CN110068478B - 一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，该方法包括步骤：一、确定土样位置；二、获取探井；三、下放取样机器人；四、固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向；五、下放样本框；六、获取土样；七、土样放样；八、运送土样；九、取样机器人的移位。本发明利用支撑气囊膨胀实现取样机器人与探井之间的固定，利用机器人刻槽取样，采用取样机构平稳准确的获取土样，利用平衡气囊平衡放样过程中土样对样本框的扰动，能使工人在不进入井内的前提下，将不扰动土取出，以保证工人的人身安全，体积小、质量轻、智能化程度高，可广泛用于各类土体取样，为科研设计提供优质的研究样本。

Description

一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法

技术领域

本发明属于不扰动土探井取样技术领域，具体涉及一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法。

背景技术

目前，在工程及科研工作中，由于机械采取土样会对土体产生扰动，所以，为了得到土体真实的物理力学指标，通常需要在野外进行探井取样。一般的探井取样，是用洛阳铲成井至设计深度后，再由经验丰富的工人进入井下，自上而下的在井壁上刻取出不同深度的不扰动土样(一般直径或边长为20厘米到30厘米的试块)，然后进行蜡封储存或直接进行现场物理指标的试验；探井取样对土的扰动性影响很小，其试验数据相对更准确，但该方法存在较大的安全隐患，特别是随着开挖深度的增大，隐患也随之增大。工程上因工人在井下作业而导致的伤亡事故也屡见不鲜，如井口碎石掉落砸伤，井内缺氧窒息死亡，甚至井壁坍塌掩埋等，这些隐患对工人的人身安全造成极大的危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其设计新颖合理，利用支撑气囊膨胀实现取样机器人与探井之间的固定，利用机器人刻槽取样，采用取样机构平稳准确的获取土样，利用平衡气囊平衡放样过程中土样对样本框的扰动，能使工人在不进入井内的前提下，将不扰动土取出，以保证工人的人身安全，同时还具有体积小、质量轻、智能化程度高、效率高、投入少的优点，可广泛用于各类土体取样，为科研设计提供优质的研究样本，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，所述不扰动土探井取样机器人包括安装在地面上的第一卷扬机和第二卷扬机，以及与第一卷扬机配合且伸入至探井内的取样机器人和与第二卷扬机配合且下放至所述取样机器人上的样本框，样本框为顶部和前部均敞口的样本框，所述取样机器人包括基座、安装在基座上的转盘和安装在转盘上且用于限定升降柱升降路径的中空结构的限位座，基座和转盘的横截面尺寸小于探井的横截面尺寸，基座的周向端面上设置有环形结构且用于固定基座位置的支撑气囊，支撑气囊位于基座和探井之间的空隙中，基座的底部安装有用于为支撑气囊供气的第一气泵，第一气泵为支撑气囊供气的管路上安装有第一电磁阀，升降柱的顶端固定安装有机身，机身的背部安装有平衡气囊，机身上开设有出气孔和用于与样本框配合的安装槽，所述安装槽为顶部和前部均为敞口的安装槽，机身的底板内开设有用于供取样机构水平滑动的取样机构滑轨，机身内设置有平衡气囊放气管、为取样机构提供推拉动力的取样动力机构和为平衡气囊供气的第二气泵，平衡气囊放气管的一端与平衡气囊连通，平衡气囊放气管的另一端与所述出气孔连通，平衡气囊放气管与平衡气囊连通的管路上安装有第二电磁阀，机身的两外侧面上分别设置有机械臂，机械臂远离机身的一端安装有切取土样的刮铲；样本框的外侧壁上安装有旋转伸缩杆，旋转伸缩杆远离机身的一端固定安装有推板；

取样机构包括承托板和设置在承托板上部且与机身为一体的限位板，限位板位于机身前侧的下边缘设置有限位块，承托板和限位板之间形成间隙，承托板上设置有与限位块配合的L形推送板，L形推送板的竖直面板与限位块抵接，L形推送板的水平面板上设置有取样板，L形推送板的水平面板和取样板之间设置有多个升降支墩，L形推送板的水平面板的厚度与取样板的厚度之和小于限位块的下表面与承托板的上表面之间的间距；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定土样位置：对现场的不扰动土体进行勘探，获取待取的土样的位置；

步骤二、获取探井：利用成孔工具在待取的土样竖直方向的旁侧进行成孔，获取探井，探井的横截面尺寸大于基座和转盘的横截面尺寸；

步骤三、下放取样机器人：将取样机器人与第一卷扬机的钢丝绳连接，利用第一卷扬机将取样机器人下放至探井内，直至机身上的安装槽的上表面高度低于待取的土样的底部高度，第一卷扬机停止钢丝绳下放工作，利用第一卷扬机对取样机器人持续悬吊；

