CN109236315B - 机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，解决的技术问题是为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，本发明包括刀盘刀具系统、机器人支撑系统、出渣系统和主梁，所述的主梁后部通过推进油缸与后撑靴前部连接，后撑靴后部与后支撑连接；所述的刀盘刀具系统后部设有抗刀盘扭矩撑靴系统；所述的主梁前部通过机器人与刀盘刀具系统柔性连接。本发明安装于刀盘上的抗刀盘扭矩撑靴系统与洞壁产生的摩擦力矩，用来抵消刀盘旋转产生的反扭矩，可进一步优化系统结构、降低成本，增加系统强度与稳定性。

Description

机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机

技术领域

本发明涉及隧道施工中的岩石隧道掘进机（TBM）领域，具体涉及一种在一定范围内实现任意断面形状隧道开挖的基于机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖，其开挖断面多为圆形，刀盘只能做轻微俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程。虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。

另外，隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求，工程结束后隧道掘进机进行闲置的状态时有发生。目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。

智能机器人系统是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，具有高效率、高柔性的特点，广泛应用于各种场合，但是隧道掘进支撑系统中尚未见报道。

发明内容

本发明为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，提供一种配置硬岩开挖刀盘，可通过控制智能机器人支撑刀盘的位置和姿态，实现结构灵活，断面转换范围大，可以真正实现岩石隧道任意断面开挖的基于机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种机器人的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统、机器人支撑系统、出渣系统和主梁，所述的主梁后部通过推进油缸与后撑靴前部连接，后撑靴后部与后支撑连接；所述的刀盘刀具系统后部设有抗刀盘扭矩撑靴系统；所述的主梁前部通过机器人与刀盘刀具系统柔性连接。

所述的机器人包括刀盘姿态调整机构和机器人臂，所述的刀盘姿态调整机构设置在刀盘刀具系统后部，主梁前部通过机器人臂与刀盘姿态调整机构连接。

所述的刀盘姿态调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承与刀盘刀具系统活动连接，连接座外侧分别通过俯仰油缸和摆动油缸与刀盘刀具系统连接。

所述的抗刀盘扭矩撑靴系统包括撑靴、撑靴油缸和支撑座，所述的支撑座设置在刀盘姿态调整机构，撑靴通过撑靴油缸与支撑座连接。刀盘姿态调整机构的连接座上。

所述的机器人臂为串联机器人臂，所述的串联机器人臂包括机器大臂、机器小臂和回转底座，回转底座设置在主梁上，机器小臂前端与连接座固定连接，机器大臂后端通过运动关节与回转底座铰接连接，机器大臂和机器小臂铰接连接；所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂之间均设有设有伸缩油缸。

所述的机器人臂为串并联机器人臂，所述的串并联机器人臂包括回转架、移动架、滑轨，回转架设置在移动架上部，移动架一侧与滑轨相配合，滑轨设置在主梁上；所述的回转架上并联设有一号油缸和三号油缸，一号油缸通过串联关节I与二号油缸串联连接，三号油缸通过串联关节II与四号油缸串联连接。

所述的二号油缸和四号油缸通过连接座与刀盘姿态调整机构连接。

所述的机器人包括并联机器人臂，所述的并联机器人臂包括并联连接的液压油缸组，液压油缸组前端与刀盘刀具系统的驱动系统铰接连接、后端与前支撑铰接连接，所述的前支撑设置在主梁上。

所述的驱动系统通过液压油缸组与前支撑连接成桁架结构，所述液压油缸组至少有三组，每组至少有一个液压油缸。

所述的液压油缸组有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“V”型分布。

还包括皮带机，所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统，出渣系统前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机连接。

