一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置的制作方法

1.本发明涉及一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，属于工程地质勘察技术领域。


背景技术：

2.目前，随着长距离大埋深隧道工程的增加，传统的垂直钻孔勘察方法遇到很大挑战。如果仍然使用传统的垂直钻孔勘察方法会面临很多问题，如所获得的岩石硬度数据位置较为分散，不能满足工程设计需要，且存在有效钻进长度过低，钻孔过深，钻孔数目过多，造价过高，受地形限制大等问题。
3.水平定向钻技术采用具有导向控向的设备在不开挖地表的情况下铺设供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线，该工法已经比较成熟，且具有精度高，造价低等优点。利用水平定向钻机沿隧道延伸方向钻进勘察，具有地形适应性好，岩石硬度获取容易、信息多，有效钻进长度长等优点，可以解决传统方法存在的问题，将是一种很好的替代技术，具有广阔的应用前景。
4.在利用水平定向钻进技术进行勘察时，对沿隧道延伸路径上的岩石硬度进行测定是必要的。受限于勘探孔小孔径，大埋深，且入口段与出口段均存在8-15度的倾斜的特点，因此无法人工利用里氏硬度计对岩石硬度进行测量。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，解决了现有技术中倾斜段里氏硬度计无法对岩石硬度进行测量的问题。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，包括里氏硬度计、设备舱、柔性足部、第一机械臂、销钉、第二机械臂、传动轴以及远程手持终端；里氏硬度计设置在设备舱顶部，设备舱下部两端分别安装有传动轴，传动轴两端分别连接有第二机械臂，第二机械臂下端通过销钉连接第一机械臂，第一机械臂下端通过销钉连接有柔性足部，远程手持终端与设备舱信号连接。
7.进一步地，前述设备舱顶部设有套筒，里氏硬度计位于套筒内且与套筒通过螺纹连接。
8.进一步地，前述第一机械臂、第二机械臂采用电液伺服驱动。
9.进一步地，前述柔性足部材质为合成橡胶。
10.进一步地，前述远程手持终端上设有采样键、停止键、后退键、前进键、手持终端显示屏、开关键。
11.进一步地，前述设备舱内部包括卫星定位装置、姿态监控装置与控制集成模块；定位装置采用北斗导航定位系统，将装置的位置信息与前进速度实时显示在手持
终端显示屏上；姿态监控装置采用陀螺仪位置信息监控装置，将装置三维姿态信息实时回传至远程手持终端，通过远程手持终端可实时调整装置姿态以确保数据采集的精准性；控制集成模块采用stm32作为核心控制器，接收远程手持终端的相关控制信息，通过控制舵机与电液伺服系统，实现装置的行走控制。
12.进一步地，前述设备舱内部还设有电动机和舵机，电动机控制里氏硬度计伸缩，舵机控制第一机械臂、第二机械臂动作。
13.进一步地，前述还包括电源，电源通过卡扣连接在设备舱内部，电源为装置动作以及设备舱内部各设备提供电动力。
14.进一步地，前述设备舱后端侧边顶部还连接有天线。
15.进一步地，前述远程手持终端两侧设有手持终端握柄，远程手持终端顶端还设有手持终端天线。
16.本发明所达到的有益效果：1、通过机械臂的设置，可以实现在进行水平定向勘察过程中通过爬行式自行进装置将里氏硬度计送至水平孔内，完成原位岩石硬度测定工作的任务。
17.2、爬行式的前进方式以及合成橡胶足部还能保证所述里氏硬度计能够稳定的通过水平定向钻孔倾斜段，准确到达预定位置完成对岩石硬度的测定、存储任务。
18.3、里氏硬度计伸缩结构保证了里氏硬度计在前进过程中不会受到掉落碎石的伤害。
19.4、该装置结构简单、操作方便和实用性强。
附图说明
20.图1是本发明专利所述一种采用爬行式自行进技术的水平定向钻孔岩石硬度测定装置配套的远程手持控制终端的操作界面图；图2是本发明专利所述一种采用爬行式自行进技术的水平定向岩石硬度测定装置的结构示意图；图3是本发明专利所述一种采用爬行式自行进技术的水平定向岩石硬度测定装置通过水平定向钻孔倾斜段时的示意图。
21.图中附图标记的含义：1-里氏硬度计；2-设备舱；3-柔性足部；4-第一机械臂；5-销钉；6-第二机械臂；7-传动轴；8-电源；9-天线；10-采样键；11-停止键；12-后退键；13-前进键；14-手持终端握柄；15-手持终端显示屏；16-开关键；17-手持终端天线；18-远程手持终端。