步骤四、固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向：打开第一电磁阀，开启第一气泵，利用第一气泵为支撑气囊充气，使支撑气囊逐渐膨胀，并与探井的内壁挤压，直至膨胀后的支撑气囊与探井内壁之间的摩擦力大于取样机器人自重，实现将取样机器人固定在探井内，关闭第一气泵和第一电磁阀；

控制升降柱上升，直至取样板上表面初始高度与待取的土样的底面高度一致；

控制转盘转动，转盘转动带动限位座、升降柱和机身同步转动，直至机身上的安装槽前部敞口正对待取的土样；

开启第二气泵，利用第二气泵为平衡气囊充气，使平衡气囊逐渐膨胀，并与探井的内壁挤压；

步骤五、下放样本框：将样本框与第二卷扬机的钢丝绳连接，利用第二卷扬机将样本框下放至机身上的安装槽内，其中，样本框的顶部敞口与安装槽的顶部敞口位置一致，样本框的前部敞口与安装槽的前部敞口位置一致，旋转伸缩杆将推板旋转上升至样本框的前侧上方；

步骤六、获取土样：根据样本框的大小以及取样需求，机身的两外侧面上的两个机械臂带动两个刮铲通过刻槽的方式对指定高度的土样进行刻槽取样，刻槽位置包括土样的左边缘位置、右边缘位置、上边缘位置、下边缘位置和后边缘位置，所述机械臂为蛇形机械臂；

步骤七、土样放样：利用取样动力机构推动取样机构工作，所述取样动力机构为电动自动伸缩机构，所述电动自动伸缩机构包括两个旋转电机以及一个用于推拉承托板的第一推拉伸缩杆和一个用于推拉L形推送板的第二推拉伸缩杆，第一推拉伸缩杆与两个旋转电机中的一个旋转电机传动连接，第二推拉伸缩杆与两个旋转电机中的另一个旋转电机传动连接；

利用一个旋转电机工作推动第一推拉伸缩杆伸出，直至承托板与土样下部的不扰动土体抵接，利用另一个旋转电机工作推动第二推拉伸缩杆伸出，直至L形推送板与限位块抵接，并提供取样板动力，使取样板插入至土样底部；

控制升降支墩上升，直至取样板的上表面与样本框的内底面平齐；

控制第一推拉伸缩杆缩回，使取样板与样本框接触，此时，取样板的上表面与样本框的内底面衔接为一个连续的平面；

旋转伸缩杆将推板旋转至土样的后方，控制旋转伸缩杆缩回，推板推动土样平稳进入样本框内，直至推板与样本框抵接，完成土样的放样；

步骤八、运送土样：推板对样本框中的土样进行围挡保护，利用第二卷扬机将样本框从安装槽内提起，并提升至地面上，完成土样的运送；

步骤九、取样机器人的移位：控制第二推拉伸缩杆缩回，使取样机构恢复初始状态，控制第二电磁阀打开，平衡气囊中的气体经平衡气囊放气管和出气孔排放至外界，同时，控制支撑气囊的气体排放至外界，支撑气囊收缩，实现取样机器人与探井的分离，同时实现取样机器人上土渣的下放；

当取样机器人在该探井上其他位置进行取样时，循环步骤一；

当取样机器人无需在该探井上其他位置进行取样时，利用第一卷扬机将取样机器人从探井中提升至地面。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述基座内设置有第一集成电路板，所述第一集成电路板上集成有第一微控制器和与所述第一微控制器连接的第一电机，第一电机的输出轴伸出基座与转盘同轴连接，升降柱为电动升降柱，所述电动升降柱、第一气泵和第一电磁阀均由所述第一微控制器控制；

机身内设置有第二集成电路板，所述第二集成电路板上集成有第二微控制器，旋转电机、第二气泵、第二电磁阀和机械臂均由所述第二微控制器控制；

L形推送板内设置有第三集成电路板，所述第三集成电路板上集成有第三微控制器，升降支墩为电动升降支墩，所述电动升降支墩由所述第三微控制器控制；

样本框内设置有第四集成电路板，所述第四集成电路板上集成有第四微控制器，旋转伸缩杆包括安装在样本框的外侧壁上的第二电机和与所述第二电机的转轴连接且随转轴同步转动的多节电动推杆，推板与所述多节电动推杆远离转轴的一端固定连接，所述第二电机由所述第四微控制器控制。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述支撑气囊和平衡气囊的外表面均设置有耐磨保护层。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机身的上表面上与第一吊绳的一端连接，第一吊绳的另一端与第一卷扬机的钢丝绳连接，样本框的顶端安装有样本框连接架，样本框连接架的顶端与第二吊绳的一端连接，第二吊绳的另一端与第二卷扬机的钢丝绳连接。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机身的两外侧面上分别设置有刮铲收纳座，两个刮铲收纳座分别与两个机械臂配合，刮铲为铁质刮铲，刮铲收纳座内设置有磁铁。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机械臂为蛇形机械臂。

