巖體工程無線遙控綜合測孔機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，主要用于巖體工程變形、圍巖破裂等多元信息測量，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。測孔機器人由搭載平臺，前搭載艙，后搭載艙，驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，聲波測試系統(tǒng)，數(shù)字鉆孔攝像，控制系統(tǒng)等組成，通過遙控控制測孔機器人依靠履帶在鉆孔內(nèi)爬行，數(shù)字鉆孔攝像對鉆孔壁面拍攝，聲波測試系統(tǒng)獲得巖體波速，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸天線無線傳送到安全區(qū)域的數(shù)據(jù)接收平臺。本實用新型可同時完成鉆孔攝像和聲波測試，采用無線遙控控制省時省力，不僅適用于一般巖體工程的變形、巖體破裂等多元信息的監(jiān)測，還可以適用于具有強動力沖擊和高放射性危險的不適宜人長期停留的巖體工程環(huán)境中。
【專利說明】巖體工程無線遙控綜合測孔機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，可用于巖體工程變形、圍巖破裂等多元信息的測量，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]為了適應(yīng)我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，大規(guī)模的工程建設(shè)正在興起，如地上的公路、隧道、蓄水大壩，地下的礦山井巷、水電引水隧洞、地下廠房和核廢料處置庫等，這些地上的工程很多時候需要切削山體形成陡傾的巖質(zhì)邊坡,如三峽永久船閘最大邊坡高度80米、雅礱江錦屏一級水電站大壩開挖邊坡最高達(dá)540米，地下的巖石工程則需要在具有一定埋深的地下巖體中開挖。無論地面或地下巖體工程，施工和運營期間的穩(wěn)定性問題是巖石力學(xué)工作者最為關(guān)心的問題，而巖體的變形特征和規(guī)律則是判斷圍巖是否處于安全穩(wěn)定狀態(tài)的直接體現(xiàn)。鉆孔攝像技術(shù)和聲波測試技術(shù)因其可以直觀的反映巖石的破裂損傷程度而被現(xiàn)場施工人員和科研工作者喜愛，兩者都是通過對巖體鑿設(shè)一定孔徑的鉆孔，利用推進(jìn)桿將鉆孔攝像儀器或聲波探頭持續(xù)推入鉆孔內(nèi)，分別獲得沿鉆孔軸線方向的圍巖破裂信息和巖體波速。鉆孔攝像技術(shù)不僅可以獲得鉆孔壁面破裂(結(jié)構(gòu)面、微裂隙)的位置、產(chǎn)狀、寬度等信息，還可以通過分析不同時間拍攝的鉆孔壁面信息計算圍巖的變形大小和規(guī)律；聲波測試則是通過聲波發(fā)射探頭發(fā)出脈沖波，經(jīng)鉆孔壁圍巖傳播后被聲波接受探頭接受，根據(jù)兩個探頭之間的距離和接受與發(fā)出的時間差計算脈沖波在巖體中傳播的波速值，波速越大圍巖越完整，波速越小圍巖越破碎。
[0003]隨著我國淺部礦產(chǎn)資源的逐步枯竭，煤礦和金屬礦的開采深度已達(dá)到千米以上，在這種高埋深、大擾動環(huán)境中沖擊地壓頻發(fā)；水電引水隧洞和地下廠房、交通隧道很多情況需要在構(gòu)造應(yīng)力極強的深山峽谷中開挖，巖爆越來越嚴(yán)重，其發(fā)生的次數(shù)和等級逐漸增高，頻繁發(fā)生的沖擊地壓和巖爆動力災(zāi)害造成人員傷亡、設(shè)備損害；核廢料作為一種具有高放射性的污染物往往需要深埋在地下力學(xué)性質(zhì)較好的巖體中。當(dāng)進(jìn)行上述的巖體工程的施工、測試時均具有極大的危險性，在這種強動力沖擊、高放射性的環(huán)境中利用常規(guī)的鉆孔攝像或聲波測試測量圍巖的變形、破壞程度和波速等信息時，操作人員的生命安全面臨極大的威脅。另外，傳統(tǒng)的鉆孔攝像和聲波測試都需要用數(shù)根連接桿將鉆孔攝像儀器或聲波探頭連續(xù)推入鉆孔內(nèi)部以獲得整個鉆孔軸線方向的孔壁圍巖信息，需要耗費較大的體力和時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種集鉆孔攝像和聲波測試于一體的用于巖體工程圍巖變形、波速等多元信息測量的無線遙控綜合測孔機器人，通過遙控控制測孔機器人自動完成對圍巖鉆孔的鉆孔攝像和波速測試，不僅可以應(yīng)用于一般的地上或地下巖石工程，還可適用于像強沖擊性(巖爆、沖擊地壓等)、高放射性(地下核廢料處置庫)等危險性不適宜操作人員進(jìn)入或長時間停留的危險環(huán)境中，同時完成巖體的鉆孔攝像和聲波測試獲得巖體的破裂狀況、變形、波速等多元信息。