CN108414382B - 一种对tbm刀具磨损状态检测的软体末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对TBM刀具磨损状态检测的软体末端执行器，为了检测停止工作的刀具的整圆周的磨损状态，设计了一种能够弯曲的软体末端执行器，属于软体机器人结构设计技术领域。这种软体机器人采用多种软体材料制作机体结构，并应用采用新型智能材料IPMC和磁流变液复合驱动机制，实现末端执行器的弯曲。同时，末端执行器还搭载了光源、微型相机以及清洗TBM刀具的喷嘴，从而实现对刀具磨损状态的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种对TBM刀具磨损状态检测的软体末端执行器，属于软体机器人结构设计技术领域。
背景技术
近年来，TBM(全断面岩石掘进机)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在掘进工作时，刀具需要挤压、切割前进路线上的岩体，因此刀具自身的磨损不可避免。刀具磨损将直接改变刀具几何特性，削弱刀具的切割能力，增加掘进能耗。如果刀具因过度磨损而失效，未能及时更换，将引起刀盘的磨损，必将严重影响施工的进度和质量。并且，由于刀具承受了强冲击和强振动，刀具的还会出现刀圈断裂等故障。据统计，刀具消耗费用约占工程造价的四分之一到五分之一，地质条件不好时，高达三分之一左右，同时目前人工换刀所消耗的时间也约占工程施工时间的三分之一。因此，提高换刀效率是减少工程成本的途径之一。更重要的是受到TBM所处地下复杂恶劣的施工环境的限制，人工更换TBM刀具存在围岩坍塌，掉落以及泥水盾构的高压危害等巨大的安全隐患，因此换刀自动化具有重要的工程意义。
为实现自动换刀，刀具磨损状态的检测是第一步，目前较大型TBM的刀具数量普遍较多，提高刀具的检测效率是自动化的关键一环。并且目前有少量在线检测装置，为换刀自动提供的途径，但这些装置需要布置在刀座上，随刀盘一起工作，极容易损坏。并且对所有刀具进行检测，成本大，信号采集困难。针对这种情况，本发明提出一种软体末端执行器。
本发明为了检测停止工作的刀具的整圆周的磨损状态，设计了一种能够弯曲的软体末端执行器。这种软体机器人采用多种软体材料制作机体结构，并应用采用新型智能材料IPMC(离子交换聚合金属材料)和磁流变液复合驱动机制，实现末端执行器的弯曲。同时，末端执行器还搭载了光源、微型相机以及清洗TBM刀具的喷嘴，从而实现对刀具磨损状态的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软体末端执行器的结构方案，这种结构不同于传统TBM刀具磨损状态的检测装置，无需安装在TBM刀座上。因为TBM的刀具横跨TBM刀盘面的两侧，为了能检测到TBM刀具裸露在刀盘外侧的部分，末端执行器需要能从刀座伸出，并且能进行弯曲以观测刀盘外侧的刀具。
本发明采用的技术方案：
一种对TBM刀具磨损状态检测的软体末端执行器，包括软体末端执行器连接座1、软体末端执行器机体2、光源3、探测头4、微型摄像头5和刀具清洗喷嘴6；软体末端执行器机体2包括驱动材料保护层(IPMC)7、驱动层8、机体支撑结构9、驱动材料工作腔10、磁场生成电极11和控制线路布置管腔12；
所述的软体末端执行器连接座1用于将软体末端执行器连接到换刀机器人的本体上，负责传递软体末端执行器的载荷；
所述的软体末端执行器机体2是末端执行器的关键结构，是弯曲运动的产生者，其工作机制主要是由离子交换聚合金属材料(IPMC)和磁流变液复合驱动；为了实现这种工作机制，软体末端执行器机体2采用管腔式结构，如图2。其中管腔式结构的具体结构如图5所示，包括驱动材料保护层7、驱动层8、机体支撑结构9、驱动材料工作腔10、磁场生成电极11和控制线路布置管腔12；软体末端执行器机体2的外壁为驱动层8，驱动层8由驱动材料保护层7包裹，新型智能材料IPMC布置在驱动层8，其工作原理是在较低电压下就可产生较大位移和驱动力，有人工肌肉之称，其以线状布置在支撑结构的外侧，如图3；软体末端执行器机体2的内壁为控制线路布置管腔12，控制线路布置管腔12由驱动材料保护层7包裹；内壁和外壁间设有机体支撑结构9，机体支撑结构9是由一系列的空心纺锤形结构组成，如图4，采用半硬质材料(如PP材料)制作，主要作用是支撑探测头4；机体支撑结构9与软体末端执行器机体2内外壁间围成的空间即为驱动材料工作腔10；磁场生成电极11覆于机体支撑结构9表面；
