CN108393881B - 一种外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构,属于机器人机身结构设计技术领域。该机身结构由三个移动副与一个转动副组成,通过液压进行驱动。机身结构大体上分为四个姿态,以适应TBM内部狭小的空间结构,其基座位于TBM外部,腰部、大臂、肘部以及小臂等通过TBM主梁下方的运刀孔进入TBM刀盘内部,完成滚刀的安装。机器人腰部的控制采用活塞缸控制,大臂与小臂的伸缩通过对相应油孔的抽油与吸油实现,肘部的转动通过液压马达实现。本发明的机器人机身结构替代工人进行换刀作业,能极大提高工人工作安全程度,提升滚刀更换效率。

Description

一种外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构
技术领域
本发明属于机器人机身结构设计技术领域,根据已有的全断面硬岩掘进机内部结构,设计了一种替代人工更换滚刀的换刀机器人机身结构。
背景技术
全断面岩石掘进机(简称TBM)是一种集破岩掘进、洞壁支护、排碴、导向定位等功能于一体的现代化隧道施工综合掘进装备。近年来,TBM广泛用于我国的水利工程,铁路交通,地铁工程,油气管道及国防等隧道建设中。TBM长期处于长距离,大埋深的工作环境,其工作载荷具有强冲击,高不确定性的特点,盘形滚刀作为TBM的主要破岩工具,其在工作过程中磨损极其严重,因此滚刀的更换是TBM掘进过程中必不可少的工序。现有的滚刀更换方式为人工换刀,这一换刀方式存在换刀时间长,工作环境危险,工作强度大等问题,而换刀时间长短与换刀安全与否将直接影响TBM掘进工期的长短与工人人身安全。由此看出,传统的换刀方式已与日益加快的掘进速度产生矛盾,其危险的工作环境将严重威胁工人的人身安全,因此,研制更安全更高效的换刀方式势在必行。
传统的六关节机器人技术已经十分成熟,但由于我国对于机器人的研究起步晚,因此在很多危险工作环境还是采用人工作业,利用机器人代替工人对TBM进行换刀作业能极大减少工人工作强度,提高换刀效率,但由于TBM内部空间狭小,且盘形滚刀重量一般为200Kg左右,传统的6R(六转动关节)工业机器人的机身结构不适用于TBM的内部空间,且其驱动方式主要为电机驱动,对于200Kg的载荷来说,电机驱动不太适用,因此需要针对TBM的内部结构特点设计特殊的机器人机身结构及其驱动方式,而适用于TBM内部空间的换刀机器人机身结构在国内外专利几乎没有。
发明内容
本发明是针对传统滚刀更换方式中工人工作强度大,工作环境危险,换刀效率低的问题,发明了一种适用于TBM狭小结构空间的换刀机器人机身结构。该机器人安装于TBM外部,TBM工作时,机器人处于TBM主梁后方振动小的地方,当TBM停机维护时,再通过电机与绳索将机器人运送至刀盘处,通过主梁下的通道孔进入刀盘内部,对磨损严重的滚刀进行更换。
本发明的技术方案:
一种外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构,包括机器人基座1、机器人腰部2、机器人大臂6和机器人小臂9四部分;机器人机身均采用液压控制,用于调整机器人机身的伸缩;其中,机器人大臂6由大臂一级缸6-0、大臂二级缸6-1、大臂三级缸6-2和大臂四级缸6-3依次嵌套组成;机器人小臂9由小臂一级缸9-0、小臂二级缸9-1、小臂三级缸9-2和小臂四级缸9-3依次嵌套组成;机器人基座1与机器人腰部2构成机器人机身结构的第一个移动关节,机器人基座1上开有基座上油孔1-1和基座下油孔1-2,两个油孔用于调节机器人腰部2的高度,当基座上油孔1-1进油,基座下油孔1-2出油时,机器人腰部2将下降,当基座上油孔1-1出油而基座下油孔1-2进油时,机器人腰部2将上升;机器人基座1周边布置有筋板,以保持机器人基座1的稳定。
机器人腰部2通过螺栓4、螺母3与大臂基座5固定连接,机器人大臂基座5用于固定大臂一级缸6-0。
大臂一级缸6-0的固定端设有大臂油孔6-0-1,通过输油与抽油来控制机器人大臂6的伸缩;当往大臂油孔6-0-1内输油时,油压将推动大臂二级缸6-1、大臂三级缸6-2和大臂四级缸6-3向外运动,实现机器人大臂6的伸展;当大臂油孔抽油时,大臂内部油减少,大气压力将推动大臂二级缸6-1、大臂三级缸6-2和大臂四级缸6-3向内收缩,实现机器人大臂6的收缩;在机器人大臂6的各级油缸两端均设有凸台,用于限制各级油缸的行程,机器人大臂6的剖视图如图7所示。
大臂四级缸6-3的端部与机器人肘部7的一端连接,机器人肘部7的另一端通过转动副与小臂基座8连接,转动副驱动源为电机或液压马达,以实现机器人小臂9绕机器人大臂6的旋转,其转动示意图如图3所示。
小臂一级缸9-0与小臂基座8焊接,在小臂一级缸9-0背部设有小臂油孔9-0-1,机器人小臂9的结构形式与伸缩原理与机器人大臂6相同。小臂四级缸9-3的末端根据末端执行器设置相应的末端结构。
