CN108145718B - 盾构机刀盘清洗机器人系统及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机刀盘清洗机器人系统及清洗方法，涉及清洗机器人技术领域，解决了人工清洗刀盘方法时间长、成本高、应用范围受限制的技术问题。该盾构机刀盘清洗机器人系统包括清洗机器人、安全密封舱、机器人控制系统、视觉系统和防撞传感系统，安全密封舱为水密舱，包括舱体和舱门，舱门活动设置在舱体的舱口上；清洗机器人活动设置在舱体内，清洗机器人相对于舱体能够缩回或伸出；安全密封舱固定设置在盾构机开挖舱内；视觉系统和防撞传感系统均设置在清洗机器人上；机器人控制系统与清洗机器人、舱门、视觉系统和防撞传感系统均电连接。本发明可以代替人员在开挖舱内进行操作，实现开挖舱内观察、清除泥饼等操作的无人化。

Description

盾构机刀盘清洗机器人系统及清洗方法

技术领域

本发明涉及清洗机器人技术领域，尤其是涉及一种盾构机刀盘清洗机器人系统及清洗方法。

背景技术

盾构机是地下工程施工的重要装备，能够实现全断面开挖隧道。在隧道施工过程中，盾构机开挖舱内通常下半部充满渣土，上半部为空气。由于位于地下的掌子面岩土自身承受一定的压强，为了保持开挖过程中掌子面的稳定，需要使开挖舱中的气体和液体保持与岩土自身相同的压强(几个到十几个大气压)，这需要开挖舱与盾构机后部装置间密封，同时需要带有反馈控制能力的液压和气压的保压系统。从以上特点可见，盾构机开挖舱与后部密封，其内部在施工过程中处于高压并存在大量渣土，人员进入开挖舱是非常困难和危险的。但在隧道施工中，开挖舱内的泥浆状渣土会沉积在刀具上和刀盘背面，并在高温高压的环境下逐渐压实成为坚硬的泥饼。这种泥饼的存在将显著改变刀盘等运动部件的性能，破环渣土输送，增大摩擦引起温度急剧升高，从而降低掘进性能甚至损坏部件。在实际施工中，会采取各种综合措施来减缓泥饼的生成，但无法彻底避免。泥饼生成后，只能派人员进入开挖舱，利用高压水枪、风镐等工具清除。在一些不利的工况下，每半个月到一个月就需要开舱清除泥饼。在施工过程中人员进入开挖舱需要采用潜水方法，利用多道闸门的人舱逐渐升压和降压，使人员适应开挖舱内部的高压。这种方法时间长、成本高、应用范围受限制。然而目前还没有针对盾构机刀盘进行清洗的自动化设备来替代人工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机刀盘清洗机器人系统及清洗方法，这种机器人系统主要由清洗机器人系统、机器人控制系统、视觉系统和防撞传感系统组成，该清洗机器人系统可以代替人员在开挖舱内进行操作，实现开挖舱内观察、清除泥饼等操作的无人化，以解决现有技术中存在的人工清洗刀盘方法时间长、成本高、应用范围受限制的技术问题述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的盾构机刀盘清洗机器人系统，包括清洗机器人、安全密封舱、机器人控制系统、视觉系统和防撞传感系统，其中：

所述安全密封舱为水密舱，包括舱体和舱门，所述舱门活动设置在所述舱体的舱口上；

所述清洗机器人活动设置在所述舱体内，所述清洗机器人相对于所述舱体能够缩回或伸出；

所述安全密封舱固定设置在盾构机开挖舱内；

所述视觉系统和所述防撞传感系统均设置在所述清洗机器人上；

所述机器人控制系统与所述清洗机器人、所述舱门、所述视觉系统和所述防撞传感系统均电连接。

清洗机器人可自动对盾构机刀盘进行清洗和泥饼清除；安全密封舱为清洗机器人水密舱，安全密封舱的作用一是可使清洗机器人在非工作时段，收缩于安全密封舱内，保证盾构机和清洗机器人的安全工作，作用二是当出现盾构机整体泡水情况，安全密封舱可保证清洗机器人处于干燥环境下，保护清洗机器人。

作为本发明的进一步改进，所述清洗机器人包括机身、摆臂和清洗装置，所述机身通过直线平移机构与所述安全密封舱活动连接，所述摆臂由多节组成，包括第一节臂、第二节臂和第三节臂，所述第一节臂与所述机身之间通过第一俯仰关节连接，所述第二节臂与所述第一节臂之间通过第二俯仰关节连接，所述第三节臂与所述第二节臂之间通过摆动关节连接，所述清洗装置设置在所述第三节臂末端。