本发明的柔臂掘进机（Robot-TBM）指的是掘进机刀盘与支撑主梁之间采用液压油缸采用柔性连接，刀盘与主梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。本发明基于机器人（串联、并联、串并联或其他形式）的新型柔性刀盘支撑结构，可在一定范围内实现任意形状隧道断面的开挖；安装于刀盘上的撑紧装置与洞壁产生的摩擦力矩，用来抵消刀盘旋转产生的反扭矩，可进一步优化系统结构、降低成本，增加系统强度与稳定性；位于隧道底部的新型出渣系统（包含任何形式的刮渣和吸渣系统），可实时将掘进机产生的渣石进行清理与输出。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1带抗刀盘扭矩撑靴系统的刀盘姿态调整机构的结构示意图；

图3是本发明实施例2机器人臂为串联机器人臂的使用状态结构示意图；

图4是本发明实施例2的刀盘运动轨迹之一；

图5是本发明实施例2的刀盘运动轨迹之二；

图6是本发明实施例3机器人臂为串并联机器人臂时的使用状态结构示意图；

图7是本发明实施例3串并联机器人臂结构示意图。

图8是本发明实施例4为并联机器人臂、液压油缸为四组、每组两个液压油缸时的使用状态结构示意图；

图9是本发明图8的A-A视图；

图10是本发明图8的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的B-B视图；

图11是本发明图8的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的C-C视图；

图12是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的前部放大结构示意图；

图13是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图；

图14是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组一个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明包括刀盘刀具系统1、机器人支撑系统4、出渣系统5和主梁6，所述的主梁6后部通过推进油缸7与后撑靴8前部连接，后撑靴8后部与后支撑9连接；所述的刀盘刀具系统1后部设有抗刀盘扭矩撑靴系统3；所述的主梁6前部通过机器人4与刀盘刀具系统1柔性连接。

所述的机器人4包括刀盘姿态调整机构2和机器人臂，所述的刀盘姿态调整机构2设置在刀盘刀具系统1后部，主梁6前部通过机器人臂与刀盘姿态调整机构2连接。本发明刀盘姿态调整机构2可视为机器人灵巧手，主要用于驱动刀盘旋转和调节刀盘姿态，机器人臂为机器人本体，机器人臂可根据需要采用串联式、并联式、或串并联式，主要用来调节刀盘系统的位置，可采取预编程或人机交互等控制方式实现刀盘的多自由度运动，实现不同断面的开挖。

所述的刀盘姿态调整机构2包括连接座204，连接座204前端通过关节轴承201与刀盘刀具系统1活动连接，连接座204外侧分别通过俯仰油缸202和摆动油缸203与刀盘刀具系统1连接。本发明的刀盘姿态调整机构2用于调整刀盘刀具系统1的姿态，俯仰油缸完成刀盘的上下俯仰动作，摆动油缸完成刀盘的左右摆动动作。俯仰油缸202和摆动油缸203垂直设置。每个刀盘后部均设有刀盘主驱动结构，刀盘姿态调整机构2的俯仰油缸和摆动油缸相互垂直正交，进行调节刀盘的姿态。

所述的抗刀盘扭矩撑靴系统3包括撑靴301、撑靴油缸302和支撑座303，所述的支撑座303设置在刀盘姿态调整机构2上，撑靴301通过撑靴油缸302与支撑座303连接。支撑座303设置在刀盘姿态调整机构2的连接座204上。抗刀盘扭矩撑靴系统3为固定于刀盘内部的撑紧装置，对称布置于刀盘两侧，撑靴301可贴在洞壁上，撑靴油缸302为伸缩油缸，可控制撑靴的伸出和缩回，撑靴油缸302有两个，两个撑靴油缸302可独立控制，支撑座303为位于刀盘内部的油缸支撑座。撑靴油缸302根据需要也可以设置多个，根据需要控制不同撑靴油缸302的伸出。其它结构同实施例1。

实施例2

如图3至图5所示，本发明所述的机器人臂为串联机器人臂40，所述的串联机器人臂40包括机器大臂402、机器小臂405和回转底座403，回转底座403设置在主梁6上，机器小臂405前端与连接座204固定连接，机器大臂402后端通过运动关节401与回转底座403铰接连接，机器大臂402和机器小臂405铰接连接；所述的回转底座403与机器大臂402之间、机器大臂402与机器小臂405之间均设有设有伸缩油缸404。串联机器人臂40为串联机器人的机械臂本体，其中机器大臂402为主要受力机构，伸缩油缸404用来实现机器人手臂的运动，运动关节401为机器人的旋转关节，回转底座403固定在主梁上实现机器人回转运动，可采取预编程或人机交互等控制方式实现刀盘的多自由度运动。其它结构同实施例1。