实施方式
22.下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
23.本实施例公开了一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，如图1和图2所示，包括里氏硬度计1、设备舱2、柔性足部3、第一机械臂4、销钉5、第二机械臂6、传
动轴7、电源8、天线9，以及相配套的远程手持终端18。
24.设备舱2内部置有电源8，为装置动作以及内部各设备提供电动力。电源8采用快速充电技术，通过快充电源适配器实现电能的及时、高效的补充。
25.设备舱2内部置有卫星定位装置、姿态监控装置与控制集成模块。定位装置采用北斗导航定位系统，将装置的位置信息与前进速度实时显示在手持终端显示屏15上，手持终端显示屏15上包含当地时间、控制器电量、信号强度、采样完成信号、装置三维姿态信息、位置信息以及装置前进速度，以确保装置到达预定位置。姿态监控装置采用陀螺仪位置信息监控装置，将装置三维姿态信息实时回传至远程手持终端18，通过远程手持终端18可实时调整装置姿态以确保数据采集的精准性。远程手持终端18为设备舱2相适配的控制终端，远程控制装置完成一系列指令，远程手持终端18通过python语言编写调试控制界面，与控制集成模块通过串口进行通信，控制集成模块采用stm32作为核心控制器，接收远程手持终端18的相关控制信息，通过控制舵机与电液伺服系统，实现装置的行走控制。
26.里氏硬度计1为圆筒状结构，里氏硬度计1嵌套在设备舱2顶部的套筒内。设备舱2与里氏硬度计1之间通过套筒表面的螺纹固结。具体的，里氏硬度计1通过设备舱2内的电动机提供动力，通过齿轮传动实现伸出与收缩。在里氏硬度计1不工作时缩回设备舱2，使其不受钻孔掉块的伤害。里氏硬度计1内部具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击岩石表面，测量冲击体距岩石表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压，以此测得岩石硬度。完成参数测定后传感器将数据传递至集成控制模块中，并存储在插入的储存卡中。
27.设备舱2下部两端分别安装有传动轴7，传动轴7两端分别连接有第二机械臂6，第二机械臂6下端通过销钉5连接第一机械臂4，第一机械臂4下端通过销钉5连接有柔性足部3。第一机械臂4、第二机械臂6采用电液伺服驱动，控制集成模块通过控制电动机的转数精确控制电液伺服机械臂的伸长距离。在陀螺仪姿态监控装置检测到装置通过向下倾斜段时，前端机械臂的伸长距离将大于后端机械腿的伸长距离，以此保持设备舱2的始终保持水平。柔性足部3采用合成橡胶。合成橡胶具有柔软，静摩擦系数大的特点，保证了装置合成橡胶足部3在通过水平定向钻孔倾斜段时为装置提供足够的抓地力，同时最大程度上减小对孔壁稳定性的破坏性影响。
28.本实施例的具体操作过程如下：按下远程手持终端18上的开关键16开机后，按下前进键13，处于设备舱2对角线位置的传动轴7转动，同时第一机械臂4、第二机械臂6伸长。柔性足部3在自身重力作用下下垂，以此实现装置向前方运动。再次按下远程手持终端18上的前进键13，舵机与电机停止动作，从而装置停止运动。
29.按下远程手持终端18上的采样键10后，设备舱2内的电动机通过齿轮传动里氏硬度计1从套管内伸出并完成采样。完成采样时传感器向集成控制模块发送电信号，远程控制模块向远程手持终端18发送信号。待远程手持终端显示屏15发出采样完成提示时，再次按下采样键10后，里氏硬度计1收回。完成岩石硬度测定任务，按下远程手持终端18上的后退键12进行装置回收。远程手持终端18可控制爬行式自行进装置完成采样、前进、后退、操作。远程手持终端18两侧设有手持终端握柄14，便于使用者握持；远程手持终端18顶端设有手持终端天线17，便于与设备舱2进行信号连接。
30.在本发明专利中，主要解决水平钻孔导向孔段的岩石硬度测定，水平钻在实际钻进过程中会存在倾斜段和水平段。装置在倾斜向下段行进中，当陀螺仪姿态监控装置检测到装置通过向下倾斜段时，前端机械腿的伸长距离将大于后端机械腿的伸长距离，以此保持设备舱2始终与倾斜段保持水平。同理，在倾斜向上段行进时，装置前机械臂的伸长量会小于后机械臂，此时可保证设备舱2保持水平并完成岩石硬度测定任务。