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，所述的測孔機器人由搭載平臺，前搭載艙，后搭載艙，電池，驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，聲波測試系統(tǒng)，數(shù)字鉆孔攝像，激光測距儀，內(nèi)控制系統(tǒng)，外控制系統(tǒng)，傳輸天線，數(shù)據(jù)接收平臺組成，搭載平臺呈正六棱柱狀，前搭載艙和后搭載艙分別位于搭載平臺的前端和后端，前搭載艙和后搭載艙均呈圓柱狀，驅(qū)動系統(tǒng)由后基座，前基座，履帶，步進(jìn)電機構(gòu)成，履帶為三條，分別通過主動輪和從動輪活動安裝在前基座和后基座上，前基座和后基座固定連接在搭載平臺的外壁上，三條履帶之間呈120°分布，步進(jìn)電機固定安裝在搭載平臺內(nèi)，三條履帶的主動輪分別通過傳動齒輪與步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸連接。
[0007]所述的聲波測試系統(tǒng)由聲波發(fā)射探頭，聲波接收探頭，前雙向運動活塞，后雙向運動活塞，前微型油泵，后微型油泵，微型水泵構(gòu)成，后雙向運動活塞和后微型油泵固定安裝在后?合載艙內(nèi)，后雙向運動活塞和后微型油栗之間管路連接，聲波發(fā)射探頭固定在后雙向運動活塞的活塞頭上，前雙向運動活塞和前微型油泵固定安裝在前搭載艙內(nèi)，前雙向運動活塞和前微型油泵之間管路連接，聲波接收探頭固定在前雙向運動活塞的活塞頭上，前雙向運動活塞和后雙向運動活塞的活塞頭上開有出水孔，微型水泵固定在搭載平臺內(nèi)，搭載平臺上設(shè)有水接頭，微型水泵的進(jìn)水孔通過水管連接水接頭，微型水泵的出水孔分別通過水管連接到前雙向運動活塞和后雙向運動活塞的活塞頭上的出水孔上，激光測距儀固定安裝在前搭載艙側(cè)面外壁上，激光測距儀的發(fā)射孔的中心線平行于搭載平臺的軸線，數(shù)字鉆孔攝像設(shè)置在前搭載艙內(nèi)，前搭載艙上設(shè)有環(huán)形視窗，數(shù)字鉆孔攝像的攝像頭位于視窗處，傳輸天線固定安裝在前搭載艙的外壁上，位于環(huán)形視窗后方，電池、內(nèi)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均固定安裝在搭載平臺內(nèi)部，電池通過導(dǎo)線與內(nèi)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、步進(jìn)電機、數(shù)字鉆孔攝像、前微型油泵、后微型油泵、微型水泵、聲波發(fā)射探頭、聲波接收探頭、激光測距儀和傳輸天線相連接，內(nèi)控制系統(tǒng)通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機、前微型油泵、后微型油泵、聲波發(fā)射探頭、聲波接收探頭相連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過導(dǎo)線與數(shù)字鉆孔攝像、聲波發(fā)射探頭、聲波接收探頭、激光測距儀和傳輸天線相連接，數(shù)據(jù)接收平臺設(shè)置在外控制系統(tǒng)內(nèi)，外控制系統(tǒng)與傳輸天線可將數(shù)據(jù)信號、命令信號無線傳輸。
[0008]所述的電池為12V充電鋰電池。
[0009]由于采用了以上技術(shù)方案，本實用新型具有以下特點:
[0010](I)巖體工程無線遙控綜合測孔機器人同時集成了數(shù)字鉆孔攝像和聲波測試的功能，可對鉆孔圍巖同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)面、裂隙的位置、產(chǎn)狀、張開度、變形以及圍巖波速的測試。
[0011](2)對測控機器人采用無線遙控的方式控制其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，免去了常規(guī)測試方法中需要依靠人力用推進(jìn)桿將鉆孔攝像或聲波探頭推入鉆孔費時費力的缺點。