上述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述承托板和取样板远离平衡气囊的端部均为楔形结构。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过第一卷扬机悬吊伸入至探井内的取样机器人，通过第二卷扬机悬吊样本框，当样本框携带土样上至地面上时，支撑气囊支撑取样机器人的同时，利用第一卷扬机为取样机器人起到安全悬吊的作用，避免取样机器人与地面失联，样本框为顶部和前部均敞口的样本框的目的是一方面便于土样从样本框的前部进行入样本框，另一方面便于从地面上部观察土样进入样本框的情况；样本框的外侧壁上安装有旋转伸缩杆，旋转伸缩杆远离机身的一端固定安装有推板，推板的设置一是便于推动土样，实现土样移动至样本框内，二是为装有土样的样本框补全侧板，避免由于土样在样本框中放置不平衡，导致样本框上升过程中的翻倒；旋转伸缩杆为推板推动土样以及补全样本框侧板提供动力，使用效果好。

2、本发明通过在基座的周向端面上设置环形结构且用于固定基座位置的支撑气囊，利用支撑气囊的膨胀实现取样机器人与探井之间的固定，通过将机身固定安装在升降柱的顶端，调节样本框底板上表面与土样底面等高，通过控制转盘转动，进而带动限位座、升降柱和机身同步转动，直至机身上的安装槽前部敞口正对土样，机身的背部安装平衡气囊的目的是利用平衡气囊平衡放样过程中土样对样本框的扰动，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明设计新颖合理，体积小，取样机构设置在机身的底板内，利用取样动力机构为取样机构提供推拉动力，限位板与机身为一体且限位板位于机身前侧的下边缘设置限位块的目的是与L形推送板配合，避免L形推送板在承托板上移动时，滑出承托板，L形推送板的水平面板上设置取样板，且取样板通过取样动力机构提供的定力直接插入土样的底部，L形推送板的水平面板和取样板之间设置多个升降支墩的目的是将获取的土样底面升高至与样本框底板上表面平齐，便于推板推动土样的过程平稳，没有阻挡，便于推广使用。

4、本发明采用的方法，步骤简单，获取探井的空间体积小，避免过度成孔，造成不必要的资源浪费，利用第一卷扬机将取样机器人下放至探井内，能使工人在不进入井内的前提下，将不扰动土取出，以保证工人的人身安全，固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向过程简单，提取一个探井内多处土样时，每次仅需将样本框携带土样提升至地面，避免将整个取样机器人提升上来，过程简单，耗能低，取样机器人移位时，通过平衡气囊的泄气就可将土渣下放，同时实现取样机器人与探井的分离，便于操作取样机器人，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，利用支撑气囊膨胀实现取样机器人与探井之间的固定，利用机器人刻槽取样，采用取样机构平稳准确的获取土样，利用平衡气囊平衡放样过程中土样对样本框的扰动，能使工人在不进入井内的前提下，将不扰动土取出，以保证工人的人身安全，同时还具有体积小、质量轻、智能化程度高、效率高、投入少的优点，可广泛用于各类土体取样，为科研设计提供优质的研究样本，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明不扰动土探井取样机器人的结构示意图。

图2为本发明取样机构未伸出的结构示意图。

图3为本发明取样机构伸出的结构示意图。

图4为本发明取样机构伸出且取样板升起的结构示意图。

图5为本发明不扰动土探井取样机器人、探井和土样的位置关系示意图。

图6为图5中取样机构伸出且取样板升起的使用状态图。

图7为本发明土样放样的使用状态图。

图8为本发明方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—不扰动土体； 2—探井； 3—第一卷扬机；