由于作业空间的限制，盾构机刀盘清洗机器人的摆臂为多自由度摆臂，包括三个运动关节，两个俯仰关节一个摆动关节，其中第一俯仰关节能实现第一节臂相对于机身在竖直方向上抬起或放下，第二俯仰关节能实现第二节臂相对于第一节臂在竖直方向上抬起或放下，摆动关节能实现第三节臂相对于第二节臂左右摆动从而进行末端角度调节，三个运动关节完成清洗机器人的摆臂俯仰、摆动和腕部角度调节，可满足清洗机器人作业姿态和作业半径的工作需要；摆臂由多节组成，可在工作过程中自如伸缩，配合其他关节完成进出安全密封舱以及到达刀盘的不同位置，满足大作业面需求；第一节臂和第二节臂均为叉形回转臂，第二节臂与第三节臂之间通过转轴连接，电机与转轴连接从而实现第三节臂相对于第二节臂之间的左右摆动，第二节臂内部安装有驱动第二节臂相对于第一节臂俯仰的驱动装置和驱动第三节臂相对于第二节臂左右摆动的驱动装置，驱动装置可以为电机、液压缸或气动驱动装置；第一节臂相对于机身俯仰动作的驱动装置为液压缸、电机或气动驱动装置。第三节臂左右摇摆，以增大清洗面积和调整头部姿态。驱动装置为液压缸时，可以采用多级液压缸驱动摆臂或多级串联组成，多级液压缸和摆臂都承载扭矩。直线平移机构包括滑轨、滑块、驱动电机，平移齿条和齿轮，机身通过滑块滑动设置在滑轨上，驱动电机与齿轮连接，齿轮与平移齿条啮合连接，用于推动或拉回机身，机身移动过程中沿滑轨移动。直线平移机构可完成整个刀盘清洗机器人的进出舱动作。

本发明中为了满足作业空间和清洗面积要求，采用了多自由度机器人。为了降低现场工作人员的控制难度，机器人控制系统对清洗机器人运动动作进行了合理设计和运动合成，将多自由度机器人的动作化简为三组主要动作，分别为：机器人沿刀盘直径方向的上下运动、第三节臂的摆动以及清洗机器人头部第三节臂上工作舱的姿态调整。

作为本发明的进一步改进，所述视觉系统包括至少四套监控摄像头，包括后端摄像头、前端摄像头和头部摄像头，所述后端摄像头固定设置在所述安全密封舱内部后侧，所述前端摄像头通过伸缩装置设置在所述安全密封舱内部前侧或固定设置在所述安全密封舱外部所述头部摄像头的数量为两套，两套所述头部摄像头并排设置在所述第三节臂末端。

作为本发明的进一步改进，所述前端摄像头位于所述安全密封舱外部时在其外侧设置有防护装置。

作为本发明的进一步改进，所述头部摄像头外侧罩设有防水罩。

视觉统采用四组摄像头(自带照明系统)，分别安放于安全密封舱前端、后端以及清洗机器人头部，以实时监测盾构机刀盘和清洗机器人的状况。本项目总共四组摄像系统，分别安装在密封舱的前后以及机器人头部的工作舱内。

密封舱内前端摄像系统：用于安全密封舱打开后，观察舱门外的情况；并且该组摄像系统必要时可伸出舱外，并进行角度调节，用于舱外大范围视频监控，观察刀盘清洗情况，为局部清洗或气动铲除提供方位指导；此摄像系统根据实际情况也可考虑安装在密封舱门外，为防止泥沙溅射，可安装防护装置。

密封舱内后端摄像系统：用于监控清洗机器人的进出舱情况以及实时观察舱内情况。

清洗机器人头部摄像系统：两组监控摄像装置安装在工作舱上部，外部设置防水罩，确保摄像头的安全运行，可实时监控工作状态，实现人机互动。两组摄像装置可实现互补，一个出现故障时由另一个补充工作。可用于观察刀盘局部细节，以及清洗和气动铲除情况。机器人头部工作舱内的摄像系统因靠近清洗工作面，摄像头上会经常被溅射上泥沙，影响观测，因此，在密封舱内安装了摄像头喷淋反射板，机器人定时回到舱内，利用高压水枪向喷淋反射板喷水，溅射的水注对准头部摄像头进行清洗。安全密封舱内设有泄水槽，清洗的废水经泄水槽流出安全密封舱。

