CN115508895A - 一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法,其属于超前水平钻探技术领域，所述方案包括履带小车、主控器及外部控制器，所述履带小车设置有机械臂，所述机械臂端部设置有用于电极夹取及放置的机械臂夹爪，其中，所述机械臂夹爪内侧设置有压力传感器；所述履带小车上设置有测距传感器，所述测距传感器、压力传感器及所述机械臂的控制芯片分别与所述主控器连接；所述主控器通过无线通讯模块与所述外部控制器进行通信；所述外部控制器用于接收所述测距传感器的测距信号，获得履带小车到掌子面的实时距离，同时，对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

Description

一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法

技术领域

本公开属于超前水平钻探技术领域，尤其涉及一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在对隧道工程现场进行勘探时，常用物探手段识别隧道掌子面前方的不良地质体，常用的地球物理勘探方法包括电法勘探、磁法勘探、地震勘探等。其中，运用电法勘探在隧道中进行超前预报时，采用如下方案：一个供电电极A设置在掌子面，另一个供电电极B则位于相对无穷远处，通过测量以A点为中心形成的电场，就能获得隧道掌子面前方一定范围内地质体的电性异常数据，在一些比较特殊的地质情况下，需要先在掌子面上打超前钻探孔，然后在钻孔中布设电极，用于扩大电法的探测范围。

测井作业过程中，在竖直方向的钻孔中放置钻头或者其他设备时，是通过设置在钻孔与地面接口处的缆车及电缆实现的，这种操作依靠的是设备本身的重力。但是，在隧道的水平钻孔中设置电极，无法利用电极设备自身的重力，同时由于水平方向钻孔一般较长，且钻孔直径较小，在钻孔中设置电极非常困难，发明人发现，为了解决上述问题，有学者通过改良水平井测井泵出法推进设备，将超声波成像设备送入钻孔，进行超声波成像测试；有学者通过改进测井中缆车装置，使其可以实现水平钻孔中设备的放置，但此类设备体积较大，在隧道内运移不方便，同时在掌子面上有多个钻孔需要测试时，此类设备的调试也不方便。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法，所述方案通过集控制模块、安装机械臂于一体的电极布设履带车装置，实现了在掌子面处远程操控并布设电极，有效提升了超前水平钻探中物探电极的布设效率。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，包括履带小车、主控器及外部控制器，所述履带小车设置有机械臂，所述机械臂端部设置有用于电极夹取及放置的机械臂夹爪，其中，所述机械臂夹爪内侧设置有压力传感器；

所述履带小车上设置有测距传感器，所述测距传感器、压力传感器及所述机械臂的控制芯片分别与所述主控器连接；所述主控器通过无线通讯模块与所述外部控制器进行通信；

所述外部控制器用于接收所述测距传感器的测距信号，获得履带小车到掌子面的实时距离，同时，对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

进一步的，所述测距传感器采用声波测距方式，其内部设置有声波发生器，所述声波发生器发出的超声波信号，经放大处理后由外部控制器内部设置的测距芯片中的声波接收器接收，基于超声波信号的传输速度及传输时间，获得履带小车到掌子面的距离。

进一步的，所述机械臂采用三轴机械臂，包括支撑架、主臂、副臂、第一关节、第二关节和第三关节，所述机械臂夹爪设置于所述副臂的一端，所述主臂的一端通过所述第一关节与副臂另一端活动连接，所述主臂的另一端通过所述第二关节与所述支撑架活动连接，所述支撑架通过所述第三关节与所述履带小车顶部底座连接。

进一步的，所述外部控制器设置有显示模块，用于履带小车到掌子面距离的显示；且，所述外部控制器还设置有若干按键，通过所述按键实现对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

进一步的，所述履带小车还设置有电源模块。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其基于上述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，包括：

将待布设电极设置于履带小车机械臂夹爪上，通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极；

将所述履带小车放置于掌子面钻孔孔口位置，基于所述外部控制器控制所述履带小车沿所述钻孔行进；其中，所述履带小车行进过程中，所述测距传感器实时发出超声波信号，所述外部控制器基于接收到的超声波信号计算所述履带小车距掌子面的距离，并在所述外部控制器的显示模块中进行显示；

当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，基于所述外部控制器控制机械臂进行转动；机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在预设位置的布设。

进一步的，所述通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极，具体为：所述机械臂夹爪对电极进行夹持过程中，所述主控器实时接收所述机械臂夹爪内侧设置的压力传感器的压力信号，当所述压力信号满足预设阈值时，所述机械臂夹爪保持当前夹持状态。