4—第一吊绳； 5—第二卷扬机； 6—第二吊绳；

7—样本框连接架； 8—样本框； 9—基座；

10—转盘； 11—支撑气囊； 12—限位座；

13—升降柱； 14—第一气泵； 15—第一电磁阀；

16—机身； 17—取样机构； 17-1—承托板；

17-2—限位板； 17-3—限位块； 17-4—L形推送板；

17-5—取样板； 17-6—升降支墩； 17-7—间隙；

18—取样动力机构； 18-1—旋转电机；

18-2—第一推拉伸缩杆； 18-3—第二推拉伸缩杆；

19—第二气泵； 20—平衡气囊； 21—平衡气囊放气管；

22—第二电磁阀； 23—土样； 24—推板；

25—机械臂； 26—刮铲； 27—刮铲收纳座；

28—旋转伸缩杆； 29—取样机构滑轨； 30—转轴。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，所述不扰动土探井取样机器人包括安装在地面上的第一卷扬机3和第二卷扬机5，以及与第一卷扬机3配合且伸入至探井2内的取样机器人和与第二卷扬机5配合且下放至所述取样机器人上的样本框8，样本框8为顶部和前部均敞口的样本框，所述取样机器人包括基座9、安装在基座9上的转盘10和安装在转盘10上且用于限定升降柱13升降路径的中空结构的限位座12，基座9和转盘10的横截面尺寸小于探井2的横截面尺寸，基座9的周向端面上设置有环形结构且用于固定基座9位置的支撑气囊11，支撑气囊11位于基座9和探井2之间的空隙中，基座9的底部安装有用于为支撑气囊11供气的第一气泵14，第一气泵14为支撑气囊11供气的管路上安装有第一电磁阀15，升降柱13的顶端固定安装有机身16，机身16的背部安装有平衡气囊20，机身16上开设有出气孔和用于与样本框8配合的安装槽，所述安装槽为顶部和前部均为敞口的安装槽，机身16的底板内开设有用于供取样机构17水平滑动的取样机构滑轨29，机身16内设置有平衡气囊放气管21、为取样机构17提供推拉动力的取样动力机构18和为平衡气囊20供气的第二气泵19，平衡气囊放气管21的一端与平衡气囊20连通，平衡气囊放气管21的另一端与所述出气孔连通，平衡气囊放气管21与平衡气囊20连通的管路上安装有第二电磁阀22，机身16的两外侧面上分别设置有机械臂25，机械臂25远离机身16的一端安装有切取土样23的刮铲26；样本框8的外侧壁上安装有旋转伸缩杆28，旋转伸缩杆28远离机身16的一端固定安装有推板24；

取样机构17包括承托板17-1和设置在承托板17-1上部且与机身16为一体的限位板17-2，限位板17-2位于机身16前侧的下边缘设置有限位块17-3，承托板17-1和限位板17-2之间形成间隙17-7，承托板17-1上设置有与限位块17-3配合的L形推送板17-4，L形推送板17-4的竖直面板与限位块17-3抵接，L形推送板17-4的水平面板上设置有取样板17-5，L形推送板17-4的水平面板和取样板17-5之间设置有多个升降支墩17-6，L形推送板17-4的水平面板的厚度与取样板17-5的厚度之和小于限位块17-3的下表面与承托板17-1的上表面之间的间距；

需要说明的是，通过第一卷扬机3悬吊伸入至探井2内的取样机器人，通过第二卷扬机5悬吊样本框8，当样本框8携带土样23上至地面上时，支撑气囊11支撑取样机器人的同时，利用第一卷扬机3为取样机器人起到安全悬吊的作用，避免取样机器人与地面失联，样本框8为顶部和前部均敞口的样本框的目的是一方面便于土样23从样本框8的前部进行入样本框8，另一方面便于从地面上部观察土样23进入样本框8的情况；样本框8的外侧壁上安装有旋转伸缩杆28，旋转伸缩杆28远离机身16的一端固定安装有推板24，推板24的设置一是便于推动土样23，实现土样23移动至样本框8内，二是为装有土样23的样本框8补全侧板，避免由于土样23在样本框8中放置不平衡，导致样本框8上升过程中的翻倒；旋转伸缩杆28为推板24推动土样23以及补全样本框8侧板提供动力，使用效果好；通过在基座9的周向端面上设置环形结构且用于固定基座9位置的支撑气囊11，利用支撑气囊11的膨胀实现取样机器人与探井2之间的固定，通过将机身16固定安装在升降柱13的顶端，调节样本框8底板上表面与土样23底面等高，通过控制转盘10转动，进而带动限位座12、升降柱13和机身16同步转动，直至机身16上的安装槽前部敞口正对土样23，机身16的背部安装平衡气囊20的目的是利用平衡气囊20平衡放样过程中土样23对样本框8的扰动，可靠稳定；取样机构17设置在机身16的底板内，利用取样动力机构18为取样机构17提供推拉动力，限位板17-2与机身16为一体且限位板17-2位于机身16前侧的下边缘设置限位块17-3的目的是与L形推送板17-4配合，避免L形推送板17-4在承托板17-1上移动时，滑出承托板17-1，L形推送板17-4的水平面板上设置取样板17-5，且取样板17-5通过取样动力机构18提供的定力直接插入土样的底部，L形推送板17-4的水平面板和取样板17-5之间设置多个升降支墩17-6的目的是将获取的土样23底面升高至与样本框8底板上表面平齐，便于推板24推动土样23的过程平稳，没有阻挡。

