CN114047051B - 一种智能化围岩分级机器人***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能化围岩分级机器人***及方法，包括：岩石试件夹持装置，包括机械臂和设于机械臂一端的夹爪，所述夹爪将岩块置于岩石试件承载装置上；岩石试件承载装置，包括岩石试件承载板和岩块试件固定装置，所述岩石试件承载板上设有岩块试件固定装置，所述岩块试件固定装置将岩块夹紧；点荷载加压装置，包括加压头、液压缸和伸缩杆，伸缩杆调整加压头与岩块的间距，所述液压缸提供破坏岩块的压力，所述加压头将压力施加在岩块上。简化室内测量岩石单轴抗压强度的流程，可在现场重复多次试验，提高试验结果的准确性，进一步的还可利用点荷载加压测定围岩级别。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种智能化围岩分级机器人***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
很多隧道的建设环境十分恶劣，如处于极端的地质条件(强烈揉皱的岩体、强烈活动的板块构造)和极端的建造环境(高地温、低氧、高寒、瓦斯、岩爆等)中，在极端的建造环境中，现场获取围岩的数据信息更加困难，而隧道在开挖后掌子面十分危险，为保证隧道的安全施工，开展围岩分级具有很强的必要性。机器人装备具有无人化、快速化、安全化的优点，能够深入到人工无法到达的环境中，代替人工完成无法实现的测量作业任务，对于指导极端环境下的隧道施工具有重要意义。因此，极端环境条件下对围岩信息的快速获取和分析、对无人化和快速化具有迫切需求。
传统的围岩分级方法包括两步，首先确定岩体的基本质量，然后根据工程实际确定围岩级别。岩体的基本质量包括岩体的强度指标和岩体的完整度指标，岩石的单轴抗压强度是表征岩石的坚硬程度和指导围岩分级的重要物理力学参数，传统获取岩石单轴抗压强度的方式是采用单轴抗压试验，室内单轴抗压试验的流程包括现场取样、标准制样和室内标准实验，整个过程十分繁琐；且标准的单轴抗压试验期长，制样成本高，不能快速指导隧道的施工。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种智能化围岩分级机器人***及方法，简化室内测量岩石单轴抗压强度的流程，可在现场直接进行岩石单轴抗压强度试验，并且可在现场重复多次试验，提高试验结果的准确性，进一步的还可利用点荷载加压测定围岩级别。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种智能化围岩分级机器人***，包括：机器人车体，以及设于机器人车体上的岩石试件承载装置、点荷载加压装置和岩石试件夹持装置；
所述岩石试件夹持装置包括机械臂和设于机械臂一端的夹爪，所述夹爪将岩块置于岩石试件承载装置上；
所述岩石试件承载装置包括岩石试件承载板和岩块试件固定装置，所述岩石试件承载板上设有岩块试件固定装置，所述岩块试件固定装置将岩块夹紧；
所述点荷载加压装置包括加压头、液压缸和伸缩杆，伸缩杆调整加压头与岩块的间距，所述液压缸提供破坏岩块的压力，所述加压头将压力施加在岩块上。
作为可选择的实施方式，所述岩石试件固定装置包括一组可伸缩的夹持件，所述夹持件呈十字型设置，用于固定岩块。
作为可选择的实施方式，所述岩石试件承载装置还包括承载板连接转动轴；所述岩石试件承载板通过承载板连接转动轴与机器人车体连接。
作为可选择的实施方式，所述承载板连接转动轴通过旋转，将岩石试件承载板上被压碎后的岩块进行清理。
作为可选择的实施方式，所述岩石试件承载板上设有贯穿的通孔，所述承载板连接转动轴通过通孔贯穿连接在岩石试件承载板上。
作为可选择的实施方式，所述加压头包括两个加压头，分别位于岩石试件承载板上下两侧。
作为可选择的实施方式，所述伸缩杆的一端连接液压缸，另一端连接在机器人车体上。
作为可选择的实施方式，所述岩石试件夹持装置包括可转动的底盘，所述底盘设于机器人车体上，且连接机械臂。