进一步的，所述外部控制器上还设置有指示灯，所述履带小车正常行进过程中所示指示灯点亮，当履带小车停止状态下，所述指示灯熄灭。

进一步的，所述基于所述外部控制器控制机械臂进行转动，具体为：当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，通过所述外部控制器向所述履带小车的主控器下发机械臂控制命令，所述主控器基于内置的机械臂控制流程指令对所述机械臂进行控制，当所述机械臂转动结束后，所述主控器向所述外部控制器反馈转动结束信号，所述外部控制器的指示灯点亮。

进一步的，机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，具体为：当所述机械臂转动结束后，所述外部控制器的指示灯点亮，观测到指示灯点亮后，通过所述外部控制器的控制按钮向所述主控器下发机械臂夹爪控制指令，所述主控器接收到控制指令后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在特定位置的布设。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法，所述方案通过集控制模块、安装机械臂于一体的电极布设履带车装置，实现了在掌子面处远程操控并布设电极，有效提升了超前水平钻探中物探电极的布设效率。

(2)本公开所述方案采用声波测距的方式来测定履带小车的实时位置，进而将电极准确布设于预设位置处，有效保证了电极布设位置的准确性，同时，相对于传统的激光测距更加精准和方便。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例中所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置的主视图；

图2为本公开实施例中所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置的左视图；

图3为本公开实施例中所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置的右视图；

图4为本公开实施例中所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置的俯视图；

图5为本公开实施例中所述的外部控制器结构示意图；

图6为本公开实施例中所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法流程图；

其中，1、机械臂；2、第一关节；3、第二关节；4、第三关节；5、机械臂夹爪；6、履带小车；7、测距传感器；8、外部控制器；9、按键“停”；10、按键“↑”；11、按键“↓”；12、机械臂折叠控制按键；13、机械臂展开控制按键；14、机械臂夹爪控制按键；15、显示模块；16、主控器；17、指示灯。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置。

一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，包括履带小车、主控器及外部控制器，所述履带小车设置有机械臂，所述机械臂端部设置有用于电极夹取及放置的机械臂夹爪，其中，所述机械臂夹爪内侧设置有压力传感器；

所述履带小车上设置有测距传感器，所述测距传感器、压力传感器及所述机械臂的控制芯片分别与所述主控器连接；所述主控器通过无线通讯模块与所述外部控制器进行通信；

所述外部控制器用于接收所述测距传感器的测距信号，获得履带小车到掌子面的实时距离，同时，对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

进一步的，所述测距传感器采用声波测距方式，其内部设置有声波发生器，所述声波发生器发出的超声波信号，经放大处理后由外部控制器内部设置的测距芯片中的声波接收器接收，基于超声波信号的传输速度及传输时间，获得履带小车到掌子面的距离。

进一步的，所述机械臂采用三轴机械臂，包括支撑架、主臂、副臂、第一关节、第二关节和第三关节，所述机械臂夹爪设置于所述副臂的一端，所述主臂的一端通过所述第一关节与副臂另一端活动连接，所述主臂的另一端通过所述第二关节与所述支撑架活动连接，所述支撑架通过所述第三关节与所述履带小车顶部底座连接。

进一步的，所述外部控制器设置有显示模块，用于履带小车到掌子面距离的显示；且，所述外部控制器还设置有若干按键，通过所述按键实现对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

进一步的，所述履带小车还设置有电源模块。

具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：

为了解决现有技术存在的问题，本实施例提供了一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，如图1至图4所示，所述装置包括机械臂1，履带小车6，测距传感器7，主控器16，外部控制器8，所述测距传感器7用于检测履带小车距离掌子面的距离，其内部有声波发射器，信号处理器(即放大器)，履带小车在行驶过程中，声波发射器会不断发射超声波信号，信号处理器会对声波信号进行放大处理，使声波信号和周围环境的噪音区别开来，经过放大得声波信号可以被外部控制器8内置的测距芯片接收，通过外部控制器8内置的信号处理模块可以输出履带小车距离掌子面的距离信息，并在显示模块15上显示，该测距传感器使用声波信号作为测距的中间介质，同时加入了信号放大的处理模块，在狭窄的钻孔中，相比于传统的激光测距更加精准和方便(当履带小车与钻孔距离较长时，激光测距无法实现对履带小车的精准定位，会出现误测的情况)，所述主控器用于接收外部控制器8传输的信号命令，达到在掌子面处远程操控履带小车的目的。