作为本发明的进一步改进，所述防撞传感系统设置在所述第二节臂上，且所述防撞传感系统包括第一传感系统和第二传感系统，所述第一传感系统设置在所述第二节臂顶部和下部，所述第二传感系统设置在所述第二节臂左右两侧部。

因刀盘背面有多根搅拌棒，对清洗过程中清洗机器人的安全性造成威胁，因此在清洗机器人头部的第三节臂上安装有防撞传感系统；上下侧的第一传感系统用来接触报警，如碰到障碍物，报警并使清洗机器人停止工作；左右侧的第二传感系统用来限制摆动行程，在清洗过程中如清洗机器人碰到盾构机搅拌杆，则清洗机器人将立即回摆，待越过搅拌杆后，摆动幅度恢复为原来幅度。

作为本发明的进一步改进，所述清洗装置包括高压水枪和气动工具铲，所述第三节臂内部设置有工作舱，所述高压水枪和所述气动工具铲均封装在所述工作舱内。

工作舱内设置高压水枪、气动工具铲，两套头部摄像头设置在工作舱外部，高压水枪和气动工具铲封装在工作舱内，工作舱通过安装在第二节臂内驱动马达，可以实现俯仰动作和摆动动作，以达到不同高度位置的对正调节和左右清洗范围的调整。

作为本发明的进一步改进，所述安全密封舱内倾斜设置有喷淋反射板，所述喷淋反射板的倾斜角度以满足所述高压水枪向所述喷淋反射板上喷射的水能反射到所述头部摄像头。

作为本发明的进一步改进，所述安全密封舱下部内壁上设置有泄水槽，所述泄水槽与所述安全密封舱外部连通。

本发明提供的一种盾构机刀盘清洗机器人的清洗方法，使用所述的盾构机刀盘清洗机器人系统对盾构机刀盘进行清洗的步骤如下：

A、清洗机器人准备：需要清洗时，通过机器人控制系统中的操控面板远程遥控打开安全密封舱的密封舱门从而打开安全密封舱，利用安全密封舱内前端的前端摄像头观察舱外情况，确保清洗机器人出舱无障碍物后，控制清洗机器人出舱，清洗机器人沿着直线平移机构的轨道移出安全密封舱，准备清洗；

B、清洗准备：清洗机器人的机身走到安全密封舱的舱门处，摆臂伸出舱门，通过第一俯仰关节、第二俯仰关节以及摆动关节调整摆臂的长度和摆臂末端的俯仰角，使摆臂末端以达到盾构机上端刀舱待清洗部位，将清洗装置中的高压水枪口调整到正对清洗部位；清洗时，利用密封舱内直线导轨和三节摆臂的协调工作，可从上到下进行盾构机刀盘的清洗；另配合第三节臂的摆动，使得有效增大单次清洗面积；

C、清洗：将高压水枪开启，沿着盾构机刀盘的泄土槽从上往下清洗，清洗过程中要左右往复摆动高压水枪，使水柱扫描过整个泄土槽宽度，把残留在槽中的泥沙、石块冲洗掉，第三节臂左右摆动以实现高压水枪的左右摆动；

D、清洗机器人边清洗边调整姿态，调整摆臂俯仰角度进行向下移动，并调整摆臂的左右摆动使高压水枪始终正对清洗部位；从上到下清洗过程中，第三节臂连续左右摆动；

E、铲除清洗不掉的泥沙：高压水清洗完毕后，有冲洗不掉的泥沙结块、石头等可进行启动铲除，具体铲除位置可通过头部摄像系统进行观察，然后遥控清洗机器人到达指定位置，利用工作舱内的气动工具铲进行铲除；遥控将清洗机器人的第三节臂头部调整到需要铲砂部位，利用清洗装置中的气动工具铲进行铲除；气动工具铲直接铲除残留泥沙，或用铲头敲击振动相关部件以到达去除残留泥沙目的；

F、视需要，铲除泥沙后再次进行高压水枪冲洗；

G、清洗机器人工作完毕，调整姿态，回舱，安全密封舱关闭。

机器人控制系统完成整个清洗机器人的控制工作，为了防潮、防水，机器人控制系统与清洗机器人分体安放，机器人控制系统放置于安全密封舱以外的防水区域，通过穿舱孔将控制电缆等引入安全密封舱内。盾构机刀盘清洗机器人系统采用远端操控控制模式，操作人员可在工作室或其他远离刀盘的位置通过四组视频监测画面，遥控操作清洗机器人，解决刀盘的清洗工作。