工作原理:机器人机身均采用液压控制,多级油缸的伸缩性使机器人的大臂与小臂能以一个小的机身体积进入TBM内部,在进入TBM内部后,通过对机器人大臂与机器人小臂的控制将换刀机器人机身末端送至目标滚刀位置处,在取下滚刀后,沿进入的路径返回机器人初始位置,之后再将新滚刀按进入路径运送至目标滚刀位置,进而进行安装,新滚刀安装完成后调整机器人机身末端路径,以相同的方法对下一把滚刀进行安装。
本发明的有益效果:本发明的机器人机身结构不同于传统的六自由度关节型工业机器人机械结构,该机器人由三个移动关节与一个转动关节构成,共四个自由度,且驱动源采用液压驱动,机身结构主要由液压油缸构成。其工作空间仅限TBM刀盘平面,是一种针对TBM刀盘与其主梁结构特点而设计的专用换刀机器人。
附图说明
图1是TBM换刀机器人机身结构伸展状态左视图。
图2是TBM换刀机器人机身结构伸展状态后视图。
图3是TBM换刀机器人机身结构伸展状态机器人小臂的旋转示意图。
图4是TBM换刀机器人机身结构伸展状态示意图。
图5是TBM换刀机器人机身结构收缩状态左视图。
图6是TBM换刀机器人机身结构收缩状态示意图。
图7是机器人大臂在伸展状态的剖视图。
图8(a)是换刀机器人随TBM的掘进一同前进时的姿态示意图。
图8(b)是换刀机器人进入TBM主梁内部后的姿态示意图。
图8(c)是换刀机器人的机器人大臂的伸展姿态示意图。
图8(d)是换刀机器人的机器人小臂的伸展姿态示意图。
图中:1机器人基座;2机器人腰部;3螺母;4螺栓;5大臂基座;
6机器人大臂;7机器人肘部;8小臂基座;9机器人小臂;1-1基座上油孔;
1-2基座下油孔;6-0大臂一级缸;6-0-1大臂油孔;6-1大臂二级缸;
6-2大臂三级缸;6-3大臂四级缸;9-0小臂一级缸;9-0-1小臂油孔;
9-1小臂二级缸;9-2小臂三级缸;9-3小臂四级缸。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
在TBM挖掘过程中,TBM换刀机器人放置于TBM主梁后方振动较小的地方,其保持着图8(a)中的姿态随着TBM的掘进一同前进,当TBM停下进行维护时,通过电葫芦将TBM换刀机器人与新滚刀一同运送至主梁下方的运刀孔。其滚刀更换过程可分以下几个步骤:
(1)在到达运刀孔下方后,先固定住机器人基座1,随后往基座下油孔1-2中输油,而基座上油孔1-1卸油,实现机器人腰部的上升,从而使大臂基座5,机器人大臂6,机器人肘部7,小臂基座8,机器人小臂9通过送刀孔进入TBM主梁内部,其完成后的姿态如图8(b)所示。
(2)将大臂基座5,机器人大臂6,机器人肘部7,小臂基座8,机器人小臂9送入主梁后,通过大臂油孔6-0-1往机器人大臂6输入液压油,推动机器人大臂6的伸展运动,从而将机器人肘部7,小臂基座8,机器人小臂9送至TBM刀盘背面中心处。其完成后的姿态如图8(c)所示。
(3)在机器人肘部7,小臂基座8,机器人小臂9到达TBM刀盘背面中心处后,通过小臂油孔9-0-1往机器人小臂9输入液压油,实现机器人小臂9的伸展,伸展的长度由需要跟换的目标滚刀所在位置决定,通过机器人肘部7的旋转可实现在不同角度半径上的滚刀更换。其完成后的姿态如图8(d)所示,机器人肘部7的旋转示意图如图3所示。
(4)在完成目标滚刀的拆卸后,由机器人的末端执行器夹持着目标滚刀,通过小臂油孔9-0-1抽取机器人小臂9中的液压油,由于大气压的作用,机器人小臂9的小臂四级缸9-3将收缩,当收缩到一定行程后,小臂四级缸9-3末端的凸台将推动小臂三级缸9-2继续收缩,收缩一段距离后,小臂三级缸9-2的末端凸台又将推动小臂二级缸9-1收缩,从而实现整条机器人小臂9的收缩,完成后机器人姿态回到图8(c)。
(5)完成机器人小臂9的收缩后,通过大臂油孔6-0-1抽取机器人大臂6中的液压油,同理大臂也会实现收缩,从而使机器人姿态变为图8(b)的状态。最后,往基座上油孔1-1中输油,而基座下油孔1-2卸油,实现机器人腰部的下降,从而使大臂基座5,机器人大臂6,机器人肘部7,小臂基座8,机器人小臂9以及已损坏的盘形滚刀通过送刀孔离开TBM主梁内部,其完成后的姿态如图8(a)所示。
(6)将损坏滚刀从TBM换刀机器人的末端执行器上卸下,将需要安装的新滚刀装入机器人末端执行器中,通过步骤(1)、(2)、(3)中控制油缸的方式,使TBM换刀机器人实现图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)的姿态变化,从而完成新滚刀的更换。
(7)完成滚刀更换后,通过机器人小臂9的伸缩与机器人肘部7的旋转使TBM换刀机器人的末端到达另一损坏滚刀的位置,开始进行下一把滚刀的更换。
在完成TBM刀盘上所有滚刀的更换后,通过电葫芦将换刀机器人与换下的滚刀一同运送至主梁后方进行相应的TBM换刀机器人维护与损坏滚刀的处理。

