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申请/专利权人：中建安装集团有限公司

摘要：本发明提供一种基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统及方法，实现对钻孔施工现场的在线实时监测，以BIM模型的可视化性及数据可提取性为基础，基于三维扫描技术优化打孔位置，通过施工模拟优化孔洞作业顺序，提高了施工质量。本发明提出了孔洞信息编码方案，研发孔洞自动编码软件，实现孔洞指向的唯一性及关键建筑信息属性化，将信息转化为数据直接控制作业，与普通钻孔机器人相比，具有自动化程度高、施工效率高、节省人力等优势。本发明采用双坐标系统，实现精确定位钻孔，优化了钻孔质量；本发明中的钻孔定位实现了实物与模型数据实时比对，提高了整体钻孔精确度，并对已完成钻孔反馈数据的差异化进行处理，进一步保证钻孔质量。

主权项：1.一种利用基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统进行钻孔施工的方法，其特征在于，基于隧道轨行式钻孔机器人的智能化钻孔管理系统包括轨行式隧道钻孔机器人、钻孔机器人控制台、钻孔机械臂、PC机、钻孔管理平台，钻孔机器人控制台搭载预移植程序和PLC自动控制系统，对轨行式隧道钻孔机器人的车身、钻孔机械臂、数字液压系统以及钻机进行控制和预警；PC机位于集控中心，PC机中装载了BIM模型库、隧道段孔洞数据库，车身后端安装有用于获取隧道内实物三维实时数据信息的三维激光扫描仪，三维激光扫描仪获得的实时数据信息通过5G通信方式传输至PC机，PC机基于接收到的数据对隧道BIM模型进行误差修正；钻孔管理平台装载于PC机上，钻孔管理平台通过PC机分别与钻孔机器人控制台、GPS激光定位仪、高清摄像头、倾角传感器、激光角度传感器、压力传感器信号连接；GPS激光定位仪安装于轨行式隧道钻孔机器人的车身正前端，用于车身坐标定位和钻孔靶点识别；高清摄像头安装于轨行式隧道钻孔机器人车身顶部平台，实时采集隧道内施工工况视频；倾角传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身两侧以及钻孔机械臂上，分别用于检测车身以及钻孔机械臂与水平方向的倾斜角度；激光角度传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人车身纵向后端的横向中间位置，用于检测车身纵向与轨道轴线之间的角度；激光测距仪安装于钻孔机械臂末端位置，用于对钻孔位置坐标进行定位；压力传感器安装于轨行式隧道钻孔机器人上的电钻及液压推杆上，检测和反馈钻孔作业压力信息；钻孔管理平台包括高清视频图像监测单元、基于BIM的钻孔施工可视化展示单元、施工工序模拟管理单元、隧道段信息单元、钻孔施工信息单元、进度管理单元及预警事件控制单元；钻孔施工的方法包括如下过程：步骤1：确定孔洞位置，优化施工方案；采用三维激光扫描仪扫描获取隧道点云数据，并传递至PC机，利用BIM软件，结合数字模型解析式，建立隧道实时虚拟三维模型，与既有隧道BIM模型比对修正，确定孔洞位置；基于修正后的隧道BIM模型，利用Navisworks软件进行钻孔孔位施工工序模拟、孔位与砼内钢筋碰撞检测模拟，根据模拟结果精细化隧道BIM模型，对孔洞分布进行预先规划，避开钢筋区域，优化钻孔施工方案；步骤2：在PC机中搭建隧道段孔洞数据库；建立隧道段孔位编码系统，对隧道段内所有孔洞信息进行系统编码，在此过程中，建立笛卡尔坐标系，以X、Y、Z三个方向的坐标值综合表示孔洞坐标信息；基于BIMAPI接口研发孔洞自动编码软件，基于编码系统搭建编码数据库，编制自动编码算法，并嵌入BIM软件中；步骤3：对隧道进行作业分段处理，建立隧道段定位识别基准点；步骤4：将精细化隧道BIM模型、钻孔施工顺序数据、隧道段孔洞数据库信息均传递至钻孔管理平台处理，形成控制信息流，然后由钻孔管理平台将控制信息流以及孔洞信息传递至钻孔机器人控制台，进行孔洞位置的确定，控制车身以及钻孔机械臂动作，进行自动钻孔作业；步骤4.1：钻孔机器人控制台调取待钻孔的孔洞信息，根据孔洞坐标信息初步确定车身在Z轴方向的移动距离，结合GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，对车身在Z轴方向的移动距离进行调整，使得钻孔机械臂的Z坐标与孔洞Z坐标一致，锁定Z轴方向上的行驶距离；通过激光测距仪定位孔洞坐标，钻孔机器人控制台据此控制钻孔机械臂进行初步位姿调整；步骤4.2：针对车身位置进行调整补偿：针对车身倾斜进行调整，采用倾角传感器检测车身姿态，指导钻孔机械臂动作，进行倾角补偿；针对车身不在隧道中心线位置进行调整，通过激光测距仪检测每个钻孔工具与隧道壁之间的间距，根据设定的钻孔深度信息，补偿钻孔工具的伸出距离；针对车身在隧道转弯处进行调整，采用激光角度传感器获取车身纵向与轨道轴线的夹角，指导钻孔机械臂在Z轴方向进行补偿调整；钻孔机器人控制台根据调取的钻孔深度信息以及GPS激光定位仪检测到的车身前后基准点数据，确定车身在X轴方向的前进距离；钻孔机器人控制台根据确定好的孔位数据以及倾角传感器实时反馈的钻孔机械臂倾角数据，结合倾角补偿，确定车身在Y轴方向的俯仰角度以及高度数据；钻孔机器人控制台根据激光角度传感器检测到的车身纵向与轨道轴线的夹角数据，结合Z轴方向的补偿，确定车身在Z轴方向上的钻孔方向微调数据和角度微调数据；钻孔机器人控制台通过控制数字液压系统来带动钻孔机械臂上的钻头运动，实现对三个方向同时进行补偿，令钻孔机械臂始终垂直于隧道壁作业；步骤4.3：钻孔机器人控制台在笛卡尔坐标系基础上引入圆柱坐标系，圆柱坐标系的原点O位于已建钻孔隧道的最佳拟合中心，通过双坐标体系对钻孔机械臂位置进行复核调整；步骤5：经过步骤4的位置调整后启动钻头进行钻孔作业，钻孔作业完成后，利用三维激光扫描仪自动扫描已完成的孔洞坐标信息、孔径信息、钻孔深度信息，并实时反馈至钻孔管理平台，由钻孔管理平台将接收到的实际孔洞数据与模型数据比对，进行偏差分析，通过双色块进行施工状态标识，并进行可视化展示；步骤6：重复上述步骤3至5，继续进行钻孔操作，直至隧道内所有孔洞施工完成。

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