一种新型钻孔图像采集机器人及其使用方法

本发明涉及煤矿岩层检测领域，具体是一种新型钻孔图像采集机器人。

煤炭作为重要的能源燃料和化工原料，在国民经济发展及人民生活中扮演重要角。为最大限度的开采煤炭资源、节约生产成本，大多数煤层采用切顶卸压沿空留巷方式开采。

煤层开采势必引起上覆岩层断裂、破碎、冒落及下部岩层的变形。工作面冒落带高度和顶板变形特征是进行沿空留巷支护的重要参数，因此巷道顶板围岩的检测对工作面的安全生产具有较强的指导意义。此外，目前切顶卸压方式多采用预裂爆破方式进行，岩层厚度及岩性对爆破结果影响较大，需要对爆破后的炮孔进行检测，检测爆破切缝线是否贯通，用以判断爆破效果，调整装药结构。目前常用的方式仍旧是是在顶板岩层中钻孔进行检测，以获得图像数据。

由上述可知，在煤层开采过程中，使用成像设备对顶板岩层钻孔检测是保证安全生产的必要手段，具有直观、简便的特点。然而在实际运用过程中，也出现诸多问题。首先，大多数巷道顶板岩层存在裂隙水，孔内潮湿，常规窥视仪器的镜头深入钻孔内在镜头形成一层水雾，导致图像采集失真，处理此种情况只能将深入钻孔内的镜头撤出，清理干净后再重新放入钻孔进行测试。其次，如果孔壁部分岩层为泥岩等软岩时，软岩遇水崩解破碎导致钻孔疏通的工作量增加；此外，在检测过程中若镜头被岩屑泥巴遮挡，还需将镜头从钻孔内撤出进行清理。目前，常用的窥视仪器的采集镜头需要一根一根首尾相接的连接杆推入钻孔内，增加工作量和劳动强度，采集过程中一个重要的数据是记录图像采集的深度，需要专门的线滚或者装置记录深入钻孔内推送杆或者电缆长度，使用极为不便，若遇到塌孔等意外情况，镜头卡在钻孔内无法取出导致仪器报废。

上述问题，是所有现场检测人员遇到实际情况，若遇到钻孔地质条件较差，需要重复疏通孔内岩屑和清理仪器镜头，极大地消耗工作人员的体力和精力。众所周知，煤矿巷道湿度大、煤尘浓度高、噪音大，工作条件极差，利用现有的仪器和手段，每一次钻孔检测都充斥着现场检测人员反清理镜头而无济于事的辛酸，镜头容易被水汽及岩屑残渣遮挡的现实没有解决，导致采集图像不清晰，即浪费人力物力，也没有达到良好的检测效果。

申请号为2019100052189的发明提供了一种可单人操作的钻孔窥视仪。该钻孔窥视仪包括摄像探头、推杆、成像主机和金属框架，摄像探头设置于推杆的端部，金属框架设有深度计数器滑轮，推动推杆使摄像探头向钻孔内移动，改钻孔窥视仪可单人操作，但是需要使用推杆将摄像头向钻孔推进，多个推杆通过螺旋接头和螺旋接口连接，导致采集图像暂停和采集时间变长，且镜头没有任何防雾处理和防撞保护，适用条件受限。

申请号为2016105853264的发明公布了一种矿用钻孔窥视仪摄像头自适应居中和防污装置，包括探杆、摄像头、电缆、卡扣、固定盘、定位螺母、弹性钢丝，其主要目的是使得摄像头处于钻孔中心，防止摄像头触碰到孔壁，但是在镜头推进至泥岩及破碎区域时，弹性钢丝嵌入破碎区域导致镜头无法推进，且镜头表面被水汽凝结，无法在钻孔内清理，只能撤出孔口进行清理，浪费了时间。

相关的研究和改进也在进行中。

本发明实施例的目的在于提供一种新型钻孔图像采集机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种新型钻孔图像采集机器人，包括自进装置1、清洗装置2、采集装置3、连接装置4和控制装置5；所述的自进装置1安装在连接装置的外部，为本发明提供行进动力；所述的清洗装置2安装在采集装置3和连接装置4中间，可对本发明的防护壳32进行清洗，保证图像采集的清晰度；所述的采集装置3安装在连接装置4上部，是本发明的岩层图像采集部分；所述的连接装置4将本发明各部分连接在一起；所述的控制装置5可发送指令控制本发明实施图像采集功能。