实施例3

如图6和图7所示，本发明所述的机器人臂为串并联机器人臂42，所述的串并联机器人臂42包括回转架421、移动架422、滑轨423，回转架421设置在移动架422上部，移动架422一侧与滑轨423相配合，滑轨423设置在主梁6上；所述的回转架421上并联设有一号油缸425和三号油缸428，一号油缸425通过串联关节I426与二号油缸427串联连接，三号油缸428通过串联关节II429与四号油缸420串联连接。移动架422由驱动424驱动。本发明所述的回转架421上根据需要可以并联设有三个、四个、五个等多个油缸，便于更好的控制刀盘刀具系统。本发明在回转架421上并联两个油缸，控制系统更加简单，便于控制。

所述的二号油缸427和四号油缸420通过连接座204与刀盘姿态调整机构2连接。串并联机器人臂42中，以刀盘姿态调整机构2为串并联机器人的灵巧手，主要用来调节刀盘姿态，串并联机器人臂42为机器人本体，其中回转架421实现机器人回转运动，移动架422实现机器人沿滑轨423的移动，一号油缸425、串联关节I426、二号油缸427和三号油缸428、串联关节II429、四号油缸420分别组成机器人的两个串联机构，一号油缸425和三号油缸428两个油缸并联于回转架上，可采取预编程或人机交互示教等方式实现刀盘的多自由度运动，实现不同开挖断面。

本发明的串并联机器人臂42通过一号油缸425和三号油缸428的伸缩带动刀盘前后运动，通过移动架422沿滑轨的移动实现刀盘的上下移动，通过回转架421自身的转动带动刀盘转动，通过二号油缸427或四号油缸420的伸缩实现刀盘开挖角度的调整。其它结构同实施例1。

实施例4

本发明所述的机器人4包括并联机器人臂41，所述的并联机器人臂41包括并联连接的液压油缸组415，液压油缸组415前端与刀盘刀具系统1的驱动系统铰接连接、后端与前支撑416铰接连接，所述的前支撑416设置在主梁6上。如图8和9所示，是本发明刀盘刀具系统开挖隧道中间位置时的结构示意图，本发明所述液压油缸组前端通过球铰座或万向座与驱动组铰接连接、后端通过球铰座或万向座与前支撑铰接连接。本发明液压油缸组415可以采用液压驱动系统或电液伺服系统进行驱动；同时液压油缸组415也可以采用直线气缸或旋转气动电动机，并采用气动驱动系统。

所述的驱动系统通过液压油缸组415与前支撑416连接成桁架结构，所述液压油缸组415至少有三组，每组至少有一个液压油缸。

所述的液压油缸组有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“V”型分布。四组液压油缸组的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“V”型分布的两个液压油缸可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。本发明每组的液压油缸数大于等于两个时，每组相邻液压油缸之间在驱动系统上均呈“V”型分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“V”型分布的大于等于两个的液压油缸组415可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。液压油缸组数量为四组，每组两个时，共八个液压油缸，依次为一号油缸、二号油缸、……八号油缸，球铰座在驱动系统和前支撑416上的布置位置分别如图10和图11所示，图中，A1和B1分别表示一号油缸的两端，A2和B2分别表示二号油缸的两端，……A8和B8分别表示八号油缸的两端；可以看出，8个液压油缸安装后在驱动系统上呈“V”型分布。

本发明并联机器人臂的液压油缸组还可以有三组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“V”型分布。三组液压油缸组的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“V”型分布的两个液压油缸可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。液压油缸数量有三组，每组有两个，共6个液压油缸时，依次为一号油缸、二号油缸、……六号油缸，其布置方式见图12和图13，可以看出，6个液压油缸安装后在驱动系统上呈“V”型分布。实现并联机器人臂14在传递刀盘刀具系统1推力的同时能够抵抗刀盘刀具系统1的转矩，调整刀盘刀具系统1姿态，稳定刀盘刀具系统1，在并联机器人臂14的作用下，刀盘刀具系统1平面始终与开挖断面平行。