本发明中刀盘清洗机器人系统工作在比较恶劣的环境中，为了保障清洗机器人正常工作，除了机器人控制系统中控制柜放置于安全密封舱后的防水空间外，清洗机器人机身、摆臂、驱动电机、滑轨、传感器、摄像系统等都将按照耐压、防水、防潮、防泥沙设计，并做相应的防护处理。为了便于清洗机器人后期维护，将在安全密封舱侧壁留有人孔。

本发明的有益效果为：

1、本发明可替代人工，对盾构机刀盘泥饼进行清除和清洗。

2、本发明可提高施工效率节约成本，提高施工人员安全性。

3、本发明采用多级摆臂，节省空间、无机械死点、便于控制操作、承载能力大、工作稳定。

4、本发明第三节臂和第二节臂结合实现了万向调节功能，结构布局合理、紧凑。

5、本发明采用高压水枪和气动工具铲联合使用的方式，可提高清除泥饼的效率、提升清除效果。

6、本发明安装有安全密封舱内和安全密封舱外两组摄像头，可分别用于观察安全密封舱内情况和泥饼情况，提升了清洗机器人回舱安全性和工作安全性。

7、本发明采用防撞传感器提高了清洗机器人工作过程中的安全性，并对刀盘部件起到了一定的保护作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明盾构机刀盘清洗机器人的结构示意图；

图2是本发明盾构机刀盘清洗机器人中机器人的主视图；

图3是本发明盾构机刀盘清洗机器人中机器人的局部剖视图；

图4是本发明盾构机刀盘清洗机器人中机器人的左视图；

图5是本发明盾构机刀盘清洗机器人中摆臂的仰视图；

图6是本发明盾构机刀盘清洗机器人的剖视图；

图7是本发明盾构机刀盘清洗机器人中第三节臂的剖视图；

图8是本发明盾构机刀盘清洗机器人中第三节臂内部放置有清洗装置后的剖视图；

图9是本发明盾构机刀盘清洗机器人中第二节臂的结构示意图。

图中1、清洗机器人；11、机身；12、摆臂；121、第一节臂；122、第二节臂；123、第三节臂；1231、工作腔；13、清洗装置；131、高压水枪；132、气动工具铲；2、安全密封舱；21、舱口；22、喷淋反射板；23、泄水槽；3、视觉系统；31、后端摄像头；32、前端摄像头；33、头部摄像头；34、防水罩；4、防撞传感系统；41、第一传感系统；42、第二传感系统；5、直线平移机构；51、滑轨；52、滑块；53、平移齿条；54、齿轮；6、第一俯仰关节；61、液压缸；62、第一俯仰齿条；63、第一俯仰齿轮；7、摆动关节；8、第二俯仰关节；81、第二俯仰齿轮；82、第三俯仰齿轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1和图7所示，本发明提供了盾构机刀盘清洗机器人系统，包括清洗机器人1、安全密封舱2、机器人控制系统、视觉系统3和防撞传感系统4，安全密封舱2为水密舱，包括舱体和舱门，舱门活动设置在舱体的舱口21上，当盾构机工作时，清洗机器人1回缩进安全密封舱2内，舱门关闭，此时安全密封舱2内为水密封状态不会进水，当需要对盾构机刀盘进行清洗时，控制舱门打开，清洗机器人1从安全密封舱2内平移出来，然后进行清洗作业；安全密封舱2为中空圆筒形结构，也可以采用其他形状结构，清洗机器人1活动设置在舱体内，清洗机器人1相对于舱体能够缩回或伸出；安全密封舱2固定设置在盾构机开挖舱内；视觉系统3和防撞传感系统4均设置在清洗机器人1上；机器人控制系统与清洗机器人1、舱门、视觉系统3和防撞传感系统4均电连接。机器人控制系统包括控制柜、清洗机器人1可自动对盾构机刀盘进行清洗和泥饼清除；安全密封舱2为清洗机器人1水密舱，安全密封舱2的作用一是可使清洗机器人1在非工作时段，收缩于安全密封舱2内，保证盾构机和清洗机器人1的安全工作，作用二是当出现盾构机整体泡水情况，安全密封舱2可保证清洗机器人1处于干燥环境下，保护清洗机器人1。

