CN106014375B - 适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置及方法，通过倾角感应器和微元迭代积分等方法，可连续地获取垂直或倾斜孔洞各位置的洞型三维倾角及洞型中心点的三维坐标，并准确绘制孔洞洞型曲线；通过可视化模块、组合液压缸、不同类型抓瓣和针对不同障碍物的受力分析并调整油压的方法，可确定障碍物特性，如数量、大小及形状等，并可取出各种类型的障碍物，如多量沉渣状障碍物、少量或单一特定障碍物等；装置包括洞外可视化操作模块和洞内取物模块，前者包括操控台、吊装控制区、行进控制区、液压控制区、摄像头显示屏和线型显示屏等；后者包括基座、倾角感应器、反力架、带电机滚轮、发光摄像头、驱动杆、连接杆、驱动盘和抓瓣等。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置及方法，属于土木工程施工和监测技术领域。
背景技术
土木工程建设中常需要垂直或倾斜钻孔，大多数均采用机械钻孔。例如边坡或基坑支护时常需要倾斜钻孔，且往往设计不允许变动孔位坐标，钻孔结束后因地质条件不同，常出现孔洞内土石坍塌现象，致使锚杆无法顺畅进入孔洞。目前针对孔洞内坍塌的土石块体处理方式较少，且多针对于沉渣，当孔洞内土石障碍物较少时，这些处理方法不仅相对繁琐、费时费力不经济，而且往往达不到精确清理少量特定障碍物的目的，且当孔洞直径较小时，现有机械往往不能入洞，或即使入洞取物也往往会对孔洞造成破坏，引起更大范围的坍塌。
当施工现场的条件有限，机械钻孔无法实现时往往采用人工钻孔的方式。人工钻孔常用的工具是冲击水钻配合蝴蝶头，由于人工钻孔使用的钻孔机械动力较小以及蝴蝶头的构造特点，导致钻杆很难穿过卵石、砖块等坚硬物体从而进行下一步施工，通常工程中遇到这种情况的解决办法是将蝴蝶头换成金刚头，金刚头在水钻机的动力驱动下不断摩擦坚硬物体，致使坚硬物体被磨坏，然后混合泥土装入金刚头的筒腔内，最后将金刚头从地下取出倒出筒腔内的物体。但是这种方法存在以下缺点：(1)金刚头磨损坚硬物体的效率极低，且金刚头的筒径都是一定的，当遇到砖块等尺寸较大的物体时，使用金刚头的成功率更会大大降低；(2)在从地下取出金刚头的过程中由于筒内物体与筒壁的接触并不稳定，因而在取出过程中筒内的物体极容易脱落；(3)当地下卵石、砖块等坚硬物体混合泥土被金刚头取出时，此时筒内的坚硬物体必定是已粘结地较为紧密，且金刚头的筒腔已被充分堵塞，这就对清理金刚头造成了极大的麻烦，在一定程度上也降低了钻孔的效率。
对于钻孔施工已经完成的孔洞，目前尚无精确连续绘制钻孔三维洞型曲线的装置及方法，这将给下一步施工工作的开展带来挑战，存在一定的盲目性，如锚杆钻孔长度、三维倾角及孔内某特定点的三维坐标是否满足设计要求，与设计线型偏差百分比大小等。又如进行深层土***移监测之前需要在施工现场事先选定的监测位置打设垂直测斜孔并埋设测斜管，但现阶段针对孔洞的三维曲折情况尚未有具体的装置进行监控，对监测数据造成不可逆的影响，不仅导致对结构物稳定性的判别失准，且下一步施工(如填土、碾压或堆载等)缺乏数据指导，存在一定的盲目性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置及方法，不仅能够对已钻孔成功的孔洞内部曲线线型进行监测与绘制，而且在施工过程中可取出洞内障碍物，提高钻孔效率。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，包括洞外可视化操作模块和洞内取物模块；
所述洞外可视化操作模块包括操控台、均设置在操控台上的吊装控制区、行进控制区、液压控制区、摄像头显示屏和线型显示屏；洞外可视化操作模块和洞内取物模块两部分之间由吊装控制区、行进控制区和液压控制区等联系，两部分不可分割作为统一的整体共同发挥作用；
