖机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制旋挖机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制旋挖机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，旋挖机械臂的末节上设有具有旋挖驱动的旋挖截割头；车载电控装置固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路、旋挖控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头的探测头角度定位控制驱动电连接，工业控制计算机分别与旋挖机械臂驱动、旋挖截割头的旋挖驱动电连接；
所述的3D打印机器人单元包括全地形行走底盘、打印机械臂、打印材料输入装置和打印电控装置；全地形行走底盘设置在3D打印机器人单元的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂安装在全地形行走底盘上，打印机械臂包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，打印机械臂的末节上设有3D打印装置，3D打印装置包括3D打印喷头；打印材料输入装置包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3D打印喷头通过打印材料输出管路连接；打印电控装置固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置包括工业控制计算机、3D打印机器人行走控制回路、3D打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接；
所述的集中电控单元包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、地形处理回路、3D打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置的工业控制计算机和打印电控装置的工业控制计算机电连接。
作为本发明的进一步改进方案，所述的旋挖机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构和沿竖直方向为中轴线旋转移动的C坐标旋转驱动机构。
作为本发明的进一步改进方案，旋挖机械臂的末节上对应旋挖截割头的位置还设有模式识别传感器，集中电控单元还包括旋挖修正回路，中央控制计算机与旋挖机械臂末节上的模式识别传感器电连接。
作为本发明的进一步改进方案，地下空间构建系统的探测机械臂包括探测机械臂驱动，探测机械臂驱动至少包括控制探测机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、或控制探测机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、或控制探测机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构；车载电控装置还包括探测机械臂控制回路，车载电控装置的工业控制计算机与探测机械臂的探测机械臂驱动电连接；集中电控单元还包括扫描间距控制回路。
作为本发明的进一步改进方案，地下空间构建系统的打印机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构，或者还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构。
作为本发明的进一步改进方案，地下空间构建系统的打印喷头上还设有模式识别传感器，集中电控单元还包括3D打印实体修正回路，中央控制计算机与打印喷头上的模式识别传感器电连接。
作为本发明的进一步改进方案，集中电控单元的中央控制计算机分别与车载电控装置的工业控制计算机和打印电控装置的工业控制计算机无线电连接，中央控制计算机与车载电控装置的工业控制计算机和打印电控装置的工业控制计算机之间的数据传输均通过无线通讯的方式。
作为本发明的进一步改进方案，地形探测及处理机器人单元还包括碎渣暂存装置，碎渣暂存装置包括设置在旋挖机械臂下方的耙装机构、设置在耙装机构后部的转载暂存机构，耙装机构和转载暂存机构分别与车载电控装置的工业控制计算机电连接，车载电控装置还包括碎渣收集处理回路。
作为本发明的打印材料输入的另一种实施方式，所述的打印材料包括石料废弃物粉末；打印材料供给子单元设置在地下巷道内，打印材料供给子单元与集中电控单元的中央控制计算机电连接，打印材料供给子单元包括原料配制装置，原料配制装置包括破碎机。
作为本发明的进一步改进方案，地形探测及处理机器人单元还包括碎渣暂存装置，碎渣暂存装置包括设置在旋挖机械臂下方的耙装机构、设置在耙装机构后部的转载暂存机构，耙装机构和转载暂存机构分别与车载电控装置的工业控制计算机电连接，车载电控装置还包括碎渣收集回用回路。
与现有技术相比，本地下空间构建系统由于包括地形探测及处理机器人单元、3D打印机器人单元和集中电控单元，在地形探测及处理机器人单元完成对地下空洞的扫描后构建地下空洞三维空间模型，集中电控单元的中央控制计算机根据输入的地下空洞地理位置数据和围岩数据等地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力场计算分析，并以地下空洞三维空间模型为基础、以不暴露地下空洞原始内表面为原则依次通过计算构建表面支护层模型，直至拟合生成设定的安全系数范围内的最终表面支护层模型并存储，然后中央控制计算机以最终表面支护层模型为基础拟合生成需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型并存储，然后在最终表面支护层模型基础上再根据应力计算分析结果和输入的安全系数依次在对应地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置拟合构建柱形支护模型，然后在柱形支护模型基础上根据地下空洞的空间布局拟合构建