如图2和图8所示，优选的，清洗机器人1包括机身11、摆臂12和清洗装置13，机身11通过直线平移机构5与安全密封舱2活动连接，摆臂12由多节组成，包括第一节臂121、第二节臂122和第三节臂123，第一节臂121与机身11之间通过第一俯仰关节6连接，第二节臂122与第一节臂121之间通过第二俯仰关节8连接，第三节臂123与第二节臂122之间通过摆动关节7连接，清洗装置13设置在第三节臂123末端。由于作业空间的限制，盾构机刀盘清洗机器人1的摆臂12为多自由度摆臂，包括三个运动关节，两个俯仰关节一个摆动关节，其中第一俯仰关节6能实现第一节臂121相对于机身11在竖直方向上抬起或放下，第二俯仰关节8能实现第二节臂122相对于第一节臂121在竖直方向上抬起或放下，摆动关节7能实现第三节臂123相对于第二节臂122左右摆动从而进行末端角度调节，三个运动关节完成清洗机器人1的摆臂12俯仰、摆动和腕部角度调节，可满足清洗机器人1作业姿态和作业半径的工作需要；摆臂12由多节组成，可在工作过程中自如伸缩，配合其他关节完成进出安全密封舱2以及到达刀盘的不同位置，满足大作业面需求；第一节臂121和第二节臂122均为叉形回转臂，第二节臂122与第三节臂123之间通过转轴连接，转轴与驱动电机连接可实现相互之间的左右摆动，第二节臂122内部安装有驱动第二节臂122相对于第一节臂121俯仰的驱动装置和驱动第三节臂123相对于第二节臂122左右摆动的驱动装置，驱动装置可以为电机、液压缸或气动驱动装置；第一节臂121相对于机身11俯仰动作的驱动装置为液压缸、电机或气动驱动装置。第三节臂123左右摇摆，以增大清洗面积和调整头部姿态。驱动装置为液压缸时，可以采用多级液压缸驱动摆臂或多级串联组成，多级液压缸和摆臂12都承载扭矩。直线平移机构5包括滑轨51、滑块52、平移齿条53和齿轮54，机身11通过滑块52滑动设置在滑轨51上，齿轮54设置在机身11底部，齿轮53与驱动电机连接，驱动电机旋转齿轮54旋转，平移齿条53与齿轮54啮合连接，从而齿轮54沿平移齿条53长度方向移动，用于推动或拉回机身11，机身11移动过程中沿滑轨51移动。直线平移机构5可完成整个刀盘清洗机器人1的进出舱动作。直线平移机构5中的驱动装置电机、平移齿条53和齿轮54也可以换成液压缸，液压缸与机身11连接，通过液压缸的伸缩移动，从而控制机身11沿滑轨51移动，平移齿条53和齿轮54可被替换。本发明中为了满足作业空间和清洗面积要求，采用了多自由度机器人。为了降低现场工作人员的控制难度，机器人控制系统对清洗机器人运动动作进行了合理设计和运动合成，将多自由度机器人的动作化简为三组主要动作，分别为：机器人沿刀盘直径方向的上下运动、第三节臂的摆动以及清洗机器人头部第三节臂上工作舱的姿态调整。

如图3所示，本申请中第一俯仰关节6包括液压缸61、第一俯仰齿条62和第一俯仰齿轮63，第一俯仰齿轮63固定设置在第一节臂121一侧，第一俯仰齿条62水平设置在机身11上，且第一俯仰齿条62与第一俯仰齿轮63啮合连接，液压缸61的输出轴与第一俯仰齿条62连接，液压缸61伸缩过程中第一俯仰齿条62前进或后退，带动第一俯仰齿轮63顺时针或逆时针旋转从而带动第一节臂121抬起或降下。

如图4所示，本申请中第二俯仰关节8包括第二俯仰齿轮81和第三俯仰齿轮82，第二俯仰齿轮81固定设置在第二节臂122一侧，第三俯仰齿轮82固定设置在第一节臂121末端一侧，且第二俯仰齿轮81和第三俯仰齿轮82啮合连接，还包括驱动电机，电机与第三俯仰齿轮82连接。

如图5和图9所示，本申请中摆动关节7包括摆动电机和摆动轴，摆动轴依次穿设在第二节臂122和第三节臂123上，摆动电机与摆动轴连接。

如图6所示，视觉系统3包括至少四套监控摄像头，包括后端摄像头31、前端摄像头32和头部摄像头33，后端摄像头31固定设置在安全密封舱2内部后侧，前端摄像头32通过伸缩装置设置在安全密封舱2内部前侧或固定设置在安全密封舱2外部，头部摄像头33的数量为两套，两套头部摄像头33并排设置在第三节臂123末端。伸缩装置可采用现有技术中的产品，只要能带动前端摄像头32相对于安全密封舱2伸出或缩进就可以。前端摄像头32位于安全密封舱2外部时在其外侧设置有防护装置。头部摄像头33外侧罩设有防水罩34。视觉系统采用四组摄像头(自带照明系统)，分别安放于安全密封舱2前端、后端以及清洗机器人1头部，以实时监测盾构机刀盘和清洗机器人1的状况。本项目总共四组摄像系统，分别安装在密封舱的前后以及机器人头部的工作舱1231内。