进一步的，机械臂1为三轴机械臂，包括支撑架、主臂、副臂、第一关节2、第二关节3和第三关节4，所述机械臂夹爪设置于所述副臂的一端，所述主臂的一端通过所述第一关节2与副臂另一端活动连接，所述主臂的另一端通过所述第二关节3与所述支撑架活动连接，所述支撑架通过所述第三关节4与所述履带小车顶部底座连接。其中，所述第三关节4用于控制机械臂的转动，可绕底座轴线水平旋转360°，所述第二关节2，旋转角度为120°，所述第三关节3，旋转角度为180°；所述机械臂夹爪5用于固定(即夹持)和放置(即松开)电极，通过控制器按键14控制其夹紧或松开，所述机械臂夹爪5上内侧带有压力传感器，用于检测是否已经放置电极。

履带小车6下半部分为履带小车内部系统，包括履带小车和机械臂的动力系统以及两侧的驱动履带，动力系统均由内置的电机及内置的电源模块进行供能，并通过操作外部控制器8来控制履带的转动。

如图5所示，所述外部控制器8，由6个按键、显示模块15、信号指示灯17构成，所述按键9“停”用于启动履带小车或使其停止，所述按键10“↑”可以使履带顺时针转动，所述按键11“↓”可以使履带逆时针转动，所述机械臂折叠控制按键12、机械臂展开控制按键13用于控制机械臂关节2、3，可以使机械臂伸展或折叠，便于在孔洞内放置电极，所述显示模块15用于观测履带小车距离掌子面的距离，所述信号指示灯17用于监测履带小车是否处于正常运转状态。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法。

如图6所示，一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其基于上述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，包括：

将待布设电极设置于履带小车机械臂夹爪上，通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极；

将所述履带小车放置于掌子面钻孔孔口位置，基于所述外部控制器控制所述履带小车沿所述钻孔行进；其中，所述履带小车行进过程中，所述测距传感器实时发出超声波信号，所述外部控制器基于接收到的超声波信号计算所述履带小车距掌子面的距离，并在所述外部控制器的显示模块中进行显示；

当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，基于所述外部控制器控制机械臂进行转动；机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在预设位置的布设。

进一步的，所述通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极，具体为：所述机械臂夹爪对电极进行夹持过程中，所述主控器实时接收所述机械臂夹爪内侧设置的压力传感器的压力信号，当所述压力信号满足预设阈值时，所述机械臂夹爪保持当前夹持状态。

进一步的，所述外部控制器上还设置有指示灯，所述履带小车正常行进过程中所示指示灯点亮，当履带小车停止状态下，所述指示灯熄灭。

进一步的，所述基于所述外部控制器控制机械臂进行转动，具体为：当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，通过所述外部控制器向所述履带小车的主控器下发机械臂控制命令，所述主控器基于内置的机械臂控制流程指令对所述机械臂进行控制，当所述机械臂转动结束后，所述主控器向所述外部控制器反馈转动结束信号，所述外部控制器的指示灯点亮。

进一步的，机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，具体为：当所述机械臂转动结束后，所述外部控制器的指示灯点亮，观测到指示灯点亮后，通过所述外部控制器的控制按钮向所述主控器下发机械臂夹爪控制指令，所述主控器接收到控制指令后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在特定位置的布设。

具体的，为了便于理解，以下对本公开所述方案进行详细说明：

一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其具体工作流程如下：

(1)用钻机在掌子面上打好钻孔之后，将电极固定机械臂夹爪5上；

(2)在掌子面处，按下机械臂折叠控制按键12，折叠机械臂1；

(3)将履带小车放置在钻孔孔口位置，待放置平稳，确认电极不会掉落、履带小车能顺利在钻孔内行驶；

(4)按下按键“停”，待信号指示灯17显示为绿色后，说明履带小车开始运转；

(5)按下按键“上”，使履带小车岩沿钻孔向前行进；

(6)行进过程中，观察显示模块15数字所代表的履带小车和控制器之间的距离，待行进距离达到指定要求，即履带小车到达钻孔内指定位置后，按下机械臂展开控制按键13，此时第一关节2、第二关节3开始按控制模块内置的机械控制程序转动，当机械臂达到最大转动角度，即机械臂伸展到最大长度时，机械臂第一关节2、第二关节3便停止转动，此时主控器16接收到机械臂停止转动的信息，将其发送给外部控制器8，信号指示灯17会持续闪烁绿灯，提示操作人员机械臂已经完全伸展，此时操作人员，按下按键14，松开机械臂夹爪，将电极放置在钻孔内指定位置，机械夹爪内侧带有压力传感器，压力传感器连接主控器16，当电极完全接触钻孔壁后，压力传感器上就没有压力信号，主控器16会将其转化为压力值信息发送给外部控制器8，信号指示灯17会恢复绿灯常亮状态，表示电极已被成功放置于钻孔指定位置；