连接在柱形支护模型之间的墙板模型和楼板模型，最终拟合生成层状隔段结构的地下空间三维模型，然后先以参照坐标原点规划并存储需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径和去除基准坐标，再依次以参照坐标原点规划并存储表面支护层模型、柱形支护模型、墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标，地形探测及处理机器人单元根据去除路径完成地下空洞内表面的旋挖处理后3D打印机器人单元依照打印路径和打印基准坐标可在地下空洞内部直接3D打印地下空间三维模型的实体，根据地下空洞应力计算分析结果和输入安全系数、并3D直接打印成型的地下空间三维模型实体是具有针对性支护的基础实体建筑，可完全满足支护强度，在完成地下空间三维模型的实体打印后，施工人员可进入地下空间内部进行如水路电路施工、墙面装饰施工等后续施工；直接3D打印成型的方式可以节省大量的人力物力、不需要空间占用较大的输送设备、支护设备和起重设备，降低深层地下空间开发的成本，且具有较高的施工效率；同时由于施工作业不需要人员进入地下空洞，且实体打印过程中先打印表面支护层模型、再打印柱形支护模型，同时柱形支护模型的打印是按照应力集中由大至小的顺序，因此实现针对性顺序实体成型，施工安全性较高，特别适用于基于地下空洞的深层地下空间构建作业。
附图说明
图1是地下空间构建系统的结构示意图；
图2是使用本发明进行地下空洞内腔扫描时的地下空洞结构示意图；
图3是使用本发明进行去除多余的地下空洞原始内表面后的地下空洞结构示意图；
图4是使用本发明进行地下空间构建后的地下空洞结构示意图。
图中：1、地形探测及处理机器人单元，11、探测机械臂，12、车载电控装置，13、探测头，2、3D打印机器人单元，21、打印机械臂，22、打印材料输入装置，23、打印电控装置，24、3D打印喷头，3、集中电控单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，地下空间构建系统包括地形探测及处理机器人单元1、3D打印机器人单元2和集中电控单元3。
所述的地形探测及处理机器人单元1包括全地形行走底盘、探测机械臂11、旋挖机械臂和车载电控装置12；全地形行走底盘设置在地形探测及处理机器人单元1的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂11的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂11的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头13，探测头13包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构；旋挖机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，旋挖机械臂包括旋挖机械臂驱动，旋挖机械臂驱动至少包括控制旋挖机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制旋挖机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制旋挖机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，旋挖机械臂的末节上设有具有旋挖驱动的旋挖截割头；车载电控装置12固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置12包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头13的探测头角度定位控制驱动电连接，工业控制计算机分别与旋挖机械臂驱动、旋挖截割头的旋挖驱动电连接。
所述的3D打印机器人单元2包括全地形行走底盘、打印机械臂21、打印材料输入装置22和打印电控装置23；全地形行走底盘设置在3D打印机器人单元2的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂21安装在全地形行走底盘上，打印机械臂21包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，打印机械臂21的末节上设有3D打印装置，3D打印装置包括3D打印喷头24；打印材料输入装置22包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3D打印喷头24通过打印材料输出管路连接；打印电控装置23固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置23包括工业控制计算机、3D打印机器人行走控制回路、3D打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接。
所述的集中电控单元3包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、地形处理回路、3D打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头13的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置12的工业控制计算机和打印电控装置23的工业控制计算机电连接。
本地下空间构建系统在使用前，针对天然地质运动产生的地下空洞，通过地质雷达探测地下空洞的大概位置后，在保证掘进贯通点附近的原始岩层的支护强度较大的前提下选择合适的掘进贯通点，通过掘进机经掘进贯通点掘进出与地下空洞贯通的巷道并对该巷道进行有效支护。而针对煤矿采空区地下空洞或煤层燃空区地下空洞等人为岩土活动形成的地下空洞，由于人为岩土活动形成的地下空洞均具有与地下空洞贯通的巷道，因此可以省略该步骤。