[0012](3)巖體工程無線遙控綜合測孔機器人不僅適用于對一般的巖體工程進(jìn)行變形、裂隙和波速等多元信息的探測，而且適用于那些不適宜試驗人員長時間停留的高危險環(huán)境，如具有強沖擊性和高放射性的巖體工程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]見附圖
[0017]巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，所述的測孔機器人由搭載平臺1，前搭載艙3，后搭載艙2，電池13，驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15，聲波測試系統(tǒng)，數(shù)字鉆孔攝像9，激光測距儀10，內(nèi)控制系統(tǒng)14，外控制系統(tǒng)16，傳輸天線11，數(shù)據(jù)接收平臺17組成，搭載平臺I呈正六棱柱狀，前搭載艙3和后搭載艙2分別位于搭載平臺I的前端和后端，前搭載艙3和后搭載艙2均呈圓柱狀，驅(qū)動系統(tǒng)由后基座5，前基座4，履帶6，步進(jìn)電機12構(gòu)成，履帶6為三條，分別通過主動輪和從動輪活動安裝在前基座4和后基座5上，前基座4和后基座5固定連接在搭載平臺I的外壁上，三條履帶之間呈120°分布，步進(jìn)電機12固定安裝在搭載平臺I內(nèi)，三條履帶的主動輪分別通過傳動齒輪與步進(jìn)電機12的轉(zhuǎn)軸連接。三條履帶可以帶動測孔機器人在鉆孔內(nèi)往前或向后爬行，所有履帶基座可彈性自由伸縮10_，適應(yīng)鉆孔直徑的變化，并將履帶壓緊在鉆孔壁上，提供足夠的摩擦力，不僅可以使測孔機器人在水平鉆孔內(nèi)測試，還可以保證測孔機器人在大傾角和垂直鉆孔內(nèi)順利行進(jìn)。搭載平臺1、前搭載艙3和后搭載艙2以及各自的連接處均具有防水性。
[0018]所述的聲波測試系統(tǒng)由聲波發(fā)射探頭7，聲波接收探頭8，前雙向運動活塞21，后雙向運動活塞19，前微型油泵20，后微型油泵18，微型水泵22構(gòu)成，后雙向運動活塞19和后微型油栗18固定安裝在后|合載艙2內(nèi)，后雙向運動活塞19和后微型油栗18之間管路連接，聲波發(fā)射探頭7固定在后雙向運動活塞19的活塞頭上，前雙向運動活塞21和前微型油泵20固定安裝在前搭載艙3內(nèi)，前雙向運動活塞21和前微型油泵20之間管路連接，聲波接收探頭8固定在如雙向運動活塞21的活塞頭上，如雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19的活塞頭上開有出水孔，微型水泵22固定在搭載平臺I內(nèi)，搭載平臺I上設(shè)有水接頭，微型水泵22的進(jìn)水孔通過水管連接水接頭，微型水泵22的出水孔分別通過水管連接到前雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19的活塞頭上的出水孔上。前雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19均可以在油泵的作用下帶動各自活塞頭上的聲波接收探頭8和聲波發(fā)射探頭7伸出或縮回，進(jìn)行聲波測試時聲波接收探頭8和聲波發(fā)射探頭7伸出并緊貼鉆孔壁圍巖，微型水泵22控制水從前雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19的活塞頭上的出水孔中流出將探頭與圍巖壁耦合。
[0019]激光測距儀10固定安裝在前搭載艙3側(cè)面外壁上，激光測距儀10的發(fā)射孔的中心線平行于搭載平臺I的軸線。通過高精度的激光測距儀10發(fā)出的激光入射到鉆孔孔底的激光靶標(biāo)上，可以實時獲得測孔機器人在鉆孔內(nèi)的精確位置，從而將聲波測試的結(jié)果和鉆孔攝像的結(jié)果與鉆孔位置精確對應(yīng)進(jìn)行分析。
[0020]數(shù)字鉆孔攝像9設(shè)置在前搭載艙3內(nèi)，前搭載艙3上設(shè)有環(huán)形視窗，數(shù)字鉆孔攝像9的攝像頭位于視窗處。
[0021]傳輸天線11固定安裝在前搭載艙3的外壁上，位于環(huán)形視窗后方。將聲波測試的結(jié)果、鉆孔攝像的結(jié)果以及激光測距儀10測得的位置信息等都可以通過傳輸天線11無線傳輸?shù)姐@孔外部安全區(qū)域的數(shù)據(jù)接收平臺17內(nèi)，外控制系統(tǒng)16發(fā)出的指令也可以通過傳輸天線11無線傳輸?shù)絻?nèi)控制系統(tǒng)14中，從而實現(xiàn)對測孔機器人的無線遠(yuǎn)程操控。
