CN109444877B - 基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描车及方法，包括爬齿导轨、牵引底座、托举耦合臂、天线夹持装置等；爬齿导轨放置于掌子面前方，通过调节分级铰接轴可调节支撑脚张开角度；牵引底座放置于爬齿导轨上，爬齿绞齿与爬轨轨齿紧密啮合；扭转轮盘在牵引底座顶部，可以通过扭转改变架持机头的方位；液压升降底柱位于扭转轮盘之上，链接架持机头与牵引底座，可以控制架持机头的高度；旋转轮盘位于架持机头前方通过旋转改变天线夹持装置的角度；托举耦合臂连接架持机头与天线夹持装置，通过伸缩将天线夹持装置抵靠在掌子面上，并通过接收压敏传感器的信号控制天线夹持装置与掌子面的耦合程度；天线夹持装置用于夹持天线。

Description

基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于爬齿导轨的全方位自动扫描装置及方法。

背景技术

地质雷达是隧道建设过程中频繁使用的超前地质预报设备，目前施工现场往往是人工架持雷达天线进行掌子面的往复扫描，然而雷达天线体积庞大质量较重导致人工架持操作费时费力，而且无法保证天线匀速连续前进。现场的雷达扫描任务多采用时间模式，如果雷达无法匀速连续扫描掌子面就会导致探测结果出现极大误差，影响后续预报结果，乃至影响隧道施工安全。此外，掌子面附近往往碎石较多地面崎岖不平，而且可能会有坠石发生，人工操作存在一定安全风险，而且很难保证雷达与掌子面的耦合，这就会影响雷达信号的接收，导致处理雷达信号困难，增加解译人员工作难度。目前的人工架持雷达天线只能满足扫描掌子面下部的任务，掌子面上方的测线任务无法完成，而且竖向的测线任务受限于托举天线的高度，效果也非常有限。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术条件的缺点和不足，提供一种基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描车；该装置可以与地质雷达协同工作，应用于地下洞室开挖过程中掌子面附近不同方位测线的地质雷达探测任务。

本发明采用下述技术方案：

一种基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描车，包括爬齿导轨、牵引底座、扭转轮盘、液压升降底柱、架持机头、旋转轮盘、托举耦合臂、天线夹持装置和控制系统；

所述的爬齿导轨放置于轨撑连接架上，轨撑连接架的底部设有支撑装置，通过调节支撑装置可以调节爬齿导轨的水平度；

所述的牵引底座放置于爬齿导轨上，在所述的牵引底座上设置有爬齿，所述的爬齿与爬轨导轨的轨齿啮合；使得牵引底座能可沿着所述的爬齿导轨移动；

所述的扭转轮盘设置在牵引底座顶部，可以通过扭转改变架持机头的方位；

所述的液压升降底柱位于扭转轮盘之上，链接架持机头与牵引底座，可以控制架持机头的高度；

所述的旋转轮盘位于架持机头前方可以通过旋转改变天线夹持装置的角度；

所述的托举耦合臂连接架持机头与天线夹持装置，可以通过伸缩将天线夹持装置抵靠在掌子面上，并可以通过接收压敏传感器的信号控制天线夹持装置与掌子面的耦合程度；

所述的天线夹持装置用于夹持天线，且其上设置有压敏传感器；所述的压敏传感器与托举耦合臂通讯；

所述的控制系统控制牵引底座、扭转轮盘、液压升降底柱和旋转轮盘。

进一步的技术方案，所述爬齿导轨采用分段组装结构，可以满足不同长度测线任务的要求。

进一步的技术方案，所述的支撑装置包括两个支撑脚，两个支撑脚通过分级铰接轴的调控下张开不同的角度以适应凹凸不平的地面环境，保证爬轨轨面的水平状态。

进一步的技术方案，在所述的牵引底座的上还设有滑轮，所述的牵引底座上的滑轮可以在爬轨轨面上顺畅滑行，同时可以作为支撑保证牵引底座的稳定平衡。

进一步的技术方案，所述的牵引底座可以通过设置测线长度、方位等参数，通过内置的控制系统完成自动巡航扫描掌子面的任务。

进一步的技术方案，所述的扭转轮盘、旋转轮盘可360度顺逆时针旋转，满足调整架持机头、天线夹持装置方位的要求。

进一步的技术方案，所述的液压升降底柱可以匀速平稳地抬升或下降架持机头，满足不同高度或者垂直方向的测线任务要求。

进一步的技术方案，所述的托举耦合臂可以接收耦合底板上压敏传感器传输的信号，从而控制其三个液压臂的伸缩，从而保证天线夹持装置与掌子面的耦合程度。

进一步的技术方案，所述的天线夹持装置采用高密度聚乙烯塑料制作，满足强度要求的同时，不会影响天线信号的接收；其包括耦合底板、固定压板和固定锁柱；所述的耦合底板上安装有压敏传感器和天线接口，所述的固定压板通过固定锁柱与耦合底板相连。