以煤矿采空区为例，如图2所示，将地形探测及处理机器人单元1和3D打印机器人单元2置于与煤矿采空区连通的巷道内，然后集中电控单元3控制探测控制回路、探测机器人位置反馈修正回路、数据建模回路开始工作，中央控制计算机首先发出指令使车载电控装置12的探测头探测角度控制回路开始工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使探测头13的扫描仪在基点扫描平面内360°范围内旋转进行以初始位置为参照坐标原点的基点平面扫描，探测头13的扫描仪同时将该基点平面扫描数据发送至中央控制计算机、同时探测头13的陀螺仪将参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机将基点平面扫描数据和参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行存储；
然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置12的探测机器人行走控制回路开始工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制地形探测及处理机器人单元1的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使地形探测及处理机器人单元1整体以初始位置为参照坐标原点向煤矿采空区内部坐标移动步进一个设定步距并停止，然后探测头13的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据将与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置12的探测头探测角度控制回路再次工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于基点扫描平面的位置，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行第一步距平面扫描，探测头13的扫描仪将第一步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将第一步距平面扫描数据与基点平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储；
然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置12的工业控制计算机控制地形探测及处理机器人单元1整体以上一步进位置的坐标点为参照坐标点再次向煤矿采空区内部坐标移动步进一个设定步距并停止，以此类推，地形探测及处理机器人单元1每步进一步，探测头13的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据与上一步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与上一步进位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描，探测头13的扫描仪将步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将该步进位置的步距平面扫描数据与上一步进位置的步距平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储，直至根据探测头13的距离传感器的反馈完成整个煤矿采空区的扫描，中央控制计算机发出指令使地形探测及处理机器人单元1坐标回退至初始位置、并将最终的采空区三维空间模型进行存储。
数据建模回路开始工作，中央控制计算机根据输入的采空区地理位置数据和围岩数据等采空区外围环境地质数据对采空区三维空间模型的外部进行施加应力计算分析，并对采空区三维空间模型的稳定性、应力、位移、裂隙、渗透性、声特性、光特性、电特性、磁特性和结构特性等参数的演化过程进行计算分析，然后中央控制计算机以采空区三维空间模型为基础、以不暴露采空区原始内表面为原则在采空区三维空间模型的内部表面拟合构建初始表面支护层模型，然后中央控制计算机根据采空区空间利用最大化的原则在初始表面支护层模型的基础上向外部扩展拟合生成第二表面支护层模型，然后中央控制计算机以第二表面支护层模型为基础将在第二表面支护层模型上已暴露的部分采空区原始内表面进行模拟去除，然后中央控制计算机根据输入的采空区外围环境地质数据对已去除部分采空区原始内表面的采空区三维空间模型的外部进行施加应力场重新计算分析，以此类推，直至拟合生成设定的安全系数范围内的最终表面支护层模型并存储，然后中央控制计算机以最终表面支护层模型为基础拟合生成需去除的已暴露采空区原始内表面模型并存储；然后中央控制计算机在最终表面支护层模型基础上再根据应力计算分析结果和输入的安全系数依次在对应采空区三维空间模型内部表面的应力集中点位置和稳定性不高的位置拟合构建柱形支护模型，然后在柱形支护模型基础上根据采空区的空间布局拟合构建连接在柱形支护模型之间的墙板模型和楼板模型，最终拟合生成层状隔段结构的地下空间三维模型并存储地下空间三维模型坐标位置信息；然后中央控制计算机先以地形探测及处理机器人单元1的初始位置为参照坐标原点规划并存储需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径和去除基准坐标，再以3D打印机器人单元2的初始位置为参照坐标原点规划并存储最终表面支护层模型的打印路径和打印基准坐标，再以3D打印机器人单元2的初始位置为参照坐标原点、按照地下空间三维模型中应力集中由大至小的顺序规划并存储柱形支护模型的打印路径和打印基准坐标，最后以3D打印机器人单元2的初始位置为参照坐标原点规划并存储墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标。
地形处理回路开始工作，如图3所示，中央控制计算机发出指令使车载电控装置12的工业控制计算机控制地形探测及处理机器人单元1按照需去除的已暴露采空区原始内表面模型的去除路径坐标移动至去除基准坐标位置，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制旋挖机械臂驱动和旋挖驱动动作使旋挖截割头根据需去除的已暴露采空区原始内表面模型的去除路径坐标移动依次对采空区的内表面进行旋挖去除部分采空区的内表面，至去除路径终点时完成采空区内表面的旋挖处理，地形探测及处理机器人单元1回退至初始位置即可。
