CN108708735B - 一种用于盾构机更换刀具机器人及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构机更换刀具机器人及方法，包括所述机器人本体、控制系统、机械工作系统和无线传输系统，机器人本体具有行进系统，所述行进系统承载控制系统、机械工作系统和无线传输系统，并带动其进行运动；机械工作系统包括可旋转的换刀装置，换刀装置上配置有旋转主轴以及绕旋转主轴圆周分布的多个机械把手，机械把手包括可伸缩的电动推杆和设置于电动推杆前端的机械爪手，机械爪手下端设置有用于承载待更换刀具的刀具承台；控制系统通过所述无线传输系统控制行进系统的移动，以及旋转主轴的旋转和电动推杆的伸缩，实现刀具的自动更换。

Description

一种用于盾构机更换刀具机器人及使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于盾构机更换刀具机器人及使用方法。

背景技术

全断面隧道掘进机TBM通常运用于硬质岩隧道掘进工程。滚刀是TBM的主要承载部件之一，在隧道掘进过程中起着破岩的重要作用。而刀座是滚刀的定位、支撑工具。由于在TBM作业过程中滚刀承载大且承载环境恶劣，不仅滚刀容易磨损和损坏，而且刀座也容易出现损坏或磨损现象。

目前，更换刀座的方式是操作人员在施工现场通过肉眼模糊定位，实现新刀座的更换。当刀座出现磨损或损坏时，需操作人员进入TBM工作掌子面对刀座进行更换，刀座更换过程耗时长，从而影响掘进机的效率和工程进度。并且，由于隧道掌子面缺乏支护，在此环境下长期作业存在较大的安全隐患。此外，工作舱内环境恶劣复杂，压力较高对工作人员的安全产生很大的隐患。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于盾构机更换刀具机器人及使用方法，本发明克服了在环境复杂恶劣条件下完成盾构机刀具更换的过程，实现可以进行多次换刀。本发明保证技术人员可以不进入换刀工作舱进行远控操作。提高了工作效率，保障了工作人员的安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种用于盾构机更换刀具机器人，包括所述机器人本体、控制系统、机械工作系统和无线传输系统，其中：

所述机器人本体具有行进系统，所述行进系统承载控制系统、机械工作系统和无线传输系统，并带动其进行运动；

所述机械工作系统包括可旋转的换刀装置，所述换刀装置上配置有旋转主轴以及绕旋转主轴圆周分布的多个机械把手，所述机械把手包括可伸缩的电动推杆和设置于电动推杆前端的机械爪手，所述机械爪手下端设置有用于承载待更换刀具的刀具承台；

所述控制系统通过所述无线传输系统控制行进系统的移动，以及旋转主轴的旋转和电动推杆的伸缩，实现刀具的自动更换。

进一步的，所述机械把手包括辅助拨片、电动推杆、辅助轮齿、构件、上下并排设置的两个机械爪手和刀具承台，所述电动推杆的一侧端部与构件的端部配合，所述构件的另一端与两个机械爪手的端部物理吻合，电动推杆与构件连接，构件通过辅助拨片与机械爪手连接，刀具承台上设置有辅助轮齿，位于下端的机械爪手设置于刀具承台上，所述辅助轮齿与辅助拨片接触，电动推杆将机械爪手推出，当辅助拨片推动至辅助轮齿时，辅助拨片收回，此时构件将机械爪手打开，将更换的刀具放入刀盘。

进一步的，所述旋转主轴设置有动力机构，具体包括齿轮、液压电缸和棘轮逆止器，所述液压电缸推动齿轮，所述齿轮周围布设有若干个棘轮逆止器，所述齿轮与旋转主轴连接，通过控制液压电缸以及棘轮逆止器相互配合使齿轮进行旋转，进而带动旋转主轴转动。

更进一步的，所述棘轮逆止器包括伸缩弹簧和扭转弹簧，通过液压电缸推动棘轮逆止器，扭转弹簧受压，齿轮产生扭转，直至扭转弹簧恢复，棘轮逆止器恢复原来的位置。

进一步的，所述行进系统上设置有拆卸工具，所述拆卸工具包括拆卸机械手、转轴、旋转电机和齿轮组合，通过旋转电机和齿轮组合的配合，实现旋转电机带动转轴转动，进而带动拆卸机械手绕转轴转动，使得能够卡合在拆卸机械手内部的刀盘上的螺丝加固定固件按照指定方向转动，进行拆卸或组装。