驱动材料保护层7和控制线路布置管腔12应采用柔性材料(如PVC、BS等材料)制作。为了提高机体的刚度和变形的稳定性，在驱动材料工作腔10加入磁流变液，在磁场生成电极11激发的磁场的作用下，磁流变液内的磁性颗粒的排列发生变化，进而阻尼发生变化，承受支撑结构变形的作用力，使机体的运动稳定。
所述的探测头4安装在软体末端执行器机体2前端，用于搭载传感器的平台，保证传感器能保持稳定的姿态，使用者还可以根据需要增减相应的传感器；
所述的光源3是为软体末端执行器的工作空间提供光线，设置在探测头4上，以便各种感光类传感器能正常工作。
所述的微型摄像头5设置在探测头4上，是该软体末端执行器关键部件，首先微型摄像头5为执行器提供外界环境的准确描述，进而使控制系统能正确控制驱动系统(8和10)。然后，微型摄像头5另一重要作用就是检测TBM刀具的磨损情况，通过对工作前后的刀具进行图像识别，并给出磨损量的数值进而判断该刀具是否需要更换；
所述的刀具清洗喷嘴6设置在探测头4上，用于清洗刀具，当刀具工作一段时间后，不可避免会覆盖泥水岩渣等，为了能准确对刀具的磨损情况进行检测，需要将覆盖物清除。并且要求喷嘴的水压可以达到一定的水平以有足够的能力清除覆盖物。
所述的软体末端执行器机体2的直径为d，刀座的约束空间的直径为D,为能使软体末端执行器机体2有足够的弯曲空间。
本发明的有益效果：该软体末端执行器是配合相关的TBM换刀机器人本体，来完成TBM刀具的检测。由于该末端执行器是在TBM停机时，进入刀盘内工作的，从而可以减少故障率，并且无需改变TBM刀座原来的结构形式，降低了更改刀座的安全风险。并且该末端执行器可以对所有刀具进行检测，一定程度上降低了每把刀具的更换成本。
由于这种末端执行器具有一定的柔性，可以较好的适应工作空间的狭小、障碍多的特点，并且能观测到刀具处于刀盘面外侧的部分，对刀具的整体磨损状态能有效的识别。同时这种末端执行器的制作材料都属于轻质材料，质量相对较小，降低了对机器人本体负载能力的要求。
附图说明
图1是软体末端执行器总体结构。
图2是软体末端执行器半剖视图。
图3是软体末端执行器连接端结构图。
图4是软体末端执行器机体支撑结构示意图。
图5是软体末端执行器半剖视图的局部图。
图6是软体末端执行器弯曲状态图。
图7是软体末端执行器弯曲状态剖视图。
图8是软体末端执行器工作空间约束图。
图中：1软体末端执行器连接座；2软体末端执行器机体；3光源；4探测头；5微型摄像头；6刀具清洗喷嘴；7驱动材料保护层(IPMC)；8驱动层；9机体支撑结构；10驱动材料(磁流变液)工作腔；11磁场生成电极；12控制线路布置管腔；d软体末端执行器直径；D工作空间约束圆直径。
具体实施方式
下面结合附图及技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
一种能对TBM刀具的磨损状态进行检测的软体末端执行器结构。
(1)首先这种软体末端执行器需要安装在其他机器人本体上，才能完成相关功能，所以本发明不描述软体末端执行器从某一位置到达指定位置的方法和路线，但软体末端执行器上的微型摄像头5会提供空间环境的描述，供控制器进行判断和发布指令；
(2)当软体末端执行器在摄像头的引导下接近某一刀具时，首先利用图像识别技术判断刀具是否需要清洗，如果达到清洗要求，开启清洗喷嘴进行清洗作业；
(3)清洗工序完成后，移动并调整软体末端执行器的位姿，进入磨损检测工序，此时只能对刀盘内的刀具的磨损程度进行检测。