作为本发明实施例进一步的方案：自进装置1包括自转式防滑胶轮11、丝杆支架12、支撑杆13、支架移动电机14和动力电缆15；自转式防滑胶轮11外侧为耐磨防滑橡胶制成的接触层，自转式防滑胶轮11胶轮外侧与岩壁紧密接触，自转式防滑胶轮11内部高扭矩电机，由动力电缆15提供电能，在通电状态下可发生转动，带动型一种新型钻孔图像采集机器人在钻孔内移动，一种新型钻孔图像采集机器人共有8个自转式防滑胶轮11，分布在连接装置的上部和下部，自转式防滑胶轮11在转动过程中记录转动圈数并转化为深度，并储存在存储模块57中，8个自转式防滑胶轮11记录的的平均值为钻孔深度；丝杆支架12为表面有螺纹的不锈钢杆，一端丝杆支架接口41相连，另一端与自转式防滑胶轮11连接；支撑杆13是由不锈钢制成短圆杆，一端与支架移动电机14相连，另一端与支撑杆接口42相连，连接方式为铰接，可以发生转动；支架移动电机14连接在丝杆支架12上，在通电时支架移动电机14可在丝杆支架12表面移动，控制自转式防滑胶轮11与岩壁的接触角度，从而适应不同尺寸的钻孔，保证自转式防滑胶轮11始终与岩壁紧密接触，防止发生空转；动力电缆15为支架移动电机14提供电能。

作为本发明实施例进一步的方案：清洗装置2包括清洗液储存仓21、清洗液喷头22、清洗环移动机构23、清洗液送液管24、清洗环25；清洗液储存仓21位于连接装置内部，用于盛放清洗液，为塑料制成仓体，下端有与清洗液送液管24连接的接口；清洗液喷头22为清洗环25上的喷雾头，下端连接清洗液送液管24，可将清洗液均匀喷洒至防护壳32上，对防护壳32进行清洗；清洗环移动机构23位于清洗环25下部，清洗环移动机构23的升降杆231上端与清洗环25连接，下端固定在连接装置表面，在清洗液喷头22喷雾状清洗液后，清洗环移动机构23的电动机232通电，带动清洗环25上下移动将防护壳32表面擦拭干净；清洗液送液管24为连接清洗液储存仓21和清洗液喷头22的连接管；清洗环25为橡胶制成的圆环，圆环内侧高边缘低，清洗过程中清洗液可沿清洗环25流到下部。

作为本发明实施例进一步的方案：清洗环移动机构23包括升降杆231、电动机232和螺杆轴233，升降杆231为表面带有凹槽的铝合金杆体，其凹槽与螺杆轴233的凸起部分相互咬合，电动机232位于清洗环移动机构23上部，能接收运算处理模块56发出的清洗指令，进行正向和反向转动，螺杆轴233与电动机232相连，与电动机232转动方向一致，螺杆轴表面具有凸起部分，可与升降杆231凹槽咬合，在旋转过程中，带动升降杆231发生竖向运动，升降杆231带动清洗环25上下移动将防护壳32表面擦拭干净。

作为本发明实施例进一步的方案：采集装置3包括全景镜头31、防护壳32、LED照明灯33、锥形防护帽34、内置方位角测量仪35；全景镜头31为防护壳32内侧的信息采集镜头，可对钻孔岩壁360方向进行图像采集；防护壳32由钢化玻璃高温加工处理制成，内部有电加热丝，电加热丝在钻孔内进行图像采集过程中对防护壳32加热，防止水汽在防护壳表面进行凝结，提高采集精度；LED照明灯33为全景镜头31提供光源，且LED照明灯33的亮度可调；锥形防护帽34位于防护壳32的前端，目的是保护防护壳32不被硬岩撞击，从而保证全景镜头31安全；内置方位角测量仪35安装在全景镜头31下方，可同时采集钻孔方位角信息。