密封舱内前端摄像系统：用于安全密封舱2打开后，观察舱门外的情况；并且该组摄像系统必要时可伸出舱外，并进行角度调节，用于舱外大范围视频监控，观察刀盘清洗情况，为局部清洗或气动铲除提供方位指导；此摄像系统根据实际情况也可考虑安装在密封舱门外，为防止泥沙溅射，可安装防护装置。

密封舱内后端摄像系统：用于监控清洗机器人1的进出舱情况以及实时观察舱内情况。

清洗机器人头部摄像系统：两组监控摄像装置安装在工作舱1231上部，外部设置防水罩34，确保摄像头的安全运行，可实时监控工作状态，实现人机互动。两组摄像装置可实现互补，一个出现故障时由另一个补充工作。可用于观察刀盘局部细节，以及清洗和气动铲除情况。机器人头部工作舱1231外的摄像系统因靠近清洗工作面，摄像头上会经常被溅射上泥沙，影响观测，因此，在密封舱内安装了摄像头喷淋反射板22，机器人定时回到舱内，利用高压水枪131向喷淋反射板22喷水，溅射的水注对准头部摄像头33进行清洗。安全密封舱2内设有泄水槽23，清洗的废水经泄水槽23流出安全密封舱2。

如图5所示，防撞传感系统4设置在第二节臂122上，且防撞传感系统4包括第一传感系统41和第二传感系统42，第一传感系统41设置在第二节臂122顶部和下部，第二传感系统42设置在第二节臂122左右两侧部。因刀盘背面有多根搅拌棒，对清洗过程中清洗机器人1的安全性造成威胁，因此在清洗机器人1头部的第三节臂123上安装有防撞传感系统4；上下侧的第一传感系统41用来接触报警，如碰到障碍物，报警并使清洗机器人1停止工作；左右侧的第二传感系统42用来限制摆动行程，在清洗过程中如清洗机器人1碰到盾构机搅拌杆，则清洗机器人1将立即回摆，待越过搅拌杆后，摆动幅度恢复为原来幅度。

如图8所示，清洗装置13包括高压水枪131和气动工具铲132，第三节臂123内部设置有工作舱1231，高压水枪131和气动工具铲132均封装在工作舱1231内。工作舱1231内设置高压水枪131、气动工具铲132，两套头部摄像头33设置在工作舱1231外部，高压水枪131和气动工具铲132封装在工作舱1231内，工作舱1231通过安装在第二节臂122内驱动马达，可以实现俯仰动作和摆动动作，以达到不同高度位置的对正调节和左右清洗范围的调整。

安全密封舱2内倾斜设置有喷淋反射板22，喷淋反射板22的倾斜角度以满足高压水枪131向喷淋反射板22上喷射的水能反射到头部摄像头33。安全密封舱2下部内壁上设置有泄水槽23，泄水槽23与安全密封舱2外部连通。

本发明提供的一种盾构机刀盘清洗机器人的清洗方法，使用的盾构机刀盘清洗机器人系统对盾构机刀盘进行清洗的步骤如下：

A、清洗机器人准备：需要清洗时，通过机器人控制系统中的操控面板远程遥控打开安全密封舱2的密封舱门从而打开安全密封舱2，利用安全密封舱内2前端的前端摄像头32观察舱外情况，确保清洗机器人1出舱无障碍物后，控制清洗机器人1出舱，清洗机器人1沿着直线平移机构5的轨道移出安全密封舱2，准备清洗；

B、清洗准备：清洗机器人1的机身11走到安全密封舱2的舱门处，摆臂12伸出舱门，通过第一俯仰关节6、第二俯仰关节8以及摆动关节7调整摆臂12的长度和摆臂12末端的俯仰角，使摆臂12末端以达到盾构机上端刀舱待清洗部位，将清洗装置13中的高压水枪131口调整到正对清洗部位；清洗时，利用密封舱内直线导轨和三节摆臂的协调工作，可从上到下进行盾构机刀盘的清洗；另配合第三节臂123的摆动，使得有效增大单次清洗面积；

C、清洗：将高压水枪131开启，沿着盾构机刀盘的泄土槽从上往下清洗，清洗过程中要左右往复摆动高压水枪131，使水柱扫描过整个泄土槽宽度，把残留在槽中的泥沙、石块冲洗掉，第三节臂123左右摆动以实现高压水枪131的左右摆动；