3D打印控制回路开始工作，中央控制计算机发出指令使打印电控装置23的3D打印机器人行走控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机依次根据表面支护层模型的打印路径和打印基准坐标、柱形支护模型的打印路径和打印基准坐标、墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标控制3D打印机器人单元2的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使3D打印机器人单元2坐标移动至煤矿采空区内部对应地下空间三维模型坐标位置的设定位置，然后3D打印喷头位置控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机根据打印路径控制打印机械臂21的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头24坐标移动至打印基准坐标位置，打印材料泵入机构控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机控制打印材料输入装置22的打印材料泵入机构动作使泵出的打印材料经3D打印喷头24输出，然后打印电控装置23的工业控制计算机控制打印机械臂21的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头24根据打印路径坐标移动进行3D打印，应力集中由大至小的顺序可以实现首先3D打印应力集中较大的部位首先进行支护，以进一步保证后续3D打印的安全性，如图4所示，至打印路径终点时完成地下空间三维模型的实体打印，3D打印机器人单元2回退至初始位置即可。
针对煤矿采空区内的即有支撑煤柱，可根据应力集中大小，先后在去除煤柱后施加应力场的采空区三维模型的基础上根据应力场的重新分布计算，保证稳固支护的前提下在重新计算后的应力集中点位置先3D打印柱形支护模型、再去除即有支撑煤柱。
本地下空间构建系统构建的地下空间三维模型的实体是具有针对性支护的基础实体建筑，可完全满足支护强度，在完成地下空间三维模型的实体打印后，施工人员可进入地下空间内部进行如水路电路施工、墙面装饰施工等后续施工。
为了增加旋挖机械臂的灵活度、实现全方位的旋挖操作，作为本发明的进一步改进方案，所述的旋挖机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构和沿竖直方向为中轴线旋转移动的C坐标旋转驱动机构。车载电控装置12的工业控制计算机可以根据需去除的已暴露采空区原始内表面模型灵活控制旋挖截割头靠近需去除的采空区原始内表面，以旋挖截割头的旋转轴线垂直或平行于需去除的采空区原始内表面的方向对需去除的采空区原始内表面进行铣削。
为了进一步准确保证旋挖去除的效果，作为本发明的进一步改进方案，旋挖机械臂的末节上对应旋挖截割头的位置还设有模式识别传感器，集中电控单元3还包括旋挖修正回路，中央控制计算机与旋挖机械臂末节上的模式识别传感器电连接。地形处理过程中，旋挖机械臂末节上的模式识别传感器实时向中央控制计算机反馈需去除的采空区原始内表面的形体尺寸数据，旋挖修正回路工作，中央控制计算机将该需去除的采空区原始内表面的形体尺寸数据与存储的需去除的已暴露采空区原始内表面模型数据进行比较，若该需去除的采空区原始内表面的形体尺寸数据小于需去除的已暴露采空区原始内表面模型数据，则中央控制计算机发出指令控制旋挖机械臂使旋挖截割头继续向靠近该需去除的采空区原始内表面的方向步进靠近，直至该需去除的采空区原始内表面的形体尺寸数据大于或等于需去除的已暴露采空区原始内表面模型的模型数据，则停止旋挖。
本地下空间构建系统探测头13的扫描仪的扫描平面可以根据具体工况采用水平扫描平面或者采用竖直扫描平面，扫描方式可以采用基于雷达技术的雷达扫描、基于激光技术的激光扫描、基于红外成像的红外线扫描、基于超声波定位的超声波扫描、基于磁信号的磁性扫描等。
为了能够在对地下空洞进行扫描的同时得到地下空洞周围围岩的岩性数据，进而便于后续的应力计算，作为本发明的进一步改进方案，探测头13的扫描仪的扫描方式采用基于无线传电的非接触电位测量方式。
为了充分利用如煤矸石、建筑垃圾等人为岩土活动产生的废弃物，作为本发明的进一步改进方案，所述的打印材料包括煤矸石或建筑垃圾等石料废弃物粉末。
针对天然地质运动产生的地下空洞，作为本发明打印材料供给子单元的一种实施方式，打印材料供给子单元设置在地面，打印材料供给子单元包括原料配制装置和延伸至地下并与打印材料泵入机构的输入端连通连接的输送管道。
针对人为岩土活动形成的地下空洞，作为本发明打印材料供给子单元的另一种实施方式，打印材料供给子单元设置在地下巷道内，打印材料供给子单元与集中电控单元3的中央控制计算机电连接，打印材料供给子单元包括原料配制装置，原料配制装置包括破碎机。集中电控单元3的中央控制计算机控制打印材料供给子单元使破碎机直接将煤矸石进行现场破碎，避免矸石上井的额外动力消耗。
在去除多余的采空区原始内表面后为了能够实现自动清理掉落的碎渣、以便于后续的3D打印，作为本发明的进一步改进方案，地形探测及处理机器人单元1还包括碎渣暂存装置，碎渣暂存装置包括设置在旋挖机械臂下方的耙装机构、设置在耙装机构后部的转载暂存机构，耙装机构和转载暂存机构分别与车载电控装置12的工业控制计算机电连接，车载电控装置12还包括碎渣收集处理回路。在旋挖机械臂动作去除多余的采空区原始内表面过程中碎渣收集处理回路同时开始工作，耙装机构将掉落的碎渣进行耙装并转载至转载暂存机构暂存，完成采空区内表面的旋挖处理后地形探测及处理机器人单元1回退至初始位置并将转载暂存机构内的碎渣进行释放，或者将转载暂存机构内的碎渣直接送入打印材料供给子单元的破碎机内实现回用。