Claims (1)

1.一种外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构,其特征在于,所述的外置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构包括机器人基座(1)、机器人腰部(2)、机器人大臂(6)和机器人小臂(9)四部分;机器人机身均采用液压控制,用于调整机器人机身的伸缩;其中,机器人大臂(6)由大臂一级缸(6-0)、大臂二级缸(6-1)、大臂三级缸(6-2)和大臂四级缸(6-3)依次嵌套组成;机器人小臂(9)由小臂一级缸(9-0)、小臂二级缸(9-1)、小臂三级缸(9-2)和小臂四级缸(9-3)依次嵌套组成;机器人基座(1)与机器人腰部(2)构成机器人机身结构的第一个移动关节,机器人基座(1)上开有基座上油孔(1-1)和基座下油孔(1-2),两个油孔用于调节机器人腰部(2)的高度,当基座上油孔(1-1)进油,基座下油孔(1-2)出油时,机器人腰部(2)将下降,当基座上油孔(1-1)出油而基座下油孔(1-2)进油时,机器人腰部(2)将上升;机器人基座(1)周边布置有筋板,以保持机器人基座(1)的稳定;
机器人腰部(2)通过螺栓(4)、螺母(3)与大臂基座(5)固定连接,机器人大臂基座(5)用于固定大臂一级缸(6-0);
大臂一级缸(6-0)的固定端设有大臂油孔(6-0-1),通过输油与抽油来控制机器人大臂(6)的伸缩;当往大臂油孔(6-0-1)内输油时,油压将推动大臂二级缸(6-1)、大臂三级缸(6-2)和大臂四级缸(6-3)向外运动,实现机器人大臂(6)的伸展;当大臂油孔抽油时,大臂内部油减少,大气压力将推动大臂二级缸(6-1)、大臂三级缸(6-2)和大臂四级缸(6-3)向内收缩,实现机器人大臂(6)的收缩;在机器人大臂(6)的各级油缸两端均设有凸台,用于限制各级油缸的行程;
大臂四级缸(6-3)的端部与机器人肘部(7)的一端连接,机器人肘部(7)的另一端通过转动副与小臂基座(8)连接,转动副驱动源为电机或液压马达,以实现机器人小臂(9)绕机器人大臂(6)的旋转;
小臂一级缸(9-0)与小臂基座(8)焊接,在小臂一级缸(9-0)背部设有小臂油孔(9-0-1),机器人小臂(9)的结构形式与伸缩原理与机器人大臂(6)相同;小臂四级缸(9-3)的末端根据末端执行器设置相应的末端结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200269435A1 (en) * 2018-11-08 2020-08-27 Dalian University Of Technology Cutter replacement robot and its adaptive cutter system for tunnel boring machine
CN109594997B (zh) * 2018-12-17 2020-12-11 大连理工大学 一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08295492A (ja) * 1995-04-27 1996-11-12 Tokiyoshi Kuroda 多段伸縮アーム装置
CN202829500U (zh) * 2012-08-24 2013-03-27 北京市三一重机有限公司 伸缩臂架、液压油路及工程车辆
CN204997665U (zh) * 2015-10-09 2016-01-27 温州职业技术学院 四自由度低压电器产品搬运机器人
CN205325728U (zh) * 2016-01-15 2016-06-22 赵银斌 一种内置电缆的气动伸缩臂
WO2017050839A1 (fr) * 2015-09-21 2017-03-30 Nfm Technologies Système de maintenance pour tunnelier et tunnelier associé
CN206419020U (zh) * 2016-12-30 2017-08-18 中建三局集团有限公司 一种用于复合式土压平衡盾构的辅助换刀装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08295492A (ja) * 1995-04-27 1996-11-12 Tokiyoshi Kuroda 多段伸縮アーム装置
CN202829500U (zh) * 2012-08-24 2013-03-27 北京市三一重机有限公司 伸缩臂架、液压油路及工程车辆
WO2017050839A1 (fr) * 2015-09-21 2017-03-30 Nfm Technologies Système de maintenance pour tunnelier et tunnelier associé
CN204997665U (zh) * 2015-10-09 2016-01-27 温州职业技术学院 四自由度低压电器产品搬运机器人
CN205325728U (zh) * 2016-01-15 2016-06-22 赵银斌 一种内置电缆的气动伸缩臂
CN206419020U (zh) * 2016-12-30 2017-08-18 中建三局集团有限公司 一种用于复合式土压平衡盾构的辅助换刀装置

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