该方法包括以下步骤：

步骤一、确定土样位置：对现场的不扰动土体1进行勘探，获取待取的土样23的位置；

步骤二、获取探井：利用成孔工具在待取的土样23竖直方向的旁侧进行成孔，获取探井2，探井2的横截面尺寸大于基座9和转盘10的横截面尺寸；

需要说明的是，利用成孔工具在待取的土样23竖直方向的旁侧进行成孔的目的是避免成孔过程中对待取的土样23的损坏。

步骤三、下放取样机器人：将取样机器人与第一卷扬机3的钢丝绳连接，利用第一卷扬机3将取样机器人下放至探井2内，直至机身16上的安装槽的上表面高度低于待取的土样23的底部高度，第一卷扬机3停止钢丝绳下放工作，利用第一卷扬机3对取样机器人持续悬吊；

需要说明的是，利用第一卷扬机3将取样机器人下放至探井2内，直至机身16上的安装槽的上表面高度低于待取的土样23的底部高度的目的是为了提供刮取土样23时土屑堆积的空间，避免土堆影响取样机器人正常工作。

步骤四、固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向：打开第一电磁阀15，开启第一气泵14，利用第一气泵14为支撑气囊11充气，使支撑气囊11逐渐膨胀，并与探井2的内壁挤压，直至膨胀后的支撑气囊11与探井2内壁之间的摩擦力大于取样机器人自重，实现将取样机器人固定在探井2内，关闭第一气泵14和第一电磁阀15；

控制升降柱13上升，直至取样板17-5上表面初始高度与待取的土样23的底面高度一致；

控制转盘10转动，转盘10转动带动限位座12、升降柱13和机身16同步转动，直至机身16上的安装槽前部敞口正对待取的土样23；

开启第二气泵19，利用第二气泵19为平衡气囊20充气，使平衡气囊20逐渐膨胀，并与探井2的内壁挤压；

步骤五、下放样本框：将样本框8与第二卷扬机5的钢丝绳连接，利用第二卷扬机5将样本框8下放至机身16上的安装槽内，其中，样本框8的顶部敞口与安装槽的顶部敞口位置一致，样本框8的前部敞口与安装槽的前部敞口位置一致，旋转伸缩杆28将推板24旋转上升至样本框8的前侧上方；

步骤六、获取土样：根据样本框8的大小以及取样需求，机身16的两外侧面上的两个机械臂25带动两个刮铲26通过刻槽的方式对指定高度的土样23进行刻槽取样，刻槽位置包括土样23的左边缘位置、右边缘位置、上边缘位置、下边缘位置和后边缘位置，所述机械臂25为蛇形机械臂；

步骤七、土样放样：利用取样动力机构18推动取样机构17工作，所述取样动力机构18为电动自动伸缩机构，所述电动自动伸缩机构包括两个旋转电机18-1以及一个用于推拉承托板17-1的第一推拉伸缩杆18-2和一个用于推拉L形推送板17-4的第二推拉伸缩杆18-3，第一推拉伸缩杆18-2与两个旋转电机18-1中的一个旋转电机18-1传动连接，第二推拉伸缩杆18-3与两个旋转电机18-1中的另一个旋转电机18-1传动连接；

利用一个旋转电机18-1工作推动第一推拉伸缩杆18-2伸出，直至承托板17-1与土样23下部的不扰动土体1抵接，利用另一个旋转电机18-1工作推动第二推拉伸缩杆18-3伸出，直至L形推送板17-4与限位块17-3抵接，并提供取样板17-5动力，使取样板17-5插入至土样23底部；

控制升降支墩17-6上升，直至取样板17-5的上表面与样本框8的内底面平齐；

控制第一推拉伸缩杆18-2缩回，使取样板17-5与样本框8接触，此时，取样板17-5的上表面与样本框8的内底面衔接为一个连续的平面；

旋转伸缩杆28将推板24旋转至土样23的后方，控制旋转伸缩杆28缩回，推板24推动土样23平稳进入样本框8内，直至推板24与样本框8抵接，完成土样23的放样；

步骤八、运送土样：推板24对样本框8中的土样23进行围挡保护，利用第二卷扬机5将样本框8从安装槽内提起，并提升至地面上，完成土样23的运送；

步骤九、取样机器人的移位：控制第二推拉伸缩杆18-3缩回，使取样机构17恢复初始状态，控制第二电磁阀22打开，平衡气囊20中的气体经平衡气囊放气管21和出气孔排放至外界，同时，控制支撑气囊11的气体排放至外界，支撑气囊11收缩，实现取样机器人与探井2的分离，同时实现取样机器人上土渣的下放；