所述吊装控制区上设置有吊装控制按钮和伸出操控台的电机驱动杆；所述行进控制区上设置有行进控制按钮和正负极导线接口；所述液压控制区上设置有液压控制按钮和油泵线接口；所述油泵线接口外依次连接有油泵、油箱和六通阀；所述摄像头显示屏用于显示发光摄像头摄取的孔洞内环境和孔洞内障碍物的图像；所述线型显示屏用于显示孔洞的洞型曲线；
所述洞内取物模块包括基座、吊装绳索、倾角感应器、反力架、透明有机玻璃外壳、带电机滚轮、驱动杆和抓取模块；所述抓取模块包括连接杆、驱动盘和抓瓣；洞内取物模块其余部分均为安装在基座上的可拆卸的组件，可视施工不同用途需要更换不同组件，如可根据障碍物的特点(沉渣或特定单一障碍物)更换不同类型及数量的抓瓣，确保障碍物的顺利取出；
所述基座包括同半径的圆柱形上底座、圆环形下底座和竖直向圆柱筒；所述圆柱形上底座上设置有两个环形中空通道；所述圆环形下底座的底面上设置有中空环；
所述圆柱形上底座包括两个对称分布的条形腔和一个设置在条形腔上方的中空隔层；两个所述环形中空通道均穿过条形腔；每个所述条形腔中均设置有活塞杆，形成水平向液压缸；所述水平向液压缸的动臂前端采用螺纹口并伸出圆柱形上底座的外部；所述水平向液压缸内的无杆腔和有杆腔分别与一个环形中空通道互相贯通；所述中空隔层用于梳理油管，避免了因液压缸数量较多引起的油管缠绕和直接暴漏在外部，中空隔层外壁用于衔接吊装、有机玻璃外壳等可拆卸组件，避免了对水平向液压缸的影响；
所述竖直向圆柱筒的内腔中设置有有杆腔油口、无杆腔油口和活塞杆，形成一个竖直向液压缸；所述竖直向圆柱筒位于圆柱形上底座、圆环形下底座之间，活塞杆与驱动杆相连；所述竖直向液压缸的动臂从圆环形下底座的中心环内伸出，中心环外设有与连接杆相连的铰支座；所述竖直向液压缸的有杆腔油口、无杆腔油口均设置在竖直向圆柱筒内腔中，避免了因采用油管连接引起的与水平向液压缸油管的交叉；
所述吊装绳索设于圆柱形上底座顶面，用于孔洞垂直情况下装置的升降；所述吊装绳索与电机驱动杆相连；对于倾斜向下或向上等无法采用吊装的孔洞，通过行带电机的滚轮可实现其在孔洞内的升降；
所述倾角感应器设置在圆柱形上底座顶部中心位置，用于量测孔洞任意位置的倾斜角度，包括孔洞线型与铅垂线的夹角α、孔洞线型在水平面的投影与水平面坐标轴的夹角β；经理论计算后可得洞型曲线，并传输至线型显示屏上；
所述反力架的底部采用圆盘，圆盘中心处有一垂直立杆；所述立杆的顶端与水平向液压缸的动臂端部螺纹连接；所述反力架外侧设置有橡胶垫；
所述透明有机玻璃外壳通过螺丝与基座相连，内部预留导线通道，可以根据不同的孔洞大小，选择相应半径的透明有机玻璃外壳；
所述发光摄像头对称设置在透明有机玻璃外壳的底面端部，用于摄取孔洞内障碍物和孔洞曲折情况图像，并传输至摄像头显示屏上；
所述连接杆的一侧与圆环形下底座的底部铰接，另一侧与抓瓣的弯转部分铰接；所述驱动盘依次通过铰支座、驱动杆与竖直向液压缸的动臂相连，随动臂的伸长和缩回分别下移和上移；所述抓瓣的一侧端部与驱动盘铰接；
所述六通阀与油箱相连的两个油管分别为进油管和出油管，六通阀的另外4个油口分别与有杆腔油口、无杆腔油口和两个环形中空通道通过油管连接。
进一步地，所述操控台与油泵之间，油泵与油箱之间均采用信号传输线连接。
进一步地，所述基座内组合液压缸均采用封闭式油口设计。
进一步地，还包括设置在所述透明有机玻璃外壳表面的带电机滚轮；所述带电机滚轮包括若干组对称分布的带电机的可拆卸滚轮。
进一步地，每组所述可拆卸滚轮的导线在所述透明有机玻璃外壳的内部串联，每组可拆卸滚轮之间的导线并联。
进一步地，所述行进控制区上设置有两组导线插口，分别与带电机滚轮相连，所述行进控制按钮控制带电机滚轮中电流的大小及方向，用于控制孔洞倾斜情况下洞内取物模块的升降及升降速率。
进一步地，所述吊装控制按钮控制电机驱动杆旋转的方向及速率，用于控制孔洞垂直情况下洞内取物模块的升降及升降速率。
进一步地，所述抓瓣为可拆卸式抓瓣，可根据障碍物特性相应选择不同类型抓瓣，所述抓瓣的内侧均加设锯齿形凹槽。
以上装置在进行孔洞洞型绘制和洞内取物时的方法，包括如下步骤：