更进一步的，所述旋转电机为双转电机，且电机输出轴连接拆卸机械手，通过在电机输出轴设置交流接触器，保证双转电机的正反转。

进一步的，所述控制系统包括控制器，所述控制器连接有存储器、I/O口和中断系统和定时器/计数器。

进一步的，所述无线传输系统包括信号处理模块和信号传输模块，所述信号传输模块包括各个ZigBee终端，设置于行进系统和机械工作系统上；所述信号处理模块包括处理器和ZigBee协调器，所述处理器接收来自ZigBee协调器的命令信息，并在处理后传递到设置在行进系统的ZigBee终端，控制机器人行进系统的启停。

更进一步的，所述ZigBee终端接受处理器的相应命令，对所属系统的不同电机进行控制，实现远程控制。

当然，如果行进系统为轨道式的行进系统，需要提前搭载行进轨道，以辅助机器人运动到指定位置。如果行进系统为履带式运动系统，则不用。

作为优选的，所述机器人上设置有距离传感器，进行避障功能。

作为优选的，所述机器人的控制系统配置有行走算法程序，以进行最优路径的规划。

本发明的第二目的是提供一种用于盾构机更换刀具机器人的工作方法，控制机器人到达更换刀具部位控制推杆机械爪伸出卡主刀具，控制双转电机正转，拆卸刀具上方的螺丝，同时按住固定螺丝的固件，取出固定零件，完成后停机。控制推杆拉回，取刀盘工作完成；再次控制旋转，将带有新的刀具的机械手旋转过来，旋转过来机械抓手伸出，伸出新的刀具，控制双转电机反转，进行固定螺丝以及固定零件的安装，至此完成一次换刀工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明克服了在环境复杂恶劣条件下完成盾构机刀具更换的过程，实现可以进行多次换刀。技术人员可以不进入换刀工作舱进行远控操作。提高了工作效率，保障了工作人员的安全。

2、本发明的装置前部有无线摄像头，能够观察盾构机的位置和状态。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的机器人结构示意图；

图2为本发明的控制系统原理图；

图3为本发明的机器人细节图；

图4为本发明的机器人机械爪手与刀具的配合示意图；

图5为本发明的第一机箱的内部结构图；

图6为本发明的盾构机更换刀具结构图；

图7为本发明的双转电机电路图；

图8为本发明的第四机箱构造图；

图9为本发明的第二第三机箱构造图；

图10为本发明的机械爪手构造图；

图11为本发明的电动推杆与构件物理吻合示意图；

图12为本发明的驱动系统示意图；

图13为本发明的行驶轨道搭接示意图；

图14为本发明的盾构机更换刀具详图。

其中：1、第一机箱，2、第二机箱，3、第三机箱，4、第四机箱，5、承重柱；6、旋转主轴，7、第一棘轮逆止器，8、液压电缸，9、第二棘轮逆止器，10、机械爪手，11、电动推杆，12、辅助拨片，13、防滑橡胶，14、构件，15、刀具承台，16、辅助轮齿，17、驱动电机，18、驱动齿轮，19、六角螺丝；20、双转电机，21、交流接触器，22、第二拆卸工具，23、第一拆卸工具，24、冠状齿轮，25、圆柱齿轮，26、无线摄像头,27、缓冲弹簧。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明目的是为了克服上述盾构机技术挖掘及工具修复过程中的不足，以及在换刀过程中可能存在的安全隐患与突发事故的预防，提供了如图1-13所示一种专门用于盾构掘进技术中刀具更换的刀具智能装置及其使用方法。本发明克服了在环境复杂恶劣条件下完成盾构机刀具更换的过程，实现可以进行多次换刀。技术人员可以不进入换刀工作舱进行远控操作。提高了工作效率，保障了工作人员的安全。

如图1所述，盾构机更换刀具智能机器人，包括行进系统、控制系统、机械工作系统和无线传输系统。

如图2所示，控制系统：单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，控制系统的无线信号传输单元采用系统信号处理模块和信号传输模块实现对本装置启停的控制、信号的处理与传输，实现了在隧道内部复杂环境下信号的远距离传输。