当取样机器人在该探井2上其他位置进行取样时，循环步骤一；

当取样机器人无需在该探井2上其他位置进行取样时，利用第一卷扬机3将取样机器人从探井2中提升至地面。

需要说明的是，电动自动伸缩机构采用第一推拉伸缩杆18-2和第二推拉伸缩杆18-3，可实现推拉承托板17-1和推拉L形推送板17-4的过程相互独立，适应各种探井环境条件。

本实施例中，所述基座9内设置有第一集成电路板，所述第一集成电路板上集成有第一微控制器和与所述第一微控制器连接的第一电机，第一电机的输出轴伸出基座9与转盘10同轴连接，升降柱13为电动升降柱，所述电动升降柱、第一气泵14和第一电磁阀15均由所述第一微控制器控制；

机身16内设置有第二集成电路板，所述第二集成电路板上集成有第二微控制器，旋转电机18-1、第二气泵18、第二电磁阀22和机械臂25均由所述第二微控制器控制；

L形推送板17-4内设置有第三集成电路板，所述第三集成电路板上集成有第三微控制器，升降支墩17-6为电动升降支墩，所述电动升降支墩由所述第三微控制器控制；

样本框8内设置有第四集成电路板，所述第四集成电路板上集成有第四微控制器，旋转伸缩杆28包括安装在样本框8的外侧壁上的第二电机和与所述第二电机的转轴30连接且随转轴30同步转动的多节电动推杆，推板24与所述多节电动推杆远离转轴30的一端固定连接，所述第二电机由所述第四微控制器控制。

需要说明的是，第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器和第四微控制器均采用DSP微控制器或ARM微控制器，四个微控制器的配合可实现取样机器人的自动运行。

本实施例中，所述机身16的上表面上与第一吊绳4的一端连接，第一吊绳4的另一端与第一卷扬机3的钢丝绳连接，样本框8的顶端安装有样本框连接架7，样本框连接架7的顶端与第二吊绳6的一端连接，第二吊绳6的另一端与第二卷扬机5的钢丝绳连接。

本实施例中，所述机身16的两外侧面上分别设置有刮铲收纳座27，两个刮铲收纳座27分别与两个机械臂25配合，刮铲26为铁质刮铲，刮铲收纳座27内设置有磁铁。

需要说明的是，机身16的两外侧面上分别设置刮铲收纳座27的目的是便于收纳两个机械臂25上的刮铲26，避免刮铲26对平衡气囊20的刮伤，刮铲26为铁质刮铲，刮铲收纳座27内设置磁铁的目的是实现对刮铲26的吸引，便于快捷的固定刮铲26。

本实施例中，所述机械臂25为蛇形机械臂。

需要说明的是，机械臂25采用蛇形机械臂的目的是便于机械臂25在不扰动土中的自由转弯，实现在刮取土样23的过程中对远离探井2的一面的刮取。

本实施例中，所述承托板17-1和取样板17-5远离平衡气囊20的端部均为楔形结构。

需要说明的是，承托板17-1远离平衡气囊20的端部为楔形结构的目的是缓冲承托板17-1与不扰动土接触时的震动力，取样板17-5远离平衡气囊20的端部为楔形结构的目的是便于取样板17-5快速插入以切取好的土样23的底部，获取土样23。