(7)按下按键10“↓”，使履带小车沿钻孔向掌子面移动，待履带小车到达掌子面后，取出履带小车再重复操作步骤(1)-(6)，即可完成钻孔内所有电极的布置。

上述实施例提供的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置及方法可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置,其特征在于，包括履带小车、主控器及外部控制器，所述履带小车设置有机械臂，所述机械臂端部设置有用于电极夹取及放置的机械臂夹爪，其中，所述机械臂夹爪内侧设置有压力传感器；

所述履带小车上设置有测距传感器，所述测距传感器、压力传感器及所述机械臂的控制芯片分别与所述主控器连接；所述主控器通过无线通讯模块与所述外部控制器进行通信；

所述外部控制器用于接收所述测距传感器的测距信号，获得履带小车到掌子面的实时距离，同时，对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

2.如权利要求1所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置,其特征在于，所述测距传感器采用声波测距方式，其内部设置有声波发生器，所述声波发生器发出的超声波信号，经放大处理后由外部控制器内部设置的测距芯片中的声波接收器接收，基于超声波信号的传输速度及传输时间，获得履带小车到掌子面的距离。

3.如权利要求1所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置,其特征在于，所述机械臂采用三轴机械臂，包括支撑架、主臂、副臂、第一关节、第二关节和第三关节，所述机械臂夹爪设置于所述副臂的一端，所述主臂的一端通过所述第一关节与副臂另一端活动连接，所述主臂的另一端通过所述第二关节与所述支撑架活动连接，所述支撑架通过所述第三关节与所述履带小车顶部底座连接。

4.如权利要求1所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置,其特征在于，所述外部控制器设置有显示模块，用于履带小车到掌子面距离的显示；且，所述外部控制器还设置有若干按键，通过所述按键实现对所述履带小车的行进、机械臂夹爪的夹持及释放及机械臂的调控进行远程控制。

5.如权利要求1所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置,其特征在于，所述履带小车还设置有电源模块。

6.一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其基于如权利要求1-5任一项所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设装置，包括：

将待布设电极设置于履带小车机械臂夹爪上，通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极；

将所述履带小车放置于掌子面钻孔孔口位置，基于所述外部控制器控制所述履带小车沿所述钻孔行进；其中，所述履带小车行进过程中，所述测距传感器实时发出超声波信号，所述外部控制器基于接收到的超声波信号计算所述履带小车距掌子面的距离，并在所述外部控制器的显示模块中进行显示；

当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，基于所述外部控制器控制机械臂进行转动；机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在预设位置的布设。

7.如权利要求6所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其特征在于，所述通过所述外部控制器控制所述机械臂夹爪夹紧所述待布设电极，具体为：所述机械臂夹爪对电极进行夹持过程中，所述主控器实时接收所述机械臂夹爪内侧设置的压力传感器的压力信号，当所述压力信号满足预设阈值时，所述机械臂夹爪保持当前夹持状态。

8.如权利要求6所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其特征在于，所述外部控制器上还设置有指示灯，所述履带小车正常行进过程中所示指示灯点亮，当履带小车停止状态下，所述指示灯熄灭。

9.如权利要求6所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其特征在于，所述基于所述外部控制器控制机械臂进行转动，具体为：当显示模块中显示的距离为待布设电极的预设距离时，通过所述外部控制器向所述履带小车的主控器下发机械臂控制命令，所述主控器基于内置的机械臂控制流程指令对所述机械臂进行控制，当所述机械臂转动结束后，所述主控器向所述外部控制器反馈转动结束信号，所述外部控制器的指示灯点亮。

10.如权利要求6所述的一种适用于超前水平钻探孔的物探电极布设方法，其特征在于，机械臂转动结束后，控制机械臂夹爪松开，具体为：当所述机械臂转动结束后，所述外部控制器的指示灯点亮，观测到指示灯点亮后，通过所述外部控制器的控制按钮向所述主控器下发机械臂夹爪控制指令，所述主控器接收到控制指令后，控制机械臂夹爪松开，实现电极在特定位置的布设。

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