第二方面，本发明提供一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，包括：
对获取的岩块图像标注特征点，根据特征点的成像坐标得到特征点的实际坐标；
获取岩块被加压后的极限荷载强度；
根据特征点的实际坐标值和极限荷载强度得到点荷载强度；
根据点荷载强度得到岩石单轴抗压强度；
根据岩石单轴抗压强度和预获取的岩石完整度得到围岩分级结果。
作为可选择的实施方式，设特征点为A(Xa,Ya,Za)、B(Xb,Yb,Zb)、C(Xc,Yc,Zc)、D(Xd,Yd,Zd)、E(Xe,Ye,Ze)；则点荷载强度为：
其中，P为岩块被加压后的极限荷载强度，n为修正指数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的智能化围岩分级机器人***简化室内测量岩石单轴抗压强度的流程，可在现场直接进行岩石单轴抗压强度试验，并且可在现场重复多次试验，提高试验结果的准确性，使得获取岩石的强度指标更加简便。
本发明的智能化围岩分级机器人***中机器人车具有越野行进能力、装载能力，前置摄像头具有辅助勘察能力和数据量测功能，减少人工的工作量，提高效率。
本发明的智能化围岩分级机器人***及方法可获得岩石单轴抗压强度指标，并且将岩石单轴抗压强度指标用于智能化围岩分级，为指导隧道安全施工提供保障，且工作人员无需到掌子面获取数据，可直接利用机器人和点荷载加载装置测定围岩级别，提高安全性。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的智能化围岩分级机器人***整体示意图；
图2为本发明实施例1提供的岩石试件承载装置示意图；
图3为本发明实施例1提供的点荷载加压装置示意图；
图4为本发明实施例1提供的岩石试件夹持装置示意图；
图5为本发明实施例1提供的机器人车体示意图；
图6为本发明实施例2提供的岩块尺寸测量示意图；
图中：1、岩石试件承载板，2、岩石试件固定装置，3、承载板连接转动轴，4、加压头，5、第一机械臂，6、机器人车体，7、摄像装置，8、液压缸，9、第二机械臂，10、第三机械臂，11、底盘，12、夹爪，13、伸缩杆。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
近年来，国内外学者通过大量的研究发现通过点荷载试验可以快速有效地获取岩石的单轴抗压强度，点荷载试验是快速获取岩石单轴抗压强度的一种重要手段，试验过程中不用制作标准的实验样品，可以直接选用现场的不规则的岩块进行加载试验，通过点荷载试验仪器对岩块进行压坏试验，并结合相关的地质勘察资料来获取岩石的单轴抗压强度，具有成本低、时间短、试验结果准确性高等优点。
本实施例采用摄像测距***与点荷载试验装置相结合的方式测定岩体的强度指标，如图1所示，提出一种智能化围岩分级机器人***，包括：机器人车体6、岩石试件承载装置、点荷载加压装置和岩石试件夹持装置；
所述机器人车体6前方配置摄像装置7，实时观测现场环境情况，扫描掌子面，并用于辅助挑选试件；前方装载岩石试件承载装置和点荷载加压装置，上方装载岩石试件夹持装置。
在本实施例中，如图2所示，所述岩石试件承载装置包括岩石试件承载板1、岩块试件固定装置2和承载板连接转动轴3；所述岩石试件承载板1上设有岩块试件固定装置2和承载板连接转动轴3；
优选地，所述岩石试件固定装置2包括一组可伸缩的夹持件，所述夹持件呈十字型设置，具有固定目标岩块的功能。
更进一步的，通过岩石试件夹持装置将岩块放置在岩石试件承载板1上后，岩石试件固定装置2通过控制夹持件的伸缩将岩块夹紧，稳固岩块。
优选地，所述岩石试件承载板1通过承载板连接转动轴3与机器人车体6连接，承载板连接转动轴3能够旋转360度，岩块被压破后，通过控制承载板连接转动轴3转动，清理岩石试件承载板1上的残留岩块。
优选地，所述岩石试件承载板1上设有贯穿的通孔，所述承载板连接转动轴3通过通孔贯穿连接在岩石试件承载板1上。