本实施例中，所述支撑气囊11和平衡气囊的外表面均设置有耐磨保护层。

需要说明的是，支撑气囊11和平衡气囊20的外表面均设置耐磨保护层的目的是提高支撑气囊11和平衡气囊20的强度，避免粗糙的土质对支撑气囊11和平衡气囊20的扎伤。

本发明使用时，步骤简单，获取探井的空间体积小，避免过度成孔，造成不必要的资源浪费，利用第一卷扬机将取样机器人下放至探井内，能使工人在不进入井内的前提下，将不扰动土取出，以保证工人的人身安全，固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向过程简单，提取一个探井内多处土样时，每次仅需将样本框携带土样提升至地面，避免将整个取样机器人提升上来，过程简单，耗能低，取样机器人移位时，通过平衡气囊的泄气就可将土渣下放，同时实现取样机器人与探井的分离，便于操作取样机器人。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，所述不扰动土探井取样机器人包括安装在地面上的第一卷扬机(3)和第二卷扬机(5)，以及与第一卷扬机(3)配合且伸入至探井(2)内的取样机器人和与第二卷扬机(5)配合且下放至所述取样机器人上的样本框(8)，样本框(8)为顶部和前部均敞口的样本框，所述取样机器人包括基座(9)、安装在基座(9)上的转盘(10)和安装在转盘(10)上且用于限定升降柱(13)升降路径的中空结构的限位座(12)，基座(9)和转盘(10)的横截面尺寸小于探井(2)的横截面尺寸，基座(9)的周向端面上设置有环形结构且用于固定基座(9)位置的支撑气囊(11)，支撑气囊(11)位于基座(9)和探井(2)之间的空隙中，基座(9)的底部安装有用于为支撑气囊(11)供气的第一气泵(14)，第一气泵(14)为支撑气囊(11)供气的管路上安装有第一电磁阀(15)，升降柱(13)的顶端固定安装有机身(16)，机身(16)的背部安装有平衡气囊(20)，机身(16)上开设有出气孔和用于与样本框(8)配合的安装槽，所述安装槽为顶部和前部均为敞口的安装槽，机身(16)的底板内开设有用于供取样机构(17)水平滑动的取样机构滑轨(29)，机身(16)内设置有平衡气囊放气管(21)、为取样机构(17)提供推拉动力的取样动力机构(18)和为平衡气囊(20)供气的第二气泵(19)，平衡气囊放气管(21)的一端与平衡气囊(20)连通，平衡气囊放气管(21)的另一端与所述出气孔连通，平衡气囊放气管(21)与平衡气囊(20)连通的管路上安装有第二电磁阀(22)，机身(16)的两外侧面上分别设置有机械臂(25)，机械臂(25)远离机身(16)的一端安装有切取土样(23)的刮铲(26)；样本框(8)的外侧壁上安装有旋转伸缩杆(28)，旋转伸缩杆(28)远离机身(16)的一端固定安装有推板(24)；

取样机构(17)包括承托板(17-1)和设置在承托板(17-1)上部且与机身(16)为一体的限位板(17-2)，限位板(17-2)位于机身(16)前侧的下边缘设置有限位块(17-3)，承托板(17-1)和限位板(17-2)之间形成间隙(17-7)，承托板(17-1)上设置有与限位块(17-3)配合的L形推送板(17-4)，L形推送板(17-4)的竖直面板与限位块(17-3)抵接，L形推送板(17-4)的水平面板上设置有取样板(17-5)，L形推送板(17-4)的水平面板和取样板(17-5)之间设置有多个升降支墩(17-6)，L形推送板(17-4)的水平面板的厚度与取样板(17-5)的厚度之和小于限位块(17-3)的下表面与承托板(17-1)的上表面之间的间距；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定土样位置：对现场的不扰动土体(1)进行勘探，获取待取的土样(23)的位置；

步骤二、获取探井：利用成孔工具在待取的土样(23)竖直方向的旁侧进行成孔，获取探井(2)，探井(2)的横截面尺寸大于基座(9)和转盘(10)的横截面尺寸；

步骤三、下放取样机器人：将取样机器人与第一卷扬机(3)的钢丝绳连接，利用第一卷扬机(3)将取样机器人下放至探井(2)内，直至机身(16)上的安装槽的上表面高度低于待取的土样(23)的底部高度，第一卷扬机(3)停止钢丝绳下放工作，利用第一卷扬机(3)对取样机器人持续悬吊；

步骤四、固定取样机器人并调整取样机器人的高度和朝向：打开第一电磁阀(15)，开启第一气泵(14)，利用第一气泵(14)为支撑气囊(11)充气，使支撑气囊(11)逐渐膨胀，并与探井(2)的内壁挤压，直至膨胀后的支撑气囊(11)与探井(2)内壁之间的摩擦力大于取样机器人自重，实现将取样机器人固定在探井(2)内，关闭第一气泵(14)和第一电磁阀(15)；

控制升降柱(13)上升，直至取样板(17-5)上表面初始高度与待取的土样(23)的底面高度一致；

控制转盘(10)转动，转盘(10)转动带动限位座(12)、升降柱(13)和机身(16)同步转动，直至机身(16)上的安装槽前部敞口正对待取的土样(23)；

开启第二气泵(19)，利用第二气泵(19)为平衡气囊(20)充气，使平衡气囊(20)逐渐膨胀，并与探井(2)的内壁挤压；

步骤五、下放样本框：将样本框(8)与第二卷扬机(5)的钢丝绳连接，利用第二卷扬机(5)将样本框(8)下放至机身(16)上的安装槽内，其中，样本框(8)的顶部敞口与安装槽的顶部敞口位置一致，样本框(8)的前部敞口与安装槽的前部敞口位置一致，旋转伸缩杆(28)将推板(24)旋转上升至样本框(8)的前侧上方；

步骤六、获取土样：根据样本框(8)的大小以及取样需求，机身(16)的两外侧面上的两个机械臂(25)带动两个刮铲(26)通过刻槽的方式对指定高度的土样(23)进行刻槽取样，刻槽位置包括土样(23)的左边缘位置、右边缘位置、上边缘位置、下边缘位置和后边缘位置，所述机械臂(25)为蛇形机械臂；