步骤一：组装并调试装置后以匀速率V1入洞，同时利用倾角感应器连续地测量并记录每一个时刻孔洞线型的倾斜角度，得到两组倾角随时间的变化关系，包括孔洞线型与铅垂线的夹角α(t)、孔洞线型在水平面的投影与水平面坐标轴的夹角β(t)，后经理论计算，得洞型中心点的三维坐标随时间的连续变化关系f1(x,y,z,v1,t)，即得洞型曲线①f1(x,y,z,v1)；
步骤二：当遇到障碍物时，通过可视化模块确定障碍物特性(如数量、大小及形状等)，后以不同速率V2仍匀速返回地表得洞型曲线②f2(x,y,z,v2)；
步骤三：组装与障碍物特性对应的抓瓣，理论计算取出障碍物所需油压的最小值，并以不同速率V3仍匀速返回障碍物处得洞型曲线③f3(x,y,z,v3)；
步骤四：对水平向液压缸操控，使反力架顶住洞内壁以提供取物支反力；
步骤五：对竖直向液压缸操控，动臂伸长带动抓瓣打开，抓取障碍物后，动臂缩回带动抓瓣收紧；
步骤六：对水平向液压缸操控收回反力架，后以不同速率V4仍匀速将障碍物带回地表并取出，同时得洞型曲线④f4(x,y,z,v4)；
步骤七：重复上述步骤，直至取出所有障碍物达到洞底并返回地表时为止，对所得若干条洞型曲线进行对比分析，最终确定并绘制精确洞型曲线f(x,y,z)。
进一步地，洞型中心点的三维坐标随时间的连续变化关系f(x,y,z,v,t)的理论计算式为：
进一步地，该方法至少可得两条洞型曲线，若遇到障碍物则可得若干条，可对其进行对比分析，最终确定精确洞型曲线，必要时可多次反复测量计算。
进一步地，针对不同类型的障碍物，通过观察并确定障碍物的特性(如数量、大小及形状等)、选取与之相应的抓瓣、调整将其取出所需油压，可确保各种类型的障碍物均可顺利取出，具体包括：
(i)当障碍物为较多的颗粒状沉渣时(如石渣)，或某坍塌土层(如细砂)，或以上两者的混合物(如卵石土)时，采用贝形抓瓣，当竖直向液压缸有杆腔与无杆腔的油压差Δp满足式2时，障碍物即可匀速取出。其中，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积；
(ii)当障碍物为单个或少量粒径较大的障碍物时，根据障碍物形状大小可分为以下几类：
a)块体型：障碍物为具有数个光滑平面的块体，如块状立方体、块状长方体等。此时采用图V型抓瓣，当满足式3时，障碍物即可匀速取出；其中b1、b2、l2表示力臂，μ表示抓瓣与障碍物之间的摩擦系数；m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积；
b)圆球型：障碍物为具有圆弧形的球体，如圆球、椭圆球等。此时采用圆弧型抓瓣，当满足式(4)时，障碍物即可匀速取出；其中r表示抓瓣半径，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积，μ表示抓瓣与障碍物之间的摩擦系数，b1表示力臂；
c)其他形状的障碍物均可视为介于a)、b)之间。
本发明所达到的有益效果：1)可连续地获取垂直或倾斜孔洞各位置的洞型三维倾角及洞型中心点的三维坐标，并准确绘制孔洞洞型曲线，为锚杆打设、精确监测等后续施工提供技术支持；2)可取出各种类型的障碍物，即可清理多量沉渣状的障碍物，也可精确取出少量特定障碍物，且无需对垂直及倾斜孔洞中的坚硬物体进行机械处理即可直接取出，提高钻孔施工的效率；3)具有可视化交互界面，能够时时看到洞型曲线以及孔洞内部影像，可判断障碍物特性以选取相应类型的抓瓣；4)巧妙的基座设计将两个水平向、一个竖直向液压缸置于同一个基座中形成一个组合液压缸，不仅可对其实施不同步操控，抓持力大可操控性强，并可根据障碍物特性调整油压，确保其顺利取出；5)封闭式的油路设计，充分利用了基座本身的特点(如油口内置、中空隔层等)，减少了油口的数量，避免了因液压缸数量较多引起的油管交叉、缠绕和直接暴漏在外部；6)除基座外所有组件均可拆卸组装，可根据钻孔方式(垂直或倾斜)选用是否应用吊装组件、根据钻杆直径选取相应直径的透明玻璃外壳、根据土质特点选取相应带电机滚轮的组数、根据障碍物的特点更换相应类型及数量的抓瓣等，确保装置顺利入洞和障碍物的顺利取出；7)抓瓣内侧的锯齿形凹槽设计能够保证抓瓣的抓持力；8)所有控制均在地上操控台，简单方便。