为了实现各扫描平面之间的均匀度、进而更准确地拟合生成采空区三维空间模型，作为本发明的进一步改进方案，所述的探测机械臂11包括探测机械臂驱动，探测机械臂驱动至少包括控制探测机械臂11左右水平方向移动的X坐标驱动机构、或控制探测机械臂11前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、或控制探测机械臂11竖直方向移动的Z坐标驱动机构；车载电控装置12还包括探测机械臂控制回路，车载电控装置12的工业控制计算机与探测机械臂11的探测机械臂驱动电连接；所述的集中电控单元3还包括扫描间距控制回路。地形探测及处理机器人单元1每步进一步，中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置后，中央控制计算机同时根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置12的探测机械臂控制回路工作，车载电控装置12控制探测机械臂驱动动作使该步进位置的扫描仪的扫描平面与上一步进位置的扫描仪的扫描平面之间的间距调整至设定距离，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描。
为了增加打印喷头24的灵活度、实现全方位的3D打印，作为本发明的进一步改进方案，打印机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构，或者还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构。
为了进一步准确保证3D打印的效果，作为本发明的进一步改进方案，打印喷头24上还设有模式识别传感器，集中电控单元3还包括3D打印实体修正回路，中央控制计算机与模式识别传感器电连接。3D打印过程中，模式识别传感器实时向中央控制计算机反馈3D打印实体的形体尺寸数据，3D打印实体修正回路工作，中央控制计算机将该3D打印实体的形体尺寸数据与存储的地下空间三维模型上对应部分的模型数据进行比较，若3D打印实体的形体尺寸数据小于地下空间三维模型上对应部分的模型数据，则中央控制计算机发出指令控制3D打印喷头24中断打印路径、并根据地下空间三维模型上对应部分的模型数据按照此部分的打印路径重复进行此部分打印路径的3D打印，直至3D打印实体的形体尺寸数据大于或等于地下空间三维模型上对应部分的模型数据，然后中央控制计算机再发出指令控制3D打印喷头24继续按规划的打印路径进行3D打印。
本地下空间构建系统由于包括地形探测及处理机器人单元1、3D打印机器人单元2和集中电控单元3，在地形探测及处理机器人单元1完成对地下空洞的扫描后构建地下空洞三维空间模型，集中电控单元3的中央控制计算机根据输入的地下空洞地理位置数据和围岩数据等地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力场计算分析，并以地下空洞三维空间模型为基础、以不暴露地下空洞原始内表面为原则依次通过计算构建表面支护层模型，直至拟合生成设定的安全系数范围内的最终表面支护层模型并存储，然后中央控制计算机以最终表面支护层模型为基础拟合生成需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型并存储，然后在最终表面支护层模型基础上再根据应力计算分析结果和输入的安全系数依次在对应地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置拟合构建柱形支护模型，然后在柱形支护模型基础上根据地下空洞的空间布局拟合构建连接在柱形支护模型之间的墙板模型和楼板模型，最终拟合生成层状隔段结构的地下空间三维模型，然后先以参照坐标原点规划并存储需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径和去除基准坐标，再依次以参照坐标原点规划并存储表面支护层模型、柱形支护模型、墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标，地形探测及处理机器人单元1根据去除路径完成地下空洞内表面的旋挖处理后3D打印机器人单元2依照打印路径和打印基准坐标可在地下空洞内部直接3D打印地下空间三维模型的实体，根据地下空洞应力计算分析结果和输入安全系数、并3D直接打印成型的地下空间三维模型实体是具有针对性支护的基础实体建筑，可完全满足支护强度，在完成地下空间三维模型的实体打印后，施工人员可进入地下空间内部进行如水路电路施工、墙面装饰施工等后续施工；直接3D打印成型的方式可以节省大量的人力物力、不需要空间占用较大的输送设备、支护设备和起重设备，降低深层地下空间开发的成本，且具有较高的施工效率；同时由于施工作业不需要人员进入地下空洞，且实体打印过程中先打印表面支护层模型、再打印柱形支护模型，同时柱形支护模型的打印是按照应力集中由大至小的顺序，因此实现针对性顺序实体成型，施工安全性较高，特别适用于基于地下空洞的深层地下空间构建作业。
Claims (10)
1.一种地下空间构建系统，其特征在于，包括地形探测及处理机器人单元(1)、3D打印机器人单元(2)和集中电控单元(3)；
所述的地形探测及处理机器人单元(1)包括全地形行走底盘、探测机械臂(11)、旋挖机械臂和车载电控装置(12)；全地形行走底盘设置在地形探测及处理机器人单元(1)的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂(11)的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂(11)的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头(13)，探测头(13)包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构；旋挖机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，旋挖机械臂包括旋挖机械臂驱动，旋挖机械臂驱动至少包括控制旋挖机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制旋挖机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制旋挖机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，旋挖机械臂的末节上设有具有旋挖驱动的旋挖截割头；车载电控装置(12)固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置(12)包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路、旋挖控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头(13)的探测头角度定位控制驱动电连接，工业控制计算机分别与旋挖机械臂驱动、旋挖截割头的旋挖驱动电连接；