31.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
32.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
33.以上所述仅为本发明专利的较佳实施例，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，包括里氏硬度计（1）、设备舱（2）、柔性足部（3）、第一机械臂（4）、销钉（5）、第二机械臂（6）、传动轴（7）以及远程手持终端（18）；所述里氏硬度计（1）设置在设备舱（2）顶部，所述设备舱（2）下部两端分别安装有传动轴（7），所述传动轴（7）两端分别连接有第二机械臂（6），所述第二机械臂（6）下端通过销钉（5）连接第一机械臂（4），所述第一机械臂（4）下端通过销钉（5）连接有柔性足部（3），所述远程手持终端（18）与设备舱（2）信号连接。2.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述设备舱（2）顶部设有套筒，所述里氏硬度计（1）位于套筒内且与套筒通过螺纹连接。3.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述第一机械臂（4）、第二机械臂（6）采用电液伺服驱动。4.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述柔性足部（3）材质为合成橡胶。5.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述远程手持终端（18）上设有采样键（10）、停止键（11）、后退键（12）、前进键（13）、手持终端显示屏（15）、开关键（16）。6.根据权利要求5所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述设备舱（2）内部包括卫星定位装置、姿态监控装置与控制集成模块；所述定位装置采用北斗导航定位系统，将装置的位置信息与前进速度实时显示在手持终端显示屏（15）上；所述姿态监控装置采用陀螺仪位置信息监控装置，将装置三维姿态信息实时回传至远程手持终端（18），通过远程手持终端（18）可实时调整装置姿态以确保数据采集的精准性；所述控制集成模块采用stm32作为核心控制器，接收远程手持终端（18）的相关控制信息，通过控制舵机与电液伺服系统，实现装置的行走控制。7.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述设备舱（2）内部还设有电动机和舵机，所述电动机控制里氏硬度计（1）伸缩，所述舵机控制第一机械臂（4）、第二机械臂（6）动作。8.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，还包括电源（8），所述电源（8）通过卡扣连接在设备舱（2）内部，所述电源（8）为装置动作以及设备舱（2）内部各设备提供电动力。9.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述设备舱（2）后端侧边顶部还连接有天线（9）。10.根据权利要求1所述的一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，其特征在于，所述远程手持终端（18）两侧设有手持终端握柄（14），所述远程手持终端（18）顶端还设有手持终端天线（17）。

技术总结
本发明公开了一种基于爬行式自行进的水平定向钻孔岩石硬度测定装置，包括里氏硬度计、设备舱、柔性足部、第一机械臂、销钉、第二机械臂、传动轴以及远程手持终端，里氏硬度计为圆筒状结构，通过表面螺纹与设备舱连接，设备舱底部安装有机器腿，机械腿由传动轴、电液伺服机械臂组成，机械臂间采用销钉连接，末端连接合成橡胶足部，设备舱内部搭载定位装置、姿态监控装置、控制集成模块和电源，定位装置与监控装置将装置的位置信息、姿态信息与前进速度实时显示在手持终端显示屏上，远程手持终端可远程控制装置完成一系列指令。可远程控制装置完成一系列指令。可远程控制装置完成一系列指令。


技术研发人员：张继光 王祥 张梦慈 黄胜 李明 杨明 李文登 闫志霞
受保护的技术使用者：徐州徐工基础工程机械有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/20