附图说明
图1是本发明的洞外可视化操作模块的结构示意图；
图2是本发明的洞内取物模块的剖面结构示意图；
图3是图2的俯视结构示意图；
图4是图2的A-A处的剖面图；
图5(a)(b)是抓瓣的结构示意图；
图6是洞型绘制方法理论计算的示意图；
图7是障碍物为块体型的受力图；
图8是障碍物为圆球型的受力图。
图中附图标记的含义：
A1-操控台，A2-油泵，A3-油箱，A4-六通阀，A5-摄像头显示屏，A6-线型显示屏，A7-吊装控制按钮，A8-行进控制按钮，A9-液压控制按钮，A10、A11-行进控制导线插口，A12-吊装电机驱动杆，A13-油泵线接口；
B1-吊装绳索，B2-圆柱形上底座，B3-圆环形下底座，B4-竖直向圆柱筒，B5-条形腔，B6-中空隔层，B7-水平向液压缸，B8、B9-环形中空通道，B10-竖直向液压缸，B11-透明有机玻璃外壳，B12-螺丝，B13-带电机滚轮，B14、B15-滚轮电机导线，B16-发光摄像头，B17-反力架，B18-橡胶垫，B19-倾角感应器，B20-驱动杆，B21-铰支座，B22-驱动盘，B23-抓瓣，B24、B25、B27-铰，B26-连接杆，B28、B29-竖直向液压缸油口，B30、B31-水平向液压缸油口，B32-组合油管接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明所采用的技术方案如下：
装置包括地上、地下两个部分，即：洞外可视化操作模块A和洞内取物模块B，两部分之间由洞外可视化操作模块中的吊装控制区、行进控制区和液压控制区等联系，两部分不可分割作为统一的整体共同发挥作用。
其中洞外可视化操作模块主要包括操控台A1、油泵A2、油箱A3、六通阀A4、摄像头显示屏A5、线型显示屏A6、吊装控制区、行进控制区和液压控制区等部分。
在本实施例中：摄像头显示屏A5，位于操控台A1左上部，用于显示发光摄像头B16所摄影像。
线型显示屏A6，位于操控台A1左下部，用于显示孔洞的洞型曲线。
吊装电机驱动杆A12在吊装控制区上，并伸出操控台A1，吊装绳索B1与吊装电机驱动杆A12相连，并通过吊装控制按钮A7控制吊装电机驱动杆A12旋转的方向及速率，以实现孔洞垂直情况下洞内取物模块的升降及升降速率。
滚轮组间并联后的正、负极B14、B15分别与操控台A1中行进控制导线插口的正、负极A10、A11对应相连，并通过行进控制按钮A8控制电流的大小与方向，以实现孔洞倾斜向下或向上等无法采用吊装的情况下洞内取物模块的前进、后退及其速度控制。
在液压控制区中，油箱A3接油泵A2后接入操控台A1，操控台A1与油泵A2之间，油泵A2与油箱A3之间均由信号传输线连接，由液压控制按钮A9控制信号传输。
与油箱A3相连的两个油管分别为进、出油管，另外4个油口分别与圆柱形上底座B2中组合油管接口B32中的4根油管相连，通过液压控制区和六通阀A4实现对水平向液压缸B7和竖直向液压缸B10的不同时操控。
洞内取物模块主要包括吊装绳索B1、圆柱形上底座B2、圆环形下底座B3、竖直向圆柱筒B4、组合液压缸、反力架B17、橡胶垫B18、倾角感应器B19、透明有机玻璃外壳B11、带电机滚轮B13、发光摄像头B16、驱动杆B20、驱动盘B22、连接杆B26和抓瓣B23等部分。
在本实施例中，基座由同半径的圆柱形上底座B2、圆环形下底座B3及竖直向圆柱筒B4构成一个基座整体，装置其余部分均为安装在基座上的可拆卸的组件，可视施工不同用途需要更换不同组件，如可根据障碍物的特点(沉渣或特定单一障碍物)更换不同类型及数量的抓瓣B23，确保障碍物的顺利取出。
圆柱形上底座B2，具有两个互成180°的条形腔B5和中空隔层B6，前者用于设置水平向液压缸B7，后者可用于梳理油管，同时中空隔层B6外壁用于衔接吊装、有机玻璃外壳等可拆卸组件，避免了对水平向液压缸B7的影响。
