[发明专利]基于全电脑凿岩台车工作空间的周边孔位姿参数确定方法

说明书

本发明涉及巷、隧道智能掘进机械自动设计爆破技术领域，提供了一种基于全电脑凿岩台车工作空间的周边孔位姿参数确定方法，基于D‑H法建立钻臂运动模型，通过蒙特卡洛法在各关节范围内随机取值，计算钻头可达位置；对钻头施加判别条件，计算以各种不同姿态钻孔时的最大可钻范围；建立周边孔外插角和该范围横向宽度的函数关系，在钻孔前选择最佳周边孔外插角；确定最佳孔口距及周边孔孔口坐标，结合周边孔轨迹切线确定各周边孔的外插角的水平和竖直分量，完成周边孔设计。该方法适用于电脑凿岩台车在矿山小断面岩巷进行掘进施工时，在自动钻孔定位之前，由车载计算机结合实时工况自动完成周边孔部分的爆破设计，避免偶然因素影响，提高工作效率。

技术领域

本发明涉及巷、隧道智能掘进机械自动设计爆破技术领域，特别涉及一种基于全电脑凿岩台车工作空间的周边孔位姿参数确定方法。

背景技术

全电脑凿岩台车受计算机程序控制，在国外隧道建设中大量使用，国内偶有应用。与大断面公路、铁路隧道不同的是，矿山小断面岩巷对防水、防爆安全性有严格要求，且复杂的井下作业环境限制了其在该领域的研发工作，相关试验产品在井下的应用并不理想。因此，开发适用于矿山小断面岩巷的智能掘进机械及相关技术对矿山自动化，智能化施工有重要意义。

轮廓成型质量是巷道爆破重要的控制指标之一。岩体的过度破坏会增加成本，延长循环时间。国外文献表明：钻孔操作和恰当的爆破设计对提升爆破效果以及评估轮廓剖面质量非常关键，且轮廓线上钻出的周边孔的作用对于减少过度破坏是最重要的，必须在设计和标记的位置钻孔，特别是在周边孔部分，否则将引起过度或欠破坏。虽然使用隧道凿岩台车实施自动钻孔定位能够以高精度成型周边孔，减少因钻孔偏差造成的过度开挖，但目前国外最先进的凿岩台车也仅仅能按照预先载入计算机控制程序的爆破设计方案进行施工，钻孔时受偶然因素影响会造成所有炮孔将无法一次性成型，施工停滞，单循环的工作时间将会延长。而且凿岩台车工作时，实际工况与理想工况往往差距较大，随着井下环境变化，周边孔定位精度往往达不到令人满意的程度。如由于断面轮廓较大而预先设计的周边孔外插角较小，且凿岩台车停车位置不理想时，其工作空间无法覆盖所有炮孔，尤其是周边孔受此影响极大。考虑到中国仍普遍采用人工操作，爆破设计的实施依赖于工人的技能，导致控制爆破能力不足，光面爆破效果差，在施工建设大量展开的前提下，开发出适应性强的国产电脑凿岩台车迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于全电脑凿岩台车工作空间的周边孔位姿参数确定方法，适用于电脑凿岩台车在矿山小断面岩巷进行掘进施工时，在自动钻孔定位之前，由车载计算机结合实时工况自动完成周边孔部分的爆破设计，避免偶然因素影响，提高工作效率。

为了了解机器在复杂环境下的工作能力，首先需要明确钻臂的工作空间：基于D-H法建立钻臂运动学模型，通过蒙特卡洛法在各关节范围内随机取值，以计算钻头能够到达的位置。对于钻爆法的爆破设计而言，为了达到所有目标任务点，还需要取靠近工作面的部分工作空间进行研究，即对于所有钻头可能到达的位置而言，需要剔除离工作面较远处的点位。得到剩余点位后，对钻臂末端坐标系施加判别条件，计算钻臂末端以各种不同姿态钻孔时的最大可钻范围。该范围受到关节限制和设计参数限制的约束。

其次建立周边孔外插角和对应工作空间(最大可钻范围)横向宽度的函数关系，输入运动控制程序，使凿岩台车在钻孔前能实时通过计算选择合适的周边孔外插角。进而确定最佳孔口距及周边孔孔口坐标，结合周边孔轨迹切线确定各个周边孔的外插角的水平、竖直分量，完成周边孔的自动设计，确保全断面钻孔任务一次性完成。

该技术作为钻爆法炮孔自动设计的一部分，结合电脑凿岩台车优越的机械性能，能够实现精准高效的爆破效果。

本发明采用如下技术方案：

一种基于全电脑凿岩台车工作空间的周边孔位姿参数确定方法，该方法包括如下步骤：

S1、基于D-H法建立钻臂运动学模型，通过蒙特卡洛法在钻臂各关节范围内随机取值，计算钻头能够到达的位置；