所述的压敏传感器位于耦合底板的四角，可以反馈整个耦合底板与掌子面的接触情况。

进一步的技术方案，所述的牵引底座、架持机头、天线夹持装置在完成参数输入任务后，可在内置控制系统的调控下，通过爬齿、液压升降柱、托举耦合臂、扭转轮盘、旋转轮盘满足既定方位测线的自动巡航扫描工作。

进一步的技术方案，所述的牵引底座、架持机头、天线夹持装置通过液压底柱和托举耦合臂连接，在收纳状态时液压装置处于收缩状态，便于携带，使用时将牵引底座放置于爬齿导轨上，将天线固定于天线夹持装置后，即可工作。

本发明的应用方法如下：

根据所需探测的掌子面范围内布设爬齿导轨；

将牵引底座放置于爬齿导轨上，将雷达天线固定于天线夹持装置上；

通过控制系统设置牵引底座的测线的长度、方位；

在控制系统的作用下液压底柱自动升降到目标高度，扭转轮盘、旋转轮盘自动旋转到目标方位，托举耦合臂自动伸缩抵靠在掌子面上；

在控制系统作用下，牵引底座自动匀速平稳巡航，天线夹持装置在压敏传感器的反馈下通过托举耦合臂的调节自动保持与掌子面的耦合状态；

牵引底座自动巡航到测线终点处后在控制系统作用下旋转轮盘自动旋转180度，然后牵引底座自动巡航返回测线起点处，完成测线的两次扫描任务。

本发明的有益效果是：

(1)本发明为隧道开挖掌子面附近的地质雷达探测工作提供了一种便携式全方位自动化扫描装置，通过牵引底座内置的控制系统，装置自动巡航，省却大量人力的消耗，提高工作效率，节约人力成本。

(2)本装置非常便携，操作简单。本装置全自动化完成测线的扫描任务，方便普及和操作，使用时只需要在掌子面附近布设好爬齿导轨，然后通过牵引底座输入测线参数，装置即可自动工作。

(3)本装置数据采集效果好。本装置考虑了扫描过程中天线的匀速和平稳运行以及与掌子面的耦合问题，可以更为规范化进行天线对掌子面的扫描工作。

(4)本装置成本低，安全性好。全自动化避免了施工人员长时间地呆在掌子面附近，而且不用在崎岖的碎石上行走，提高了地质雷达探测工作的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1、图2是本发明装置的爬齿导轨的支撑脚打开和闭合状态的正视图。

图3是本发明装置的爬齿导轨侧视图。

图4是本发明装置的爬齿导轨俯视图。

图5是本发明装置的爬齿导轨示意图。

图6是本发明装置的爬齿导轨连接状态下的示意图。

图7是本发明装置的爬齿导轨尾轨示意图。

图8是本发明装置的爬齿导轨和尾轨连接状态下的示意图。

图9、图10是本发明装置的爬齿正视图和侧视图。

图11、图12、图13是本发明装置的牵引底座的底部、顶部、侧面视图。

图14、图15、图16是本发明装置的架持机头的正视图、侧视图和底部视图。

图17、图18、图19是本发明装置的天线夹持装置底部视图、侧视图、顶部视图。

图20是本发明装置在掌子面附近的工作示意图。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中：1爬轨接口，2爬轨轨齿，3爬轨轨面，4轨撑连接架，5分级铰接轴，6支撑脚，7爬轨插头，8爬齿轮，9爬齿绞齿，10滑轮，11爬齿，12牵引底座，13扭转轮盘，14液压升降底柱，15托举耦合臂，16旋转轮盘，17架持机头，18压敏传感器，19耦合底板，20固定压板，21固定锁柱，22天线接口，23掌子面，24天线夹持装置，25爬齿导轨。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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，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。

名称解释部分；本发明中所述的爬齿导轨，包括第一导轨、第二导轨和连接轴；所述的第一导轨、第二导轨相互平行，两者之间通过与其垂直的连接轴相连，在所述的连接轴上设有轨齿，该轨齿与爬齿轮的爬齿绞齿配合，使得爬齿轮可以来回移动。