组合液压缸包括两个水平向液压缸B7和一个竖直向液压缸B10：在条形腔B5中设置活塞杆以形成两个水平向液压缸B7，动臂前端为螺纹口并伸出上底座外部，两个液压缸的无杆腔通过与上底座同圆心的环形中空通道互相贯通，并通过油口同步进出油，同理，其有杆腔也通过与上底座同圆心的另一环形中空通道互相贯通，并通过油口同步进出油，以实现对两个水平向液压缸B7的同步操控；在竖直向圆柱筒B4内腔中设置活塞杆以形成一个竖直向液压缸B10，位于上下底座之间，动臂与驱动杆B20相连，并在竖直向圆柱筒B4内腔中设有杆腔、无杆腔油口，以实现对水平向液压缸B7和竖直向液压缸B10的不同步操控。
圆环形下底座B3，竖直向液压缸B10动臂可从下底座中心环内伸出，环外设有与连接杆B26相连的铰支座B21。
具有封闭式油路，三个液压缸(两个水平向液压缸B7和一个竖直向液压缸B10)仅有4个进出油口，且均在基座内部，所有油路通道均为基座自身内部中空通道，且4个油管在中空隔层B6中统一梳理后经一个组合油管接口B32伸出与六通阀A4相连，避免了因液压缸数量较多引起的油管交叉、缠绕和直接暴漏在外部。
其中，水平向液压缸B7动臂伸长时，反力架B17上的橡胶垫B18与洞内壁挤压以提供竖直向液压缸B10取物的支反力；竖直向液压缸B10动臂伸长时，通过驱动杆B20带动驱动盘B22下移，抓瓣B23绕与连接杆B26铰接的铰旋转打开，动臂回程时抓瓣B23随之收紧以夹持所取物体。
吊装绳索B1设于圆柱形上底座B2顶面以实现孔洞垂直情况下洞内取物模块的升降。
透明有机玻璃外壳B11，根据不同的孔洞大小，选择相应半径的透明有机玻璃外壳B11，通过螺丝B12与基座相连，外壳内部预留导线通道。
带电机滚轮B13在圆柱形有机玻璃表面，对称装有带电机的可拆卸滚轮4组8个，可根据需要增减组数，每组上下各有一个滚轮，组内通过有机玻璃内部的导线串联，组间并联且正、负极分别最终汇聚到两条导线上，以防止滚轮同时意外停转，及实现倾斜向下或向上等无法采用吊装的孔洞情况下洞内取物模块的前进、后退及其速度控制；
发光摄像头B16对称设于有机玻璃外壳底面端部，从而可在黑暗的孔洞内摄取障碍物和孔洞曲折情况图像，并传输至显示屏上；
反力架B17，其底部为一圆盘，圆盘中心处有一垂直立杆，立杆顶端与水平向液压缸B7动臂端部螺纹连接，孔径较大时可在两者之间增设加长杆，反力架B17外侧为橡胶垫B18，随着水平向液压缸B7动臂的伸长，带动反力架B17和橡胶垫B18与洞内壁紧紧挤压，由橡胶垫B18与洞内壁的摩擦力来提供竖直向液压缸B10取物的支反力。
倾角感应器B19位于圆柱形上底座B2顶部中心位置，可连续地获取垂直或倾斜孔洞每一时刻的洞型三维倾角，通过操控台内置的处理器进行理论计算后可得洞型曲线，并呈现在线型显示屏A6上。
驱动盘B22通过铰支座B21、驱动杆B20与竖直向液压缸B10动臂相连，随动臂的伸长和缩回分别下移和上移。
连接杆B26一侧与圆形下底座铰接，一侧与抓瓣B23弯转部分铰接；
抓瓣B23内侧加设锯齿形凹槽以增大抓持力，一侧端部通过铰与驱动盘B22铰接，抓瓣B23弯转部分通过铰与连接杆B26铰接，则动臂向下伸长时通过驱动杆B20带动驱动盘B22下移，抓瓣B23绕铰旋转而打开，动臂向上缩回时，抓瓣B23随之收紧抓牢物体。
本发明中洞型绘制的方法，可根据孔洞线型与铅垂线的夹角、孔洞线型在水平面的投影与水平面坐标轴的夹角随时间的变化关系α(t)、β(t)，经理论计算，得出洞型中心点的三维坐标随时间的连续变化关系f(x,y,z,t)，进而得洞型曲线f(x,y,z)，步骤具体包括：
设入洞后dt时间内，装置由孔洞洞口O点到达A点，如图6所示，这一时间微元中可认为装置作匀速直线运动，设速率为v，则dt时刻装置所在位置，即：A点的三维坐标可表示为：
装置任意时刻所在位置的连线即是洞型曲线，可表示为：
针对不同类型的障碍物，通过观察并确定障碍物的特性(如数量、大小及形状等)、选取与之相应的抓瓣B23、调整将其取出所需油压，可确保各种类型的障碍物均可顺利取出，根据所取障碍物的特点，可概括为以下几种情况，下面就各种情况从理论上分别对其进行受力分析，并验证其可行性：