[0022]電池13、內(nèi)控制系統(tǒng)14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15均固定安裝在搭載平臺I內(nèi)部，電池13通過導(dǎo)線與內(nèi)控制系統(tǒng)14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15、步進(jìn)電機12、數(shù)字鉆孔攝像9、前微型油泵20、后微型油泵18、微型水泵22、聲波發(fā)射探頭7、聲波接收探頭8、激光測距儀10和傳輸天線11相連接，內(nèi)控制系統(tǒng)14通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機12、前微型油泵20、后微型油泵18、聲波發(fā)射探頭7、聲波接收探頭8相連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15通過導(dǎo)線與數(shù)字鉆孔攝像9、聲波發(fā)射探頭7、聲波接收探頭8、激光測距儀10和傳輸天線11相連接。
[0023]數(shù)據(jù)接收平臺17設(shè)置在外控制系統(tǒng)16內(nèi)，外控制系統(tǒng)16與數(shù)據(jù)傳輸天線11可將數(shù)據(jù)信號、命令信號無線傳輸。
[0024]所述的電池13為12V充電鋰電池，電池13的一次充電量可保證對鉆孔完成一次變形信息的測量。
[0025]本實用新型的巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，所有指令均由外控制系統(tǒng)16發(fā)出，固定安裝在搭載平臺I內(nèi)部的內(nèi)控制系統(tǒng)14接收，再將命令傳遞給其他部分。在工程應(yīng)用中具體的實施過程為:首先將巖體工程無線遙控綜合測孔機器人放入鉆孔中，利用外控制系統(tǒng)16發(fā)出的指令操縱巖體工程無線遙控綜合測孔機器人的后基座5和前基座4伸出，直至履帶6與鉆孔壁面完全接觸，使測孔機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后操縱數(shù)字鉆孔攝像9對鉆孔壁面進(jìn)行實時攝像，操縱驅(qū)動系統(tǒng)中的步進(jìn)電機12驅(qū)動主動輪帶動履帶6沿鉆孔軸線向前爬行，前進(jìn)設(shè)定的某一小段距離后停止前進(jìn)，分別操縱前微型油泵20和后微型油泵18，使其為分別固定連接有聲波接收探頭8和聲波發(fā)射探頭7的前雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19充油，使活塞帶動聲波接收探頭8和聲波發(fā)射探頭7伸出直至與鉆孔壁面巖體完全接觸，操縱微型水泵22將水通過水管輸送至聲波發(fā)射探頭7和聲波接收探頭8處作為與圍巖接觸的耦合劑，待聲波發(fā)射探頭7和聲波接收探頭8與鉆孔圍巖完全貼緊后采集聲波數(shù)據(jù)，在整個過程中，數(shù)字鉆孔攝像9 一直在拍攝，固定安裝在前搭載艙3側(cè)面的激光測距儀10不斷發(fā)出激光，到達(dá)鉆孔孔底23位置精確定位數(shù)字鉆孔攝像9拍攝的位置和聲波測試的位置，各個部分采集的數(shù)據(jù)則通過固定安裝在前搭載艙3上表面的傳輸天線11無線實時傳輸?shù)姐@孔外安全區(qū)域的數(shù)據(jù)接收平臺17。聲波測試完成后，操縱關(guān)閉微型水泵22，操縱前微型油泵20和后微型油泵18分別控制前雙向運動活塞21和后雙向運動活塞19帶動聲波接收探頭8和聲波發(fā)射探頭7縮回至起始位置，然后繼續(xù)操縱驅(qū)動系統(tǒng)的步進(jìn)電機12驅(qū)動主動輪帶動三條履帶沿鉆孔軸線向前爬行，至設(shè)定位置處停止爬行進(jìn)行聲波測試，如此往復(fù)循環(huán)，直至測試到鉆孔孔底23位置處。測試完成后操縱測孔機器人往回爬行直至鉆孔孔口，然后取出。
【權(quán)利要求】