系统信号处理模块由机器人内部数据处理系统以及ZigBee协调器/单片机网关组成。内部处理系统可以接收来自ZigBee协调器的命令信息，并在处理后传递到行走ZigBee终端，控制机器人的启停等。ZigBee/GPRS网关由协调器将来自局域网WiFi路由器提供的网络的命令进行处理，完成ZigBee协议与GPRS协议之间的转换。同时机器人安置于第二机箱正前方的摄像头可将影响同步传递给主机，更加便于工作人员对机器人的控制。

信号接收模块由搭载于机器人内的单机片、ZigBee协调器组成及主机控制中心组成。工作过程中，单机片将接收到的信号经过ZigBee协调器处理传递给相应的ZigBee终端。通过ZigBee终端接受命令对不同电机的控制，从而达到人工远程控制的目的。

具体的分为第一机箱1、第二机箱2、第三机箱3和第四机箱4。

其中，第一机箱1内容纳有人工可控制的电动推杆，以使得工作人员进行远程控制刀盘的伸出与拉回。采用控制液压电缸8以及棘轮逆止器9相互配合使其在工作人员需要的时候进行旋转。因此作业人员无需进入换刀位置，可在安全的场所进行远程操作。同时为了降低成本并且使本装置更好地发挥作用，

如图3所示，第二机箱2容纳了本装置的机械系统即工作的动力系统为可旋转的换刀装置，第二机箱内提供6个放置刀盘刀具的位置，可以配置6把刀具，不用多次装刀，一次可以进行多次盾构机刀具的更换避免了很多繁杂的工序。开始工作时，第一个机械把手不安置任何东西作为取刀所用。

对于盾构机刀盘的更换起到了核心作用，如图9所示。为第二机箱内部详图，可以配置6把刀具，不用多次装刀，一次可以进行多次盾构机刀具的更换避免了很多繁杂的工序。其中第二机箱内为人工可控制的11电动推杆可以使得工作人员进行远程控制刀盘的伸出与拉回。采用内置伸缩装置的液压电缸以及棘轮相互配合使其在工作人员需要的时候进行旋转。因此作业人员无需进入换刀位置，可在安全的场所进行远程操作。

如图10所述，构件14是机械爪的组成部分，其中电动推杆的一头与机械爪的另一头相吻合，当机械爪转动至电动推杆前时，刚好物理吻合。此时推拉杆将机械爪推出，由于辅助拨片的作用机械爪推出机箱，当辅助拨片推动至16辅助轮齿时，拨片收回，此时推杆14将机械爪打开，将更换的刀具放入刀盘。

如图6所示，本发明的机械系统同时还是作为拆卸盾构机刀盘固定零件的重要部分；取刀盘的重要环节还包括刀盘固定螺丝与固定构件的拆卸，对于多数盾构机来讲刀盘固定都会采用固定螺丝加固定固件，本发明针对一般盾构机固定零件的拆卸采用的是旋转电机与内置多组齿轮组的结合系统进行简单的零件拆卸与组装。

拆卸工具一23和拆卸工具二22共同作为拆卸工具，分别位于机械爪手上下部位同时位于机箱二内，通过转轴的一头连接23拆卸工具1，另一头则通过24冠状齿轮与机箱三中的20双转电机两头的圆柱齿轮相连接，双转电机20转动旋转带动两头的25直齿圆柱齿轮，通过转动，直齿圆柱齿轮带动齿冠齿轮转动，另一头拆卸工具1可以旋转卸掉固定刀盘的螺栓，拆卸工具2可以夹住刀盘的固定构件。通过控制盾构机器人的后退将需要更换的刀盘以及螺丝等取出。需要注意的是，22拆卸工具2的抓取工作是在拆卸螺丝的过程中同步进行的，拆卸螺丝23拆卸工具1回收，缓冲弹簧回收，直至23拆卸工具1的辅助轮齿与22拆卸工具2的辅助轮齿啮合运转，此时22拆卸工具2闭合，夹住固定刀具的构件。