(i)当所取坍塌物体为数量较多的颗粒状沉渣时(如石渣)，或某坍塌土层(如细砂)，或以上两者的混合物(如卵石土)时，采用如图5(a)所示的抓瓣B231，即贝形抓瓣B23。
取所抓取沉渣整体为研究对象，在其上升的过程中，其重力势能的增加由液压缸油压做功转化而来，不考虑各种摩擦损耗、能量损失及抓瓣B23自重，根据能量守恒定律得：mgh＝ΔpSh，则其中，Δp表示竖直向液压缸B10有杆腔与无杆腔的油压差，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸B10有杆腔中活塞与液压油的接触面积，h表示障碍物被提升高度。
即当竖直向液压缸B10有杆腔与无杆腔的油压差Δp满足上式3)时，障碍物即可取出。
(ii)当所取坍塌物体为单个或少量粒径较大的障碍物时，根据障碍物形状大小可分为以下几类：
a)块体型：障碍物为具有数个光滑平面的块体，如块状立方体、块状长方体等。
此时采用图2所示的抓瓣B23，即V型抓瓣，其端部内侧设有锯齿形凹槽，与障碍物的光滑平面接触。取单个抓瓣B23为研究对象，对其进行受力分析，受力图如图7所示：V型抓瓣B23在M点受到驱动盘B22竖直向上的拉力T1，在O点受到连接杆B26斜向上的拉力T2，在N点受到所取障碍物对其水平向左的正压力N2，以及竖直向下的摩擦力Fs。
对O点取矩，由力矩平衡得：T1b1＝N2l2+Fsb2 (4)
其中Fs＝μN2。若保证所抓取物体能被提起，则需满足：
nFs＝nμN2≥mg (5)
由式4、5得：
又由nT1＝ΔpS代入式6，得：
以上各式中新出现的符号意义如下：b1、b2、l2表示力臂；Fs表示抓瓣B23对障碍物的摩擦力的反作用力；μ表示抓瓣B23与障碍物之间的摩擦系数；n表示抓瓣B23数量。
即当竖直向液压缸B10有杆腔与无杆腔的油压差Δp满足上式7时，障碍物即可取出。
b)圆球型：障碍物为具有圆弧形的球体，如圆球、椭圆球等。此时采用如图5(b)所示的抓瓣B23，即圆弧型抓瓣，其内侧设有锯齿形凹槽。
取单个抓瓣B23为研究对象，对其进行受力分析，受力图如图8所示：圆弧型抓瓣B23在M点受到驱动盘B22竖直向上的拉力T1，在O点受到连接杆B26斜向上的拉力T2，因抓瓣B23与障碍物为面接触，此处在N点取一接触微元，设过N点的半径与过O点的半径夹角为θ，θ的上下限为其受障碍物对其沿法线方向向左上方的正压力N2，以及沿切线方向向左下方的摩擦力Fs。
对O点取矩，由力矩平衡得：
其中dFs＝∫μdN2sinθdθ。若保证所抓取物体能被提起，则需满足：
由式8、9得：
由nT1＝ΔpS，代入式10，得：
以上各式中新出现的符号意义如下：r表示抓瓣B23半径。
即当竖直向液压缸B10有杆腔与无杆腔的油压差Δp满足上式11时，障碍物即可取出。
其他形状的障碍物均可视为介于a)、b)之间。
与现有的方法相比，该发明的有益效果在于：可连续地获取垂直或倾斜孔洞各位置的洞型三维倾角及洞型中心点的三维坐标，并准确绘制孔洞洞型曲线f(x,y,z)，为锚杆打设、精确监测等后续施工提供技术支持；可取出各种类型的障碍物，即可清理多量沉渣状的障碍物，也可精确取出少量特定障碍物，且无需对垂直及倾斜孔洞中的坚硬物体进行机械处理即可直接取出，提高钻孔施工的效率；具有可视化交互界面，能够时时看到洞型曲线以及孔洞内部影像，可判断障碍物特性以选取相应类型的抓瓣；巧妙的基座设计将两个水平向液压缸B7、一个竖直向液压缸B10置于同一个基座中形成一个组合液压缸，不仅可对其实施不同步操控，抓持力大可操控性强，并可根据障碍物特性调整油压，确保其顺利取出；封闭式的油路设计，充分利用了基座本身的特点(如油口内置、中空隔层B6等)，减少了油口的数量，避免了因液压缸数量较多引起的油管交叉、缠绕和直接暴漏在外部；除基座外所有组件均可拆卸组装，可根据钻孔方式(垂直或倾斜)选用是否应用吊装组件、根据钻杆直径选取相应直径的透明玻璃外壳B11、根据土质特点选取相应带电机滚轮的组数、根据障碍物的特点更换相应类型及数量的抓瓣B23等，确保装置顺利入洞和障碍物的顺利取出；抓瓣内侧的锯齿形凹槽设计能够保证抓瓣的抓持力；所有控制均在地上操控台A1，简单方便。总之，在垂直及倾斜钻孔孔洞中使用该发明不仅可以监控绘制孔洞的洞型曲线，且取出障碍物物成功率高、方便快捷，极大地提高了钻孔的效率，同时为后续针对性施工提供了技术支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，包括洞外可视化操作模块和洞内取物模块；