1.巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，其特征在于:所述的測孔機器人由搭載平臺(1)，前搭載艙(3)，后搭載艙(2)，電池(13)，驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)，聲波測試系統(tǒng)，數(shù)字鉆孔攝像(9)，激光測距儀(10)，內(nèi)控制系統(tǒng)(14)，外控制系統(tǒng)(16)，傳輸天線(11)，數(shù)據(jù)接收平臺(17)組成，搭載平臺(I)呈正六棱柱狀，前搭載艙(3)和后搭載艙(2)分別位于搭載平臺(I)的前端和后端，前搭載艙(3)和后搭載艙(2)均呈圓柱狀，驅(qū)動系統(tǒng)由后基座(5)，前基座(4)，履帶(6)，步進(jìn)電機(12)構(gòu)成，履帶(6)為三條，分別通過主動輪和從動輪活動安裝在前基座(4)和后基座(5 )上，前基座(4)和后基座(5 )固定連接在搭載平臺(I)的外壁上，三條履帶之間呈120°分布，步進(jìn)電機(12)固定安裝在搭載平臺(I)內(nèi)，三條履帶的主動輪分別通過傳動齒輪與步進(jìn)電機(12)的轉(zhuǎn)軸連接； 所述的聲波測試系統(tǒng)由聲波發(fā)射探頭(7 )，聲波接收探頭(8 )，前雙向運動活塞(21)，后雙向運動活塞(19)，前微型油泵(20)，后微型油泵(18)，微型水泵(22)構(gòu)成，后雙向運動活塞(19)和后微型油泵(18)固定安裝在后搭載艙(2)內(nèi)，后雙向運動活塞(19)和后微型油泵(18)之間管路連接，聲波發(fā)射探頭(7)固定在后雙向運動活塞(19)的活塞頭上，前雙向運動活塞(21)和前微型油泵(20 )固定安裝在前搭載艙(3 )內(nèi)，前雙向運動活塞(21)和前微型油泵(20)之間管路連接，聲波接收探頭(8)固定在前雙向運動活塞(21)的活塞頭上，前雙向運動活塞(21)和后雙向運動活塞(19)的活塞頭上開有出水孔，微型水泵(22)固定在搭載平臺(I)內(nèi)，搭載平臺(I)上設(shè)有水接頭，微型水泵(22)的進(jìn)水孔通過水管連接水接頭，微型水泵(22)的出水孔分別通過水管連接到前雙向運動活塞(21)和后雙向運動活塞(19)的活塞頭上的出水孔上，激光測距儀(10)固定安裝在前搭載艙(3)側(cè)面外壁上，激光測距儀(10)的發(fā)射孔的中心線平行于搭載平臺(I)的軸線，數(shù)字鉆孔攝像(9)設(shè)置在前搭載艙(3)內(nèi)，前搭載艙(3)上設(shè)有環(huán)形視窗，數(shù)字鉆孔攝像(9)的攝像頭位于視窗處，傳輸天線(11)固定安裝在前搭載艙(3)的外壁上，位于環(huán)形視窗后方，電池(13)、內(nèi)控制系統(tǒng)(14)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)均固定安裝在搭載平臺(I)內(nèi)部，電池(13)通過導(dǎo)線與內(nèi)控制系統(tǒng)(14)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)、步進(jìn)電機(12)、數(shù)字鉆孔攝像(9)、前微型油泵(20)、后微型油泵(18)、微型水泵(22)、聲波發(fā)射探頭(7)、聲波接收探頭(8)、激光測距儀(10)和傳輸天線(11)相連接，內(nèi)控制系統(tǒng)(14)通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(12)、前微型油泵(20)、后微型油泵(18)、聲波發(fā)射探頭(7)、聲波接收探頭(8)相連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)通過導(dǎo)線與數(shù)字鉆孔攝像(9)、聲波發(fā)射探頭(7)、聲波接收探頭(8)、激光測距儀(10)和傳輸天線(11)相連接，數(shù)據(jù)接收平臺(17)設(shè)置在外控制系統(tǒng)(16)內(nèi)，外控制系統(tǒng)(16)與傳輸天線(11)可將數(shù)據(jù)信號、命令信號無線傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的巖體工程無線遙控綜合測孔機器人，其特征在于:所述的電池(13)為12V充電鋰電池。
【文檔編號】B25J9/16GK203956915SQ201420042242
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】周輝, 孟凡震, 胡大偉, 張傳慶, 楊艷霜 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所