D、清洗机器人1边清洗边调整姿态，调整摆臂12俯仰角度进行向下移动，并调整摆臂12的左右摆动使高压水枪131始终正对清洗部位；从上到下清洗过程中，第三节臂123连续左右摆动；

E、铲除清洗不掉的泥沙：高压水清洗完毕后，如有冲洗不掉的泥沙结块、石头等可进行启动铲除，具体铲除位置可通过头部摄像系统进行观察，然后遥控清洗机器人1到达指定位置，利用工作舱1231内的气动工具铲132进行铲除；可遥控将清洗机器人1的第三节臂123头部调整到需要铲砂部位，利用清洗装置13中的气动工具铲132进行铲除；气动工具铲132可以直接铲除残留泥沙，也可以用铲头敲击振动相关部件以到达去除残留泥沙目的；

F、视需要，铲除泥沙后再次进行高压水枪131冲洗；

G、清洗机器人工作完毕，调整姿态，回舱，安全密封舱2关闭。

机器人控制系统完成整个清洗机器人1的控制工作，为了防潮、防水，机器人控制系统与清洗机器人1分体安放，机器人控制系统放置于安全密封舱2以外的防水区域，通过穿舱孔将控制电缆等引入安全密封舱2内。盾构机刀盘清洗机器人系统采用远端操控控制模式，操作人员可在工作室或其他远离刀盘的位置通过四组视频监测画面，遥控操作清洗机器人1，解决刀盘的清洗工作。

本发明中刀盘清洗机器人系统工作在比较恶劣的环境中，为了保障清洗机器人正常工作，除了机器人控制系统中控制柜放置于安全密封舱2后的防水空间外，清洗机器人1机身11、摆臂12、驱动电机、滑轨51、传感器、摄像系统等都将按照耐压、防水、防潮、防泥沙设计，并做相应的防护处理。为了便于清洗机器人1后期维护，将在安全密封舱2侧壁留有人孔。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种盾构机刀盘清洗机器人系统，其特征在于：包括清洗机器人(1)、安全密封舱(2)、机器人控制系统、视觉系统(3)和防撞传感系统(4)，其中：

所述安全密封舱(2)为水密舱，包括舱体和舱门，所述舱门活动设置在所述舱体的舱口(21)上；

所述清洗机器人(1)活动设置在所述舱体内，所述清洗机器人(1)相对于所述舱体能够缩回或伸出；

所述安全密封舱(2)固定设置在盾构机开挖舱内；

所述视觉系统(3)和所述防撞传感系统(4)均设置在所述清洗机器人(1)上；

所述机器人控制系统与所述清洗机器人(1)、所述舱门、所述视觉系统(3)和所述防撞传感系统(4)均电连接；

所述清洗机器人(1)包括机身(11)、摆臂(12)和清洗装置(13)，所述机身(11)通过直线平移机构(5)与所述安全密封舱(2)活动连接，所述摆臂(12)由多节组成，包括第一节臂(121)、第二节臂(122)和第三节臂(123)，所述第一节臂(121)与所述机身(11)之间通过第一俯仰关节(6)连接；所述第二节臂(122)与所述第一节臂(121)之间通过第二俯仰关节(8)连接，所述第三节臂(123)与所述第二节臂(122)之间通过摆动关节(7)连接，所述清洗装置(13)设置在所述第三节臂(123)末端；

其中，

所述第一俯仰关节(6)包括液压缸(61)、第一俯仰齿条(62)和第一俯仰齿轮(63)，所述第一俯仰齿轮(63)固定设置在第一节臂(121)一侧，所述第一俯仰齿条(62)水平设置在所述机身(11)上，且所述第一俯仰齿条(62)与所述第一俯仰齿轮(63)啮合连接，所述液压缸(61)的输出轴与所述第一俯仰齿条(62)连接，所述液压缸(61)伸缩过程中所述第一俯仰齿条(62)前进或后退，带动所述第一俯仰齿轮(63)顺时针或逆时针旋转从而带动所述第一节臂(121)抬起或降下；

所述第二俯仰关节(8)包括第二俯仰齿轮(81)和第三俯仰齿轮(82)，所述第二俯仰齿轮(81)固定设置在所述第二节臂(122)一侧，所述第三俯仰齿轮(82)固定设置在所述第一节臂(121)末端一侧，且所述第二俯仰齿轮(81)和所述第三俯仰齿轮(82)啮合连接，还包括驱动电机，所述驱动电机与所述第三俯仰齿轮(82)连接；