所述洞外可视化操作模块包括操控台、均设置在操控台上的吊装控制区、行进控制区、液压控制区、摄像头显示屏和线型显示屏；
所述吊装控制区上设置有吊装控制按钮和伸出操控台的电机驱动杆；所述行进控制区上设置有行进控制按钮和正负极导线接口；所述液压控制区上设置有液压控制按钮和油泵线接口；所述油泵线接口外依次连接有油泵、油箱和六通阀；所述摄像头显示屏用于显示发光摄像头摄取的孔洞内环境和孔洞内障碍物的图像；所述线型显示屏用于显示孔洞的洞型曲线；
所述洞内取物模块包括基座、吊装绳索、倾角感应器、反力架、透明有机玻璃外壳、带电机滚轮、发光摄像头、驱动杆和抓取模块；所述抓取模块包括连接杆、驱动盘和抓瓣；
所述基座包括同半径的圆柱形上底座、圆环形下底座和竖直向圆柱筒；所述圆柱形上底座上设置有两个环形中空通道；所述圆环形下底座的底面上设置有中空环；
所述圆柱形上底座包括两个对称分布的条形腔和一个设置在条形腔上方的中空隔层；两个所述环形中空通道均穿过条形腔；每个所述条形腔中均设置有活塞杆，形成水平向液压缸；所述水平向液压缸的动臂前端采用螺纹口并伸出圆柱形上底座的外部；所述水平向液压缸内的无杆腔和有杆腔分别与一个环形中空通道互相贯通；所述中空隔层用于梳理油管；
所述竖直向圆柱筒的内腔中设置有有杆腔油口、无杆腔油口和活塞杆，形成一个竖直向液压缸；所述竖直向圆柱筒位于圆柱形上底座、圆环形下底座之间，活塞杆与驱动杆相连；所述竖直向液压缸的动臂从圆环形下底座的中心环内伸出，中心环外设有与连接杆相连的铰支座；
所述吊装绳索设于圆柱形上底座顶面，用于孔洞垂直情况下装置的升降；所述吊装绳索与电机驱动杆相连；
所述倾角感应器设置在圆柱形上底座顶部中心位置，通过量测孔洞任意位置倾斜角度以绘制洞型；
所述反力架的底部采用圆盘，圆盘中心处有一垂直立杆；所述立杆的顶端与水平向液压缸的动臂端部螺纹连接；所述反力架外侧设置有橡胶垫；
所述透明有机玻璃外壳通过螺丝与基座相连，内部预留导线通道；
所述发光摄像头对称设置在透明有机玻璃外壳的底面端部，用于摄取孔洞内障碍物和孔洞曲折情况图像，并传输至摄像头显示屏上；
所述连接杆的一侧与圆环形下底座的底部铰接，另一侧与抓瓣的弯转部分铰接；所述驱动盘依次通过铰支座、驱动杆与竖直向液压缸的动臂相连，随动臂的伸长和缩回分别下移和上移；所述抓瓣的一侧端部与驱动盘铰接；
所述六通阀与油箱相连的两个油管分别为进油管和出油管，六通阀的另外4个油口分别与有杆腔油口、无杆腔油口和两个环形中空通道通过油管连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，所述液压控制区与油泵之间，油泵与油箱之间均采用信号传输线连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，基座内组合液压缸均采用封闭式油口设计。
4.根据权利要求1所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，还包括设置在所述透明有机玻璃外壳表面的带电机滚轮；所述带电机滚轮包括若干组对称分布的带电机的可拆卸滚轮。
5.根据权利要求4所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，每组所述可拆卸滚轮的导线在所述透明有机玻璃外壳的内部串联，每组可拆卸滚轮之间的导线并联。