在本实施例中，如图3所示，所述点荷载加压装置包括加压头4、液压缸8、伸缩杆13。
优选地，所述加压头4包括上下两个，分别位于岩石试件承载板1的上下两侧，用于给岩块施加压力。
优选地，所述液压缸8提拱破坏岩块的压力。
优选地，所述伸缩杆13的一端连接液压缸，另一端连接在机器人车体上，用于调节两个加压头的间距，同时也能调整加压头与岩块的间距。
在本实施例中，如图4所示，岩石试件夹持装置包括依次连接的第一机械臂5、第二机械臂9和第三机械臂10，三段机械臂由远程控制实现弯曲、位置的调整，
优选地，在第一机械臂5的一端连接夹爪12，另一端连接第二机械臂9的一端，夹爪12可控制张合，以实现岩块的抓取；
优选地，第三机械臂10一端连接底盘11，另一端连接第二机械臂9的另一端，底盘11可实现转动。
优选地，底盘11设置在机器人车体6上。
在本实施例中，如图5所示，所述机器人车体6上设有摄像装置7，岩石试件夹持装置配合摄像头进行岩块的夹取工作。
在本实施例中，上述智能化围岩分级机器人***的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：在隧道施工现场，检查装置各部位的工作状态，确保其正常工作。
步骤2：控制机器人车行驶至掌子面前方，通过前置摄像头寻找合适的实验岩块，并对掌子面进行扫描拍照；
步骤3：通过控制岩石试件夹持装置将目标岩块夹起。
步骤4：通过控制岩石试件夹持装置将岩块放置在岩石试件承载板上，且在放置前确保点荷载加压装置旋转至机器人车的侧方，避免对放置岩块时产生影响。
步骤5：将岩块放置在岩石试件承载板上后，控制岩石试件固定装置将岩块夹紧，并得到岩块的长宽数据。
步骤6：控制点荷载加压装置旋转至岩块中心位置，启动液压缸，控制加压破坏岩块。
步骤7：控制点荷载加压装置旋转至机器人车的侧方。
步骤8：控制岩石试件固定装置松开对岩石的夹持。
步骤9：旋转承载板连接转动轴360度，清理岩石试件承载板上的岩块。
步骤10：重复步骤2-步骤9，进行下一循环的工作。
实施例2
本实施例提供一种基于上述智能化围岩分级机器人***的工作方法，包括：
对获取的岩块图像标注特征点，根据特征点的成像坐标得到特征点的实际坐标；
获取岩块被加压后的极限荷载强度；
根据特征点的实际坐标值和极限荷载强度得到点荷载强度；
根据点荷载强度得到岩石单轴抗压强度；
根据岩石单轴抗压强度和预获取的岩石完整度得到围岩分级结果。
在本实施例中，采用摄像测距***与点荷载加压装置相结合的方式测定岩体的强度指标，其具体实现原理如下：
设空间中任意一点M(Xm,Ym,Zm)在摄像***平面内成像的坐标为a(mlm,nlm)、b(mrm,nrm)，像素坐标为(m0,n0)，相机的内部参数(均可知)包括：相机焦距f，左右摄像头距离b，则有：
由此得到空间中任意一点M(Xm,Ym,Zm)的坐标为：
同理，可以求得如图6所示岩块的特征点A(Xa,Ya,Za)、B(Xb,Yb,Zb)、C(Xc,Yc,Zc)、D(Xd,Yd,Zd)、E(Xe,Ye,Ze)坐标值。
点荷载强度指被加荷锥头压裂时的极限荷载(P)与两锥顶间距(D)的平方之比，称为点荷载强度指数；点荷载强度为：
其中，n为修正指数，可根据现场取0.4～0.45。
在无条件取得单轴饱和抗压强度时，用点荷载强度指数进行换算，对应的岩石单轴抗压强度值为：
以上为岩体的坚硬程度获取过程。
岩体的完整程度常用Kv来衡量，Kv值的获取采用声波测试法，本实验装置采用节理数Jv来替代计算，Jv值的获取方式如下：
已知掌子面上结构面迹线的两端点的坐标a11(x11,y11,z11)、a12(x12,y12,z12)，由此求出迹线的中心点坐标a1(x1,y1,z1)，因此由其他节理迹线的端点坐标a21(x21,y21,z21)、a22(x22,y22,z22)；a31(x31,y31,z31)、a32(x32,y32,z32)……ai1(xi1,yi1,zi1)、ai2(xi2,yi2,zi2)可以分别求得各节理迹线的中心的坐标a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)……ai(xi,yi,zi)，