本发明中所述的托举耦合臂是指用于托举的耦合机械臂，该耦合机械臂的结构采用现有的耦合机械臂的结构。

实施例1：

如图20所示，一种基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，包括爬齿导轨25，牵引底座12，液压升降底柱14，架持机头17，托举耦合臂15、天线夹持装置24。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，爬齿导轨25包括爬轨接口1、爬轨爬齿2、爬轨轨面3、轨撑连接架4、分级铰接轴5、支撑脚6、爬轨插头7。

爬轨接口1、爬轨插头7可以嵌套固定，从而实现爬齿导轨25的连接加长。所述的爬轨轨面3通过爬轨爬齿2连接在一起，所述的支撑脚6通过分级铰接轴5与轨撑连接架4连接在一起。

分级铰接轴5可以控制支撑脚6的张开角度，所述的支撑脚6可以插入掌子面附近的碎石之中并保持稳定。

如图11、图12、图13所示，牵引底座12由滑轮10、爬齿11、扭转轮盘13、液压升降底柱14组成。所述的爬齿11由爬齿轮8和爬齿绞齿9构成。牵引底座12包含两个爬齿11和六个滑轮10。爬齿11可以顺时针和逆时针转动，从而控制牵引底座12前进或者后退。滑轮10主要起平衡和稳定作用。所述扭转轮盘可以顺时针逆时针转动。爬齿绞齿9正好可以密切卡合在爬轨轨齿的间隙里，保证爬齿轮不打滑。

进一步的技术方案，牵引底座上的爬齿11可以与爬轨爬齿2紧密啮合，从而保证牵引底座匀速平稳运行，同时可以在一定范围内调整其运行速度；

如图14、图15、图16所示，架持机头17由液压升降底柱14、托举耦合臂15、旋转轮盘16构成。

液压升降底柱14连接牵引底座12和架持机头17，可以自由升降从而控制架持机头的高度。

旋转轮盘16可以顺时针逆时针旋转，所述托举耦合臂15由三条液压臂构成，可以分别进行伸缩动作。

如图17、图18、图19所示，天线夹持装置24由托举耦合臂15、压敏传感器18、耦合底板19、固定压板20、固定锁柱21、天线接口22组成。

所述的托举耦合臂连接天线夹持装置24和架持机头17，能够通过三条液压臂的分别伸缩控制天线夹持装置24的悬举位置和耦合底板19的偏转角度。

压敏传感器共计四个，位于耦合底板19的四角，可以将压力信号传输给托举耦合臂15，从而托举耦合臂15根据压力信号调节其液压臂的伸缩；耦合臂内自带多种掌子面情况的训练结果，可以在绝大多数现场掌子面情况中根据压敏传感器进行自动调整。如果碰到特殊的掌子面情况出现不能自动调整耦合臂，装置就会停止运行，此时可以进行人工控制方式进行掌子面的扫描工作。

耦合底板19、固定压板20可在固定锁柱21的作用下将雷达天线固定成一个整体。

天线接口22设置在耦合底板19上，可以保证电缆与雷达天线的连接。

牵引底座、架持机头、天线夹持装置在完成参数输入任务后，可在内置控制系统的调控下，通过爬齿、液压升降柱、托举耦合臂、扭转轮盘、旋转轮盘满足既定方位测线的自动巡航扫描工作。

牵引底座、架持机头、天线夹持装置通过液压底柱和托举耦合臂连接，在收纳状态时液压装置处于收缩状态，便于携带，使用时将牵引底座放置于爬齿导轨上，将天线固定于天线夹持装置后，即可工作。

本发明的应用方法如下：

A、根据所需探测的掌子面23范围内布设爬齿导轨25；

B、将牵引底座12放置于爬齿导轨25上，将雷达天线固定于天线夹持装置24上；

C、通过控制系统设置牵引底座12的测线的长度、方位等参数；

D、在控制系统的作用下液压升降底柱14自动升降到目标高度，扭转轮盘13、旋转轮盘16自动旋转到目标方位，托举耦合臂15自动伸缩抵靠在掌子面23上；

E、在控制系统作用下，牵引底座12自动匀速平稳巡航，天线夹持装置24在压敏传感器18的反馈下通过托举耦合臂15的调节自动保持与掌子面23的耦合状态；

E、牵引底座12自动巡航到测线终点处后在控制系统作用下旋转轮盘16自动旋转180度，然后牵引底座12自动巡航返回测线起点处，完成测线的两次扫描任务。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