当23拆卸工具1旋转拆卸螺丝时候，螺丝出来的过程中，27缓冲弹簧回收，当23拆卸工具1回收的过程中，23拆卸工具1的辅助轮齿与22拆卸工具2的辅助轮齿啮合运转，22拆卸工具2闭合夹住固定刀盘的构件。

通过双转电机转动带动转动组合进行旋转通过观察，当固定螺栓拆除后控制22拆卸工具2(拆卸构件)一，夹住刀盘固定构件，需要更换掉的刀盘成功拆除，如图所示，为实际在盾构机表面拆卸固定构件更换刀具。22拆卸工具2的抓取工作是在拆卸螺丝的过程中同步进行的，拆卸螺丝23拆卸工具1回收，缓冲弹簧回收，直至23拆卸工具1的辅助轮齿与22拆卸工具2的辅助轮齿啮合运转，此时22拆卸工具2闭合，夹住固定刀具的构件。

机械抓手垂直距离与刀具垂直距离误差不超过5cm。

如图7所述，第三机箱3设置于机器人的后侧，内置双转电机，通过ZigBee终端控制电机相序的改变从而实现电机正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调，通常V不变，U与W相对调节。为保证两个接触器动作可以保证双转电机的正反转，接线时应使接触器的上口接线保持一致，如图电路为接触器控制线路从俄日控制电机正反转。由交流接触器KM1，KM2，热继电器FR，熔断器FU，启动开关C2，C3，停机开关C1组成。启动开关C2。C2闭合KM1工作，KM1主触点关闭，电机正转。完成后停机，开关C1闭合。实现反转，启动开关C3，C3闭合KM2工作，KM2主触点闭合，电机反转。

拆卸工具，电机正转，第一拆卸工具21进行螺丝的拆卸，同时第二拆卸工具22闭合按住螺丝扣件，电机反转，第一拆卸工具21进行螺丝的安装，同时第二拆卸工具22松开螺丝扣件。

由于拆卸工具22与23是位于机箱2内的，分别位于机械爪手的上部与下部，拆卸工具一端由构件23(刀头为十字刀头，可以通过与20双转电机正转反转带动旋转组合通过旋转，将固定刀盘的螺丝进行拆卸)与构件22(可以控制的用来夹取固定螺栓和刀盘的构件)。需要注意的是，22拆卸工具2的抓取工作是在拆卸螺丝的过程中同步进行的，拆卸螺丝23拆卸工具1回收，缓冲弹簧回收，直至23拆卸工具1的辅助轮齿与22拆卸工具2的辅助轮齿啮合运转，此时22拆卸工具2闭合，夹住固定刀具的构件。拆卸工具的另一端则是由24冠状齿轮与双转电机顶部的25圆柱齿轮所组成的转动组合，提供旋转动力，通过旋转拆卸固定刀盘的螺丝。注意：拆卸工具是拆卸固定刀盘的螺丝与固定构件的，机械抓手是取出刀盘更换刀盘的。

第四机箱4的驱动系统如图8所示。由承重承台固定在底板上，通过主机控制驱动电机运转使装置在行驶轨道上行驶，到达需要换刀的部位。

第四机箱4主要起到承重与驱动作用，通过控制驱动电机使本发明可以在行驶轨道行驶到达需要修理的刀具附近。控制17驱动电机从而达到行驶目的。

检测到盾构机滚到刀具出现问题影响正常使用，做好准备更换工作，需要停刀至工作舱一侧，从而方便换刀工作的进行。人工将轨道进行搭接，将轨道突出的支撑突出与盾构机刀盘的棱角部位进行吻合搭接。由于本装置在工作过程中高度将固定不变，所以可以提前将本装置的高度进行调节，将承重轴件高度适当调节，方便工作的进行，轨道搭接完成，将装置接电放置轨道，通过平板控制，驱动电机工作，装置沿着轨道前行，到达更换刀具部位。

控制推杆机械爪伸出卡主刀具，控制双转电机20，电路开关C2闭合KM1工作，KM1主触点关闭，电机正转，拆卸刀具上方的螺丝，同时22按住固定螺丝的固件，取出固定零件，完成后停机。控制推杆拉回，取刀盘工作完成。