作为本发明实施例进一步的方案：连接装置4包括丝杆支架接口41、支撑杆接口42、转动轴43、电缆线接口44、电缆线45和壳体46；丝杆支架接口41位于壳体46外侧，为丝杆支架12提供附着点，通过转动轴43将丝杆支架12和壳体46连接在一起，丝杆支架12可以绕丝杆支架接口41转动；支撑杆接口42位于壳体46外侧，为支撑杆13提供附着点，通过转动轴43将支撑杆13和壳体46连接在一起，支撑杆13可以绕支撑杆接口42转动；电缆线接口44为连接装置与电缆线45的接口；电缆线45为四铜芯外夹钢绞线电缆，内含电源和信号传输线，一端与电缆线接口44连接，一端与主电缆插口51连接，起到电源和信号传输作用，电缆线强度高、柔韧性好，表面附着耐磨塑料层，长度根据钻孔深度和测试要求选取。

作为本发明实施例进一步的方案：控制装置5包括主电缆插口51、电源接口52、操作按键区53、功能按键区54、高清显示屏55、运算处理模块56、存储模块57；主电缆插口51是控制装置与电缆线45的接口，起到电源和信号传输作用；电源接口52为控制装置与井下动力电源的接口，为一种新型钻孔图像采集机器人提供电能；操作按键区53可控制一种新型钻孔图像采集机器人开机、行进速度、行进方向和丝杆支架12的支撑角度；功能按键区54可控制一种新型钻孔图像采集机器人的防护壳32加热、清洗液喷头22喷雾和清洗环移动机构23的移动；高清显示屏55可实时显示钻孔图像、行进速度、钻孔方位、钻孔深度等参数；运算处理模块56可将操作按键区53和功能按键区54的指令发送给相应的部分实现功能操作，并将行进和采集的数据进行处理储存；存储模块57为数据采集存储单元，具有大容量存储功能，满足累计1000m以上孔深数据的记录存储。

所述一种新型钻孔图像采集机器人的使用方法，具体步骤如下：

（1）使用电缆线45将电缆线接口44和主电缆插口51连接，并开机；

（2）将本发明一种新型钻孔图像采集机器人放入窥视的孔内，使用控制装置5调节支架移动电机14和丝杆支架12的角度，使自转式防滑胶轮11和钻孔岩壁接触；

（3）使用控制装置5设置自转式防滑胶轮11的行进速度，打开防护壳32的加热功能，10秒钟后开始进行采集，并将采集的钻孔图像数据和方位角数据存储在存储模块57中；

（4）若防护壳32被岩屑、泥巴等遮挡时，暂停采集，使用控制装置5控制清洗液喷头22向防护壳32喷洒雾状清洗液，并控制清洗环25对防护壳32进行清洗和擦拭，擦拭完毕后继续进行采集；

（5）当本发明一种新型钻孔图像采集机器人的锥形防护帽34到达孔底时，采集结束，将本次采集数据全部存储在存储模块57，使用控制装置5控制本发明一种新型钻孔图像采集机器人从钻孔内撤出，完成钻孔信息采集。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明有8个自转式防滑胶轮，共分为上下两组，每组设置4个，自转式防滑胶轮外侧为为耐磨防滑橡胶制成的接触层，通过支架移动电机调节，可将本发明一种新型钻孔图像采集机器人与岩壁紧密接触，且能将全景镜头置于钻孔中央，保证采集效果。

本发明使用8个自转式防滑胶轮在钻孔孔壁内转动，带动采集装置在钻孔内移动，省去了接杆的工作，节省了时间，保证了采集图像连续性和完整性，运算处理模块将自转式防滑胶轮圈数转化为钻孔深度并与图像数据同步保存，可明确采集巷道顶板不同深度范围内围岩变形及破碎特性。

本发明独立设有清洗装置，当防护壳被岩屑和泥巴遮挡时，使用清洗液和清洗环对防护壳进行清洗，避免将镜头从钻孔内取出擦拭的重复性工作，提高采集效率。

本发明的全景镜头外侧设有防护壳，可保护镜头不被污损，阻挡钻孔内的粉尘和水汽侵蚀，还具有电加热功能，避免水汽在防护壳表面凝结，使采集图像更加清晰。

本发明使用控制装置控制钻孔图像采集机器人的开机、行进速度、行进方向和丝杆支架的支撑角度，操作简便，功能齐全。

本发明使用的电缆线为四铜芯外夹钢绞线电缆，内含电源和信号传输线，不仅可以为本发明提供电能传输信号，电缆线强度高、柔韧性好，能在钻孔发生塌孔意外时，通过牵引电缆线将机器人从孔内救出脱险。

