[发明专利]一种地下空间构建方法

摘要

本发明公开了一种地下空间构建方法，包括地下空间构建准备、地下空洞内腔扫描、地下空间三维建模、去除多余的地下空洞原始内表面、3D打印地下空间三维实体等步骤。在地形探测及处理机器人单元完成对地下空洞的扫描后构建地下空洞三维空间模型，中央控制计算机根据应力计算分析结果和输入的安全系数依次拟合构建表面支护层模型、柱形支护模型、墙板模型和楼板模型并生成打印路径和打印基准坐标，地形探测及处理机器人单元去除部分采空区的内表面后，3D打印机器人单元依照打印路径在地下空洞内部直接3D打印地下空间三维模型的实体，特别适用于基于地下空洞的深层地下空间构建作业。

主权项

1.一种地下空间构建方法，所使用的地下空间构建系统包括地形探测及处理机器人单元(1)、3D打印机器人单元(2)和集中电控单元(3)；所述的地形探测及处理机器人单元(1)包括全地形行走底盘、探测机械臂(11)、旋挖机械臂和车载电控装置(12)；全地形行走底盘设置在地形探测及处理机器人单元(1)的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂(11)的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂(11)的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头(13)，探测头(13)包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构；旋挖机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，旋挖机械臂包括旋挖机械臂驱动，旋挖机械臂驱动至少包括控制旋挖机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制旋挖机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制旋挖机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，旋挖机械臂的末节上设有具有旋挖驱动的旋挖截割头；车载电控装置(12)固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置(12)包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路、旋挖控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头(13)的探测头角度定位控制驱动电连接，工业控制计算机分别与旋挖机械臂驱动、旋挖截割头的旋挖驱动电连接；所述的3D打印机器人单元(2)包括全地形行走底盘、打印机械臂(21)、打印材料输入装置(22)和打印电控装置(23)；全地形行走底盘设置在3D打印机器人单元(2)的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂(21)安装在全地形行走底盘上，打印机械臂(21)包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构，打印机械臂(21)的末节上设有3D打印装置，3D打印装置包括3D打印喷头(24)；打印材料输入装置(22)包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3D打印喷头(24)通过打印材料输出管路连接；打印电控装置(23)固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置(23)包括工业控制计算机、3D打印机器人行走控制回路、3D打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接；所述的集中电控单元(3)包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、地形处理回路、3D打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头(13)的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机和打印电控装置(23)的工业控制计算机电连接；其特征在于，地下空间构建方法具体包括以下步骤：a.地下空间构建准备：通过地质雷达探测地下空洞的大概位置后，在保证掘进贯通点附近的原始岩层的支护强度较大的前提下选择合适的掘进贯通点，通过掘进机经掘进贯通点掘进出与地下空洞贯通的巷道并对该巷道进行有效支护，然后将地形探测及处理机器人单元(1)和3D打印机器人单元(2)置于与地下空洞连通的巷道内；b.地下空洞内腔扫描：集中电控单元(3)控制探测控制回路、探测机器人位置反馈修正回路、数据建模回路开始工作，中央控制计算机发出指令使车载电控装置(12)的工业控制计算机控制地形探测及处理机器人单元(1)向地下空洞内部步进并对地下空洞的内腔进行扫描后坐标回退至初始位置，中央控制计算机将平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后生成地下空洞三维空间模型，然后进行存储；c.地下空间三维建模：中央控制计算机根据输入的地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力场计算分析，并对地下空洞三维空间模型的稳定性、应力、位移、裂隙、渗透性、声特性、光特性、电特性、磁特性和结构特性等参数的演化过程进行计算分析，然后中央控制计算机以地下空洞三维空间模型为基础、以不暴露地下空洞原始内表面为原则在地下空洞三维空间模型的内部表面拟合构建初始表面支护层模型，然后中央控制计算机根据地下空洞空间利用最大化的原则在初始表面支护层模型的基础上向外部扩展拟合生成第二表面支护层模型，然后中央控制计算机以第二表面支护层模型为基础将在第二表面支护层模型上已暴露的部分地下空洞原始内表面进行模拟去除，然后中央控制计算机根据输入的地下空洞外围环境地质数据对已去除部分地下空洞原始内表面的地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力场重新计算分析，以此类推，直至拟合生成设定的安全系数范围内的最终表面支护层模型并存储，然后中央控制计算机以最终表面支护层模型为基础拟合生成需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型并存储；然后中央控制计算机在最终表面支护层模型基础上再根据应力计算分析结果和输入的安全系数依次在对应地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置和稳定性不高的位置拟合构建柱形支护模型，然后在柱形支护模型基础上根据地下空洞的空间布局拟合构建连接在柱形支护模型之间的墙板模型和楼板模型，最终拟合生成层状隔段结构的地下空间三维模型并存储地下空间三维模型坐标位置信息；然后中央控制计算机先以参照坐标原点规划并存储需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径和去除基准坐标，再以参照坐标原点规划并存储最终表面支护层模型的打印路径和打印基准坐标，再以参照坐标原点规划并存储柱形支护模型的打印路径和打印基准坐标，最后以参照坐标原点规划并存储墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标；d.去除多余的地下空洞原始内表面：地形处理回路开始工作，中央控制计算机发出指令使车载电控装置(12)的工业控制计算机控制地形探测及处理机器人单元(1)按照需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径坐标移动至去除基准坐标位置，然后车载电控装置(12)的工业控制计算机控制旋挖机械臂驱动和旋挖驱动动作使旋挖截割头根据需去除的已暴露地下空洞原始内表面模型的去除路径坐标移动依次对地下空洞的内表面进行旋挖去除部分地下空洞的内表面，至去除路径终点时完成地下空洞内表面的旋挖处理，地形探测及处理机器人单元(1)回退至初始位置；e.3D打印地下空间三维实体：3D打印控制回路开始工作，中央控制计算机发出指令使打印电控装置(23)的3D打印机器人行走控制回路开始工作，打印电控装置(23)的工业控制计算机依次根据表面支护层模型的打印路径和打印基准坐标、柱形支护模型的打印路径和打印基准坐标、墙板模型和楼板模型的打印路径和打印基准坐标控制3D打印机器人单元(2)的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使3D打印机器人单元(2)坐标移动至地下空洞内部对应地下空间三维模型坐标位置的设定位置，然后3D打印喷头位置控制回路开始工作，打印电控装置(23)的工业控制计算机根据打印路径控制打印机械臂(21)的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头(24)坐标移动至打印基准坐标位置，打印材料泵入机构控制回路开始工作，打印电控装置(23)的工业控制计算机控制打印材料输入装置(22)的打印材料泵入机构动作使泵出的打印材料经3D打印喷头(24)输出，然后打印电控装置(23)的工业控制计算机控制打印机械臂(21)的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头(24)根据打印路径坐标移动依次进行表面支护层模型、柱形支护模型、墙板模型和楼板模型的3D打印，至打印路径终点时完成地下空间三维模型的实体打印，3D打印机器人单元(2)回退至初始位置。