步骤七、土样放样：利用取样动力机构(18)推动取样机构(17)工作，所述取样动力机构(18)为电动自动伸缩机构，所述电动自动伸缩机构包括两个旋转电机(18-1)以及一个用于推拉承托板(17-1)的第一推拉伸缩杆(18-2)和一个用于推拉L形推送板(17-4)的第二推拉伸缩杆(18-3)，第一推拉伸缩杆(18-2)与两个旋转电机(18-1)中的一个旋转电机(18-1)传动连接，第二推拉伸缩杆(18-3)与两个旋转电机(18-1)中的另一个旋转电机(18-1)传动连接；

利用一个旋转电机(18-1)工作推动第一推拉伸缩杆(18-2)伸出，直至承托板(17-1)与土样(23)下部的不扰动土体(1)抵接，利用另一个旋转电机(18-1)工作推动第二推拉伸缩杆(18-3)伸出，直至L形推送板(17-4)与限位块(17-3)抵接，并提供取样板(17-5)动力，使取样板(17-5)插入至土样(23)底部；

控制升降支墩(17-6)上升，直至取样板(17-5)的上表面与样本框(8)的内底面平齐；

控制第一推拉伸缩杆(18-2)缩回，使取样板(17-5)与样本框(8)接触，此时，取样板(17-5)的上表面与样本框(8)的内底面衔接为一个连续的平面；

旋转伸缩杆(28)将推板(24)旋转至土样(23)的后方，控制旋转伸缩杆(28)缩回，推板(24)推动土样(23)平稳进入样本框(8)内，直至推板(24)与样本框(8)抵接，完成土样(23)的放样；

步骤八、运送土样：推板(24)对样本框(8)中的土样(23)进行围挡保护，利用第二卷扬机(5)将样本框(8)从安装槽内提起，并提升至地面上，完成土样(23)的运送；

步骤九、取样机器人的移位：控制第二推拉伸缩杆(18-3)缩回，使取样机构(17)恢复初始状态，控制第二电磁阀(22)打开，平衡气囊(20)中的气体经平衡气囊放气管(21)和出气孔排放至外界，同时，控制支撑气囊(11)的气体排放至外界，支撑气囊(11)收缩，实现取样机器人与探井(2)的分离，同时实现取样机器人上土渣的下放；

当取样机器人在该探井(2)上其他位置进行取样时，循环步骤一；

当取样机器人无需在该探井(2)上其他位置进行取样时，利用第一卷扬机(3)将取样机器人从探井(2)中提升至地面。

2.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述基座(9)内设置有第一集成电路板，所述第一集成电路板上集成有第一微控制器和与所述第一微控制器连接的第一电机，第一电机的输出轴伸出基座(9)与转盘(10)同轴连接，升降柱(13)为电动升降柱，所述电动升降柱、第一气泵(14)和第一电磁阀(15)均由所述第一微控制器控制；

机身(16)内设置有第二集成电路板，所述第二集成电路板上集成有第二微控制器，旋转电机(18-1)、第二气泵(19 )、第二电磁阀(22)和机械臂(25)均由所述第二微控制器控制；

L形推送板(17-4)内设置有第三集成电路板，所述第三集成电路板上集成有第三微控制器，升降支墩(17-6)为电动升降支墩，所述电动升降支墩由所述第三微控制器控制；

样本框(8)内设置有第四集成电路板，所述第四集成电路板上集成有第四微控制器，旋转伸缩杆(28)包括安装在样本框(8)的外侧壁上的第二电机和与所述第二电机的转轴(30)连接且随转轴(30)同步转动的多节电动推杆，推板(24)与所述多节电动推杆远离转轴(30)的一端固定连接，所述第二电机由所述第四微控制器控制。

3.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述支撑气囊(11)和平衡气囊的外表面均设置有耐磨保护层。

4.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机身(16)的上表面上与第一吊绳(4)的一端连接，第一吊绳(4)的另一端与第一卷扬机(3)的钢丝绳连接，样本框(8)的顶端安装有样本框连接架(7)，样本框连接架(7)的顶端与第二吊绳(6)的一端连接，第二吊绳(6)的另一端与第二卷扬机(5)的钢丝绳连接。

5.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机身(16)的两外侧面上分别设置有刮铲收纳座(27)，两个刮铲收纳座(27)分别与两个机械臂(25)配合，刮铲(26)为铁质刮铲，刮铲收纳座(27)内设置有磁铁。

6.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述机械臂(25)为蛇形机械臂。

7.按照权利要求1所述的一种基于不扰动土探井取样机器人的探井取样方法，其特征在于：所述承托板(17-1)和取样板(17-5)远离平衡气囊(20)的端部均为楔形结构。

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