迹线依靠人工识别，人工识别后可自动分组，对于同一组中的第1～i条节理的中心坐标连线，可得：
同理，对于1～n组节理，可以分别求出S1、S2……Sn，考虑到各节理组数与掌子面斜交的情况，需要乘以1.08的补偿系数，得到以下公式：
其中，Sm为单位体积的非成组节理的条数，可直接获取。
根据相关的文献调研情况，现使用如下的关系转换公式：
以上获得的数值可用于围岩分级，
(1)由标准的围岩分级公式BQ＝90+3Rc+250Kv，
当Rc>90Kv+30时，应将Rc＝90Kv+30和Kv代入上式计算BQ的值，根据以上所得：
当
时，
则有
(2)当Kv>0.04Rc+0.4时，应将Kv＝0.04Rc+0.4和Rc代入标准公式计算，即当
时，则有
(3)其余情况，则有：
对应的围岩级别及定性、定量分析如表1：
表1围岩分级对应关系
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，智能化围岩分级机器人***包括机器人车体，以及设于机器人车体上的岩石试件承载装置、点荷载加压装置和岩石试件夹持装置；
所述岩石试件夹持装置包括机械臂和设于机械臂一端的夹爪，所述夹爪将岩块置于岩石试件承载装置上；
所述岩石试件承载装置包括岩石试件承载板和岩块试件固定装置，所述岩石试件承载板上设有岩块试件固定装置，所述岩块试件固定装置将岩块夹紧；
所述点荷载加压装置包括加压头、液压缸和伸缩杆，伸缩杆调整加压头与岩块的间距，所述液压缸提供破坏岩块的压力，所述加压头将压力施加在岩块上；
其特征在于：对获取的岩块图像标注特征点，根据特征点的成像坐标得到特征点的实际坐标；
获取岩块被加压后的极限荷载强度；
根据特征点的实际坐标值和极限荷载强度得到点荷载强度；
根据点荷载强度得到岩石单轴抗压强度；
根据岩石单轴抗压强度和预获取的岩石完整度得到围岩分级结果；
设特征点为A(Xa,Ya,Za)、B(Xb,Yb,Zb)、C(Xc,Yc,Zc)、D(Xd,Yd,Zd)、E(Xe,Ye,Ze)；则点荷载强度为：
其中，P为岩块被加压后的极限荷载强度，n为修正指数。
2.如权利要求1所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述岩石试件固定装置包括一组可伸缩的夹持件，所述夹持件呈十字型设置，用于固定岩块。
3.如权利要求1所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述岩石试件承载装置还包括承载板连接转动轴；所述岩石试件承载板通过承载板连接转动轴与机器人车体连接。
4.如权利要求3所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述承载板连接转动轴通过旋转，将岩石试件承载板上被压碎后的岩块进行清理。
5.如权利要求3所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述岩石试件承载板上设有贯穿的通孔，所述承载板连接转动轴通过通孔贯穿连接在岩石试件承载板上。
6.如权利要求1所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述加压头包括两个加压头，分别位于岩石试件承载板上下两侧。
7.如权利要求1所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述伸缩杆的一端连接液压缸，另一端连接在机器人车体上。
8.如权利要求1所述的一种智能化围岩分级机器人***的工作方法，其特征在于，所述岩石试件夹持装置包括可转动的底盘，所述底盘设于机器人车体上，且连接机械臂。
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