(4)对刀具在刀盘内的部分的磨损状态检测结束后，调整末端执行器的位姿，使其以水平姿态位于刀座的约束圆内(如图8)，然后将末端执行器通过约束圆伸出刀盘外侧，同时，控制驱动系统(IPMC和磁流变液),使软体末端执行器的支撑结构9一侧受拉，一侧受推，并在磁流变液的配合下，产生稳定的弯曲，并且是向刀具一侧弯曲(如图6)。此时软体末端执行器的内部状态如图7所示。
(5)弯曲到位后，对刀盘外侧的刀具进行检测工序。
(6)检测结束后，控制机将对两次微型摄像头5的采集结果进行处理，得出该滚刀是否需要更换的结论。同时，软体末端执行器执行退入刀盘内的程序，末端执行器由弯曲状态变为初始状态，退入刀盘内。
以上步骤(2)(3)(4)(5)(6)是对一把刀具的检测步骤，对下一把刀具检测重复上述步骤即可。
Claims (5)
1.一种对TBM刀具磨损状态检测的软体末端执行器，其特征在于，所述的对TBM刀具磨损状态检测的软体末端执行器包括软体末端执行器连接座(1)、软体末端执行器机体(2)、光源(3)、探测头(4)、微型摄像头(5)和刀具清洗喷嘴(6)；
所述的软体末端执行器连接座(1)用于将软体末端执行器连接到换刀机器人的本体上，负责传递软体末端执行器的载荷；
所述的软体末端执行器机体(2)是弯曲运动的产生者，由离子交换聚合金属材料IPMC和磁流变液复合驱动；软体末端执行器机体(2)采用管腔式结构，包括驱动材料保护层(7)、驱动层(8)、机体支撑结构(9)、驱动材料工作腔(10)、磁场生成电极(11)和控制线路布置管腔(12)；软体末端执行器机体(2)的外壁为驱动层(8)，驱动层(8)由驱动材料保护层(7)包裹，新型智能材料IPMC布置在驱动层(8)；软体末端执行器机体(2)的内壁为控制线路布置管腔(12)，控制线路布置管腔(12)由驱动材料保护层(7)包裹；软体末端执行器机体(2)的内壁和外壁间设有机体支撑结构(9)，机体支撑结构(9)是由一系列的空心纺锤形结构组成，用于支撑探测头(4)；机体支撑结构(9)与软体末端执行器机体(2)内外壁间围成的空间即为驱动材料工作腔(10)；磁场生成电极(11)覆于机体支撑结构(9)表面；
所述的探测头(4)安装在软体末端执行器机体(2)前端，用于搭载传感器的平台，保证传感器能保持稳定的姿态；
所述的光源(3)为软体末端执行器的工作空间提供光线，设置在探测头(4)上，便于感光类传感器正常工作；
所述的微型摄像头(5)设置在探测头(4)上，是软体末端执行器关键部件，微型摄像头(5)为软体末端执行器提供外界环境的准确描述，使控制系统控制驱动层(8)和驱动材料工作腔(10)；微型摄像头(5)用于检测TBM刀具的磨损情况，通过对工作前后的刀具进行图像识别，并给出磨损量的数值进而判断该刀具是否需要更换；
所述的刀具清洗喷嘴(6)设置在探测头(4)上，用于清洗刀具，当刀具工作一段时间后，将覆盖物清除；
所述的软体末端执行器机体(2)的直径为d，刀座的约束空间的直径为D，使软体末端执行器机体(2)有足够的弯曲空间。
2.根据权利要求1所述的软体末端执行器，其特征在于，所述的机体支撑结构(9)采用半硬质材料制作。
3.根据权利要求1或2所述的软体末端执行器，其特征在于，所述的驱动材料保护层(7)和控制线路布置管腔(12)采用柔性材料制作。
4.根据权利要求1或2所述的软体末端执行器，其特征在于，在驱动材料工作腔(10)中加入磁流变液，在磁场生成电极(11)激发的磁场的作用下，磁流变液内的磁性颗粒的排列发生变化，进而阻尼发生变化，承受支撑结构变形的作用力，使机体的运动稳定。
5.根据权利要求3所述的软体末端执行器，其特征在于，在驱动材料工作腔(10)中加入磁流变液，在磁场生成电极(11)激发的磁场的作用下，磁流变液内的磁性颗粒的排列发生变化，进而阻尼发生变化，承受支撑结构变形的作用力，使机体的运动稳定。
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| GR01 | Patent grant | ||
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