所述视觉系统(3)包括至少四套监控摄像头，包括后端摄像头(31)、前端摄像头(32)和头部摄像头(33)，所述后端摄像头(31)固定设置在所述安全密封舱(2)内部后侧，所述前端摄像头(32)通过伸缩装置设置在所述安全密封舱(2)内部前侧或固定设置在所述安全密封舱(2)外部，所述头部摄像头(33)的数量为两套，两套所述头部摄像头(33)并排设置在所述第三节臂(123)末端；

所述清洗装置(13)包括高压水枪(131)和气动工具铲(132)，所述第三节臂(123)内部设置有工作舱(1231)，所述高压水枪(131)和所述气动工具铲(132)均封装在所述工作舱(1231)内；

所述安全密封舱(2)内倾斜设置有喷淋反射板(22)，所述喷淋反射板(22)的倾斜角度以满足所述高压水枪(131)向所述喷淋反射板(22)上喷射的水能反射到所述头部摄像头(33)。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘清洗机器人系统，其特征在于：所述前端摄像头(32)位于所述安全密封舱(2)外部时在其外侧设置有防护装置。

3.根据权利要求1所述的盾构机刀盘清洗机器人系统，其特征在于：所述头部摄像头(33)外侧罩设有防水罩(34)。

4.根据权利要求1所述的盾构机刀盘清洗机器人系统，其特征在于：所述防撞传感系统(4)设置在所述第二节臂(122)上，且所述防撞传感系统(4)包括第一传感系统(41)和第二传感系统(42)，所述第一传感系统(41)设置在所述第二节臂(122)顶部和下部，所述第二传感系统(42)设置在所述第二节臂(122)左右两侧部。

5.根据权利要求1所述的盾构机刀盘清洗机器人系统，其特征在于：所述安全密封舱(2)下部内壁上设置有泄水槽(23)，所述泄水槽(23)与所述安全密封舱(2)外部连通。

6.一种盾构机刀盘清洗机器人的清洗方法，其特征在于：使用权利要求1-5中任一项所述的盾构机刀盘清洗机器人系统对盾构机刀盘进行清洗的步骤如下：

A、清洗机器人准备：需要清洗时，通过机器人控制系统中的操控面板远程遥控打开安全密封舱(2)的密封舱门从而打开安全密封舱(2)，利用安全密封舱(2)内前端的前端摄像头(32)观察舱外情况，确保清洗机器人(1)出舱无障碍物后，控制清洗机器人(1)出舱，清洗机器人(1)沿着直线平移机构(5)的轨道移出安全密封舱(2)，准备清洗；

B、清洗准备：清洗机器人(1)的机身(11)走到安全密封舱(2)的舱门处，摆臂(12)伸出舱门，通过第一俯仰关节(6)、第二俯仰关节(8)以及摆动关节(7)调整摆臂(12)的长度和摆臂(12)末端的俯仰角，使摆臂(12)末端以达到盾构机上端刀舱待清洗部位，将清洗装置(13)中的高压水枪(131)口调整到正对清洗部位；清洗时，利用密封舱内直线导轨和三节摆臂的协调工作，从上到下进行盾构机刀盘的清洗；另配合第三节臂(123)的摆动，使得有效增大单次清洗面积；

C、清洗：将高压水枪开启，沿着盾构机刀盘的泄土槽从上往下清洗，清洗过程中要左右往复摆动高压水枪(131)，使水柱扫描过整个泄土槽宽度，把残留在槽中的泥沙、石块冲洗掉，第三节臂(123)左右摆动以实现高压水枪(131)的左右摆动；

D、清洗机器人边清洗边调整姿态，调整摆臂(12)俯仰角度进行向下移动，并调整摆臂(12)的左右摆动使高压水枪(131)始终正对清洗部位；从上到下清洗过程中，第三节臂(123)连续左右摆动；

E、铲除清洗不掉的泥沙：高压水清洗完毕后，对冲洗不掉的泥沙结块、石头进行启动铲除，具体铲除位置通过头部摄像系统进行观察，然后遥控清洗机器人(1)到达指定位置，利用工作舱内的气动工具铲(132)进行铲除；遥控将清洗机器人(1)的第三节臂(123)头部调整到需要铲砂部位，利用清洗装置(13)中的气动工具铲(132)进行铲除；气动工具铲(132)直接铲除残留泥沙，或用铲头敲击振动相关部件以到达去除残留泥沙目的；

F、视需要，铲除泥沙后再次进行高压水枪(131)冲洗；

G、清洗机器人工作完毕，调整姿态，回舱，安全密封舱(2)关闭。

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