所述的3D打印机器人单元(2)包括全地形行走底盘、打印机械臂(21)、打印材料输入装置(22)和打印电控装置(23)；全地形行走底盘设置在3D打印机器人单元(2)的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂(21)安装在全地形行走底盘上，打印机械臂(21)包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，打印机械臂(21)的末节上设有3D打印装置，3D打印装置包括3D打印喷头(24)；打印材料输入装置(22)包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3D打印喷头(24)通过打印材料输出管路连接；打印电控装置(23)固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置(23)包括工业控制计算机、3D打印机器人行走控制回路、3D打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接；
所述的集中电控单元(3)包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、地形处理回路、3D打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头(13)的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机和打印电控装置(23)的工业控制计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的地下空间构建系统，其特征在于，所述的旋挖机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构、和沿竖直方向为中轴线旋转移动的C坐标旋转驱动机构。
3.根据权利要求2所述的地下空间构建系统，其特征在于，旋挖机械臂的末节上对应旋挖截割头的位置还设有模式识别传感器，集中电控单元(3)还包括旋挖修正回路，中央控制计算机与旋挖机械臂末节上的模式识别传感器电连接。
4.根据权利要求1所述的地下空间构建系统，其特征在于，地下空间构建系统的探测机械臂(11)包括探测机械臂驱动，探测机械臂驱动至少包括控制探测机械臂(11)左右水平方向移动的X坐标驱动机构、或控制探测机械臂(11)前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、或控制探测机械臂(11)竖直方向移动的Z坐标驱动机构；车载电控装置(12)还包括探测机械臂控制回路，车载电控装置(12)的工业控制计算机与探测机械臂(11)的探测机械臂驱动电连接；集中电控单元(3)还包括扫描间距控制回路。
5.根据权利要求1所述的地下空间构建系统，其特征在于，地下空间构建系统的打印机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构，或者还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构。
6.根据权利要求5所述的地下空间构建系统，其特征在于，地下空间构建系统的打印喷头(24)上还设有模式识别传感器，集中电控单元(3)还包括3D打印实体修正回路，中央控制计算机与打印喷头(24)上的模式识别传感器电连接。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的地下空间构建系统，其特征在于，集中电控单元(3)的中央控制计算机分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机和打印电控装置(23)的工业控制计算机无线电连接。
8.根据权利要求1至6任一权利要求所述的地下空间构建系统，其特征在于，地形探测及处理机器人单元(1)还包括碎渣暂存装置，碎渣暂存装置包括设置在旋挖机械臂下方的耙装机构、设置在耙装机构后部的转载暂存机构，耙装机构和转载暂存机构分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机电连接，车载电控装置(12)还包括碎渣收集处理回路。
9.根据权利要求1至6任一权利要求所述的地下空间构建系统，其特征在于，所述的打印材料包括石料废弃物粉末；打印材料供给子单元设置在地下巷道内，打印材料供给子单元与集中电控单元(3)的中央控制计算机电连接，打印材料供给子单元包括原料配制装置，原料配制装置包括破碎机。
10.根据权利要求9所述的地下空间构建系统，其特征在于，地形探测及处理机器人单元(1)还包括碎渣暂存装置，碎渣暂存装置包括设置在旋挖机械臂下方的耙装机构、设置在耙装机构后部的转载暂存机构，耙装机构和转载暂存机构分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机电连接，车载电控装置(12)还包括碎渣收集回用回路。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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