图1为本发明一种新型钻孔图像采集机器人各部分装置结构图。

图2为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的自进装置、清洗装置、采集装置和连接装置组合图。

图3为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的清洗装置和采集装置详图。

图4为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的自进装置和连接装置详图。

图5为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的控制装置详图。

图6为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的自进装置俯视图。

图7为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的清洗环俯视图。

图8为本发明一种新型钻孔图像采集机器人的清洗环移动机构的内部结构图。

其中：1-自进装置；11-自转式防滑胶轮；12-丝杆支架；13-支撑杆；14-支架移动电机；15-动力电缆；2-清洗装置；21-清洗液储存仓；22-清洗液喷头；23-清洗环移动机构；231-升降杆；232-电动机；233-螺杆轴；24-清洗液送液管；25-清洗环；3-采集装置；31-全景镜头；32-防护壳；33-LED照明灯；34-锥形防护帽；35-内置方位角测量仪；4-连接装置；41-丝杆支架接口；42-支撑杆接口；43-转动轴；44-电缆线接口；45-电缆线；46-壳体；5-控制装置；51-主电缆插口；52-电源接口；53-操作按键区；54-功能按键区；55-高清显示屏；56-运算处理模块；57-存储模块。

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

一种新型钻孔图像采集机器人，包括自进装置1、清洗装置2、采集装置3、连接装置4和控制装置5；所述的自进装置1安装在连接装置的外部，为本发明提供行进动力；所述的清洗装置2安装在采集装置3和连接装置4中间，可对本发明的防护壳32进行清洗，保证图像采集的清晰度；所述的采集装置3安装在连接装置4上部，是本发明的岩层图像采集部分；所述的连接装置4将本发明各部分连接在一起；所述的控制装置5可发送指令控制本发明实施图像采集功能。

为了使用方便，自进装置1包括自转式防滑胶轮11、丝杆支架12、支撑杆13、支架移动电机14和动力电缆15；自转式防滑胶轮11外侧为耐磨防滑橡胶制成的接触层，自转式防滑胶轮11胶轮外侧与岩壁紧密接触，自转式防滑胶轮11内部高扭矩电机，由动力电缆15提供电能，在通电状态下可发生转动，带动型一种新型钻孔图像采集机器人在钻孔内移动，一种新型钻孔图像采集机器人共有8个自转式防滑胶轮11，分布在连接装置的上部和下部，自转式防滑胶轮11在转动过程中记录转动圈数并转化为深度，并储存在存储模块57中，8个自转式防滑胶轮11记录的的平均值为钻孔深度；丝杆支架12为表面有螺纹的不锈钢杆，一端丝杆支架接口41相连，另一端与自转式防滑胶轮11连接；支撑杆13是由不锈钢制成短圆杆，一端与支架移动电机14相连，另一端与支撑杆接口42相连，连接方式为铰接，可以发生转动；支架移动电机14连接在丝杆支架12上，在通电时支架移动电机14可在丝杆支架12表面移动，控制自转式防滑胶轮11与岩壁的接触角度，从而适应不同尺寸的钻孔，保证自转式防滑胶轮11始终与岩壁紧密接触，防止发生空转；动力电缆15为支架移动电机14提供电能。

进一步的，清洗装置2包括清洗液储存仓21、清洗液喷头22、清洗环移动机构23、清洗液送液管24、清洗环25；清洗液储存仓21位于连接装置内部，用于盛放清洗液，为塑料制成仓体，下端有与清洗液送液管24连接的接口；清洗液喷头22为清洗环25上的喷雾头，下端连接清洗液送液管24，可将清洗液均匀喷洒至防护壳32上，对防护壳32进行清洗；清洗环移动机构23位于清洗环25下部，清洗环移动机构23的升降杆231上端与清洗环25连接，下端固定在连接装置表面，在清洗液喷头22喷雾状清洗液后，清洗环移动机构23的电动机232通电，带动清洗环25上下移动将防护壳32表面擦拭干净；清洗液送液管24为连接清洗液储存仓21和清洗液喷头22的连接管；清洗环25为橡胶制成的圆环，圆环内侧高边缘低，清洗过程中清洗液可沿清洗环25流到下部。