((1)本发明为隧道开挖掌子面附近的地质雷达探测工作提供了一种便携式全方位自动化扫描装置，通过牵引底座内置的控制系统，装置自动巡航，省却大量人力的消耗，提高工作效率，节约人力成本。

(2)本装置非常便携，操作简单。本装置全自动化完成测线的扫描任务，方便普及和操作，使用时只需要在掌子面附近布设好爬齿导轨，然后通过牵引底座输入测线参数，装置即可自动工作。

(3)本装置数据采集效果好。本装置考虑了扫描过程中天线的匀速和平稳运行以及与掌子面的耦合问题，可以更为规范化进行天线对掌子面的扫描工作。

(4)本装置成本低，安全性好。全自动化避免了施工人员长时间地呆在掌子面附近，而且不用在崎岖的碎石上行走，提高了地质雷达探测工作的安全性。

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。

Claims (10)

1.基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，包括爬齿导轨、牵引底座、扭转轮盘、液压升降底柱、架持机头、旋转轮盘、托举耦合臂、天线夹持装置和控制系统；

所述的爬齿导轨放置于轨撑连接架上，轨撑连接架的底部设有支撑装置，通过调节支撑装置可以调节爬齿导轨的水平度；

所述的牵引底座放置于爬齿导轨上，在所述的牵引底座上设置有爬齿，所述的爬齿与爬轨导轨的轨齿啮合；使得牵引底座能可沿着所述的爬齿导轨移动；

所述的扭转轮盘设置在牵引底座顶部，可以通过扭转改变架持机头的方位；

所述的液压升降底柱位于扭转轮盘之上，链接架持机头与牵引底座，用于控制架持机头的高度；

所述的旋转轮盘位于架持机头前方可以通过旋转改变天线夹持装置的角度；

所述的托举耦合臂连接架持机头与天线夹持装置，通过伸缩将天线夹持装置抵靠在掌子面上，并可以通过接收压敏传感器的信号控制天线夹持装置与掌子面的耦合程度；

所述的天线夹持装置用于夹持天线，且其上设置有压敏传感器；所述的压敏传感器与托举耦合臂通讯；

所述的控制系统控制牵引底座、扭转轮盘、液压升降底柱、旋转轮盘。

2.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述爬齿导轨采用分段组装结构。

3.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的支撑装置包括两个支撑脚，两个支撑脚通过分级铰接轴的调控下张开不同的角度。

4.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，在所述的牵引底座的上还设有滑轮，所述的牵引底座上的滑轮可在爬轨轨面上顺畅滑行。

5.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的扭转轮盘、旋转轮盘可360度顺时针、逆时针旋转。

6.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的天线夹持装置采用高密度聚乙烯塑料制作，其包括耦合底板、固定压板和固定锁柱；所述的耦合底板上安装有压敏传感器和天线接口，所述的固定压板通过固定锁柱与耦合底板相连。

7.如权利要求6所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的压敏传感器位于耦合底板的四角，用于反馈整个耦合底板与掌子面的接触情况。

8.如权利要求7所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的托举耦合臂用于接收耦合底板上压敏传感器传输的信号，从而控制其液压臂的伸缩，从而保证天线夹持装置与掌子面的耦合程度。

9.如权利要求1所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置，其特征在于，所述的牵引底座、架持机头、天线夹持装置在完成参数输入任务后，可在内置控制系统的调控下，通过爬齿、液压升降柱、托举耦合臂、扭转轮盘、旋转轮盘满足既定方位测线的自动巡航扫描工作。

10.利用权利要求1-9任一所述的基于爬齿导轨的超前地质预报全方位自动扫描装置进行扫描的方法，其特征在于，

根据所需探测的掌子面范围内布设爬齿导轨；

将牵引底座放置于爬齿导轨上，将雷达天线固定于天线夹持装置上；

通过控制系统设置牵引底座的测线的长度、方位；

在控制系统的作用下液压底柱自动升降到目标高度，扭转轮盘、旋转轮盘自动旋转到目标方位，托举耦合臂自动伸缩抵靠在掌子面上；

在控制系统作用下，牵引底座自动匀速平稳巡航，天线夹持装置在压敏传感器的反馈下通过托举耦合臂的调节自动保持与掌子面的耦合状态；

牵引底座自动巡航到测线终点处后在控制系统作用下旋转轮盘自动旋转180度，然后牵引底座自动巡航返回测线起点处，完成测线的两次扫描任务。

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