再次控制旋转过来机械抓手伸出，伸出新的刀具，控制双转电机，启动内部开关C3，C3闭合KM2工作，KM2主触点闭合，电机反转，进行固定螺丝以及固定零件的安装，安装后停机。至此完成一次换刀工作。将换刀机器人返回，轨道取下，再次重新搭接完成下一次的换刀工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：包括所述机器人本体、控制系统、机械工作系统和无线传输系统，其中：

所述机器人本体具有行进系统，所述行进系统承载控制系统、机械工作系统和无线传输系统，并带动其进行运动；

所述机械工作系统包括可旋转的换刀装置，所述换刀装置上配置有旋转主轴以及绕旋转主轴圆周分布的多个机械把手；

所述机械把手包括辅助拨片、电动推杆、辅助轮齿、构件、上下并排设置的两个机械爪手和刀具承台，所述电动推杆的一侧端部与构件的端部配合，所述构件的另一端与两个机械爪手的端部物理吻合，电动推杆与构件连接，构件通过辅助拨片与机械爪手连接，刀具承台上设置有辅助轮齿，位于下端的机械爪手设置于刀具承台上，所述辅助轮齿与辅助拨片接触，电动推杆将机械爪手推出，当辅助拨片推动至辅助轮齿时，辅助拨片收回，此时构件将机械爪手打开，将更换的刀具放入刀盘；

所述机械把手包括可伸缩的电动推杆和设置于电动推杆前端的机械爪手，所述机械爪手下端设置有用于承载待更换刀具的刀具承台；

所述控制系统通过所述无线传输系统控制行进系统的移动，以及旋转主轴的旋转和电动推杆的伸缩，实现刀具的自动更换。

2.如权利要求1所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述旋转主轴设置有动力机构，具体包括齿轮、液压电缸和棘轮逆止器，所述液压电缸推动齿轮，所述齿轮周围布设有若干个棘轮逆止器，所述齿轮与旋转主轴连接，通过控制液压电缸以及棘轮逆止器相互配合使齿轮进行旋转，进而带动旋转主轴转动。

3.如权利要求2所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述棘轮逆止器包括伸缩弹簧和扭转弹簧，通过液压电缸推动棘轮逆止器，扭转弹簧受压，齿轮产生扭转，直至扭转弹簧恢复，棘轮逆止器恢复原来的位置。

4.如权利要求1所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述行进系统上设置有拆卸工具，所述拆卸工具包括拆卸机械爪手、转轴、旋转电机和齿轮组合，通过旋转电机和齿轮组合的配合，实现旋转电机带动转轴转动，进而带动拆卸机械爪手绕转轴转动，使得能够卡合在拆卸机械爪手内部的刀盘上的螺丝加固定固件按照指定方向转动，进行拆卸或组装。

5.如权利要求4所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述旋转电机为双转电机，且电机输出轴连接拆卸机械爪手，通过在电机输出轴设置交流接触器，保证双转电机的正反转。

6.如权利要求1所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述控制系统包括控制器，所述控制器连接有存储器、I/O口和中断系统和定时器/计数器。

7.如权利要求1所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述无线传输系统包括信号处理模块和信号传输模块，所述信号传输模块包括各个ZigBee终端，设置于行进系统和机械工作系统上；所述信号处理模块包括处理器和ZigBee协调器，所述处理器接收来自ZigBee协调器的命令信息，并在处理后传递到设置在行进系统的ZigBee终端，控制机器人行进系统的启停。

8.如权利要求7所述的一种用于盾构机更换刀具机器人，其特征是：所述ZigBee终端接受处理器的相应命令，对所属系统的不同电机进行控制，实现远程控制。

9.基于权利要求1所述的一种用于盾构机更换刀具机器人的方法，其特征是：控制机器人到达更换刀具部位控制电动推杆机械爪手伸出卡主刀具，控制双转电机正转，拆卸刀具上方的螺丝，同时按住固定螺丝的固件，取出固定零件，完成后停机，控制电动推杆拉回，取刀盘工作完成，再次控制旋转，将带有新的刀具的机械爪手旋转过来，旋转过来机械爪手伸出，伸出新的刀具，控制双转电机反转，进行固定螺丝以及固定零件的安装，至此完成一次换刀工作。