6.根据权利要求1所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，所述行进控制区上设置有两组导线插口，分别与带电机滚轮相连，所述行进控制按钮控制带电机滚轮中电流的大小及方向，用于控制孔洞倾斜情况下洞内取物模块的升降及升降速率；所述吊装控制按钮控制电机驱动杆旋转的方向及速率，用于控制孔洞垂直情况下洞内取物模块的升降及升降速率。
7.根据权利要求1所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置，其特征是，所述抓瓣为可拆卸式抓瓣，可根据障碍物特性相应选择不同类型抓瓣，所述抓瓣的内侧均加设锯齿形凹槽；所述透明有机玻璃外壳采用圆柱形。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的装置的洞型绘制和洞内取物的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：组装并调试装置后以匀速率V1入洞，同时利用倾角感应器连续地测量并记录每一个时刻孔洞线型的倾斜角度，得到两组倾角随时间的变化关系，得洞型中心点的三维坐标随时间t的连续变化关系f1(x,y,z,v1,t)，即得洞型曲线①f1(x,y,z,v1)；
步骤二：当遇到障碍物时，通过可视化模块确定障碍物特性，以不同速率V2匀速返回地表得洞型曲线②f2(x,y,z,v2)；
步骤三：组装与障碍物特性对应的抓瓣，理论计算取出障碍物所需油压的最小值，并以不同速率V3匀速返回障碍物处得洞型曲线③f3(x,y,z,v3)；
步骤四：对水平向液压缸操控，使反力架顶住洞内壁以提供取物支反力；
步骤五：对竖直向液压缸操控，动臂伸长带动抓瓣打开，抓取障碍物后，动臂缩回带动抓瓣收紧；
步骤六：对水平向液压缸操控收回反力架，以不同速率V4匀速将障碍物带回地表并取出，同时得洞型曲线④f4(x,y,z,v4)；
步骤七：重复上述步骤，直至取出所有障碍物达到洞底并返回地表时为止，对所得若干条洞型曲线进行对比分析，最终确定并绘制精确洞型曲线f(x,y,z)。
9.根据权利要求8所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的方法，其特征是，洞型中心点的三维坐标随时间的连续变化关系f(x,y,z,v,t)的计算式为：v表示当前装置的速度，α(t)表示孔洞线型与铅垂线的夹角，β(t)表示孔洞线型在水平面的投影与水平面坐标轴的夹角，t表示匀速运动的时间。
10.根据权利要求8所述的一种适用于钻孔孔洞洞型绘制和洞内取物的方法，其特征是，所述步骤三中，针对不同类型的障碍物，通过观察并确定障碍物的特性选取与之相应的抓瓣，调整将障碍物取出所需油压确保各种类型的障碍物均可顺利取出，具体包括：
(i)当障碍物为较多的颗粒状沉渣时，或某坍塌土层，或以上两者的混合物时，采用贝形抓瓣，当竖直向液压缸有杆腔与无杆腔的油压差Δp满足公式(2)时，障碍物即可匀速取出：其中，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积；
(ii)当障碍物为单个或少量粒径较大的障碍物时，根据障碍物形状大小可分为以下几类：
a)块体型：障碍物为具有数个光滑平面的块体，此时采用V型抓瓣，当满足公式(3)时，障碍物即可匀速取出：其中b1、b2、l2表示力臂，μ表示抓瓣与障碍物之间的摩擦系数，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积；
b)圆球型：障碍物为具有圆弧形的球体，此时采用圆弧型抓瓣，当满足式(4)时，障碍物即可匀速取出：其中r表示抓瓣半径，m表示障碍物质量，S表示竖直向液压缸有杆腔中活塞与液压油的接触面积，μ表示抓瓣与障碍物之间的摩擦系数，b1表示力臂；
c)其他形状的障碍物均可视为介于a)、b)之间。
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