进一步的，清洗环移动机构23包括升降杆231、电动机232和螺杆轴233，升降杆231为表面带有凹槽的铝合金杆体，其凹槽与螺杆轴233的凸起部分相互咬合，电动机232位于清洗环移动机构23上部，能接收运算处理模块56发出的清洗指令，进行正向和反向转动，螺杆轴233与电动机232相连，与电动机232转动方向一致，螺杆轴表面具有凸起部分，可与升降杆231凹槽咬合，在旋转过程中，带动升降杆231发生竖向运动，升降杆231带动清洗环25上下移动将防护壳32表面擦拭干净。

进一步的，采集装置3包括全景镜头31、防护壳32、LED照明灯33、锥形防护帽34、内置方位角测量仪35；全景镜头31为防护壳32内侧的信息采集镜头，可对钻孔岩壁360方向进行图像采集；防护壳32由钢化玻璃高温加工处理制成，内部有电加热丝，电加热丝在钻孔内进行图像采集过程中对防护壳32加热，防止水汽在防护壳表面进行凝结，提高采集精度；LED照明灯33为全景镜头31提供光源，且LED照明灯33的亮度可调；锥形防护帽34位于防护壳32的前端，目的是保护防护壳32不被硬岩撞击，从而保证全景镜头31安全；内置方位角测量仪35安装在全景镜头31下方，可同时采集钻孔方位角信息。

进一步的，连接装置4包括丝杆支架接口41、支撑杆接口42、转动轴43、电缆线接口44、电缆线45和壳体46；丝杆支架接口41位于壳体46外侧，为丝杆支架12提供附着点，通过转动轴43将丝杆支架12和壳体46连接在一起，丝杆支架12可以绕丝杆支架接口41转动；支撑杆接口42位于壳体46外侧，为支撑杆13提供附着点，通过转动轴43将支撑杆13和壳体46连接在一起，支撑杆13可以绕支撑杆接口42转动；电缆线接口44为连接装置与电缆线45的接口；电缆线45为四铜芯外夹钢绞线电缆，内含电源和信号传输线，一端与电缆线接口44连接，一端与主电缆插口51连接，起到电源和信号传输作用，电缆线强度高、柔韧性好，表面附着耐磨塑料层，长度根据钻孔深度和测试要求选取。

进一步的，控制装置5包括，主电缆插口51、电源接口52、操作按键区53、功能按键区54、高清显示屏55、运算处理模块56、存储模块57；主电缆插口51是控制装置与电缆线45的接口，起到电源和信号传输作用；电源接口52为控制装置与井下动力电源的接口，为一种新型钻孔图像采集机器人提供电能；操作按键区53可控制一种新型钻孔图像采集机器人开机、行进速度、行进方向和丝杆支架12的支撑角度；功能按键区54可控制一种新型钻孔图像采集机器人的防护壳32加热、清洗液喷头22喷雾和清洗环移动机构23的移动；高清显示屏55可实时显示钻孔图像、行进速度、钻孔方位、钻孔深度等参数；运算处理模块56可将操作按键区53和功能按键区54的指令发送给相应的部分实现功能操作，并将行进和采集的数据进行处理储存；存储模块57为数据采集存储单元，具有大容量存储功能，满足1000m以上孔深数据的记录存储。

所述一种新型钻孔图像采集机器人的使用方法，具体步骤如下：

（1）使用电缆线45将电缆线接口44和主电缆插口51连接，并开机；

（2）将本发明一种新型钻孔图像采集机器人放入窥视的孔内，使用控制装置5调节支架移动电机14和丝杆支架12的角度，使自转式防滑胶轮11和钻孔岩壁接触；

（3）使用控制装置5设置自转式防滑胶轮11的行进速度，打开防护壳32的加热功能，10秒钟后开始进行采集，并将采集的钻孔图像数据和方位角数据存储在存储模块57中；

（4）若防护壳32被岩屑、泥巴等遮挡时，暂停采集，使用控制装置5控制清洗液喷头22向防护壳32喷洒雾状清洗液，并控制清洗环25对防护壳32进行清洗和擦拭，擦拭完毕后继续进行采集；

（5）当本发明一种新型钻孔图像采集机器人的锥形防护帽34到达孔底时，采集结束，将本次采集数据全部存储在存储模块57，使用控制装置5控制本发明一种新型钻孔图像采集机器人从钻孔内撤出，完成钻孔信息采集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。