本发明并联机器人臂的液压油缸组有三组，每组有一个液压油缸。三组液压油缸的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，如图14所示，三组液压油缸前端均匀分布在驱动系统上、后端均匀分布在前支撑416上。

还包括皮带机10，所述的刀盘刀具系统1下方设有出渣系统5，出渣系统5前端伸至刀盘刀具系统1下方、后端与皮带机10连接。出渣系统5为皮带机除渣系统或螺旋输送机出渣系统，设置在刀盘刀具系统1下部的洞底，皮带机10设置在除渣系统尾部，出渣系统5将刀盘刀具系统1下方的渣土输送至皮带机10，由皮带机10输送至掘进机外侧。其它结构同实施例1。

本发明工作时，根据施工断面形状要求，预先对智能机器人进行运动轨迹编程；使掘进机到机器人工作范围，机器人按照设定轨迹使刀盘到达指定位置；刀盘上的撑靴伸出顶紧洞壁，产生一个摩擦力矩，抵消刀盘产生的切削扭矩；后撑靴撑紧洞壁，推进油缸及主驱动工作，进行子掌子面开挖；隧道底部出渣系统工作，将坠落在洞底的渣石经皮带机运出；达到一定开挖量后刀盘撑靴收回，重复2-4步，进行下一个工位循环。

Claims (8)

1.一种机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统（1）、机器人支撑系统（4）、出渣系统（5）和主梁（6），所述的主梁（6）后部通过推进油缸（7）与后撑靴（8）前部连接，后撑靴（8）后部与后支撑（9）连接；其特征在于 ：所述的刀盘刀具系统（1）后部设有抗刀盘扭矩撑靴系统（3）；所述的主梁（6）前部通过机器人支撑系统（4）与刀盘刀具系统（1）柔性连接；

所述的机器人支撑系统（4）包括刀盘姿态调整机构（2）和机器人臂，所述的刀盘姿态调整机构（2）设置在刀盘刀具系统（1）后部，主梁（6）前部通过机器人臂与刀盘姿态调整机构（2）连接；

所述的刀盘姿态调整机构（2）包括连接座（204），连接座（204）前端通过关节轴承（201）与刀盘刀具系统（1）活动连接，连接座（204）外侧分别通过俯仰油缸（202）和摆动油缸（203）与刀盘刀具系统（1）连接；

所述的抗刀盘扭矩撑靴系统（3）包括撑靴（301）、撑靴油缸（302）和支撑座（303），所述的支撑座（303）设置在刀盘姿态调整机构（2），撑靴（301）通过撑靴油缸（302）与支撑座（303）连接。

2.根据权利要求1所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人臂为串联机器人臂（40），所述的串联机器人臂（40）包括机器大臂（402）、机器小臂（405）和回转底座（403），回转底座（403）设置在主梁（6）上，机器小臂（405）前端与连接座（204）固定连接，机器大臂（402）后端通过运动关节（401）与回转底座（403）铰接连接，机器大臂（402）和机器小臂（405）铰接连接；所述的回转底座（403）与机器大臂（402）之间、机器大臂（402）与机器小臂（405）之间均设有设有伸缩油缸（404）。

3.根据权利要求1所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人臂为串并联机器人臂（42），所述的串并联机器人臂（42）包括回转架（421）、移动架（422）、滑轨（423），回转架（421）设置在移动架（422）上部，移动架（422）一侧与滑轨（423）相配合，滑轨（423）设置在主梁（6）上；所述的回转架（421）上并联设有一号油缸（425）和三号油缸（428），一号油缸（425）通过串联关节I（426）与二号油缸（427）串联连接，三号油缸（428）通过串联关节II（429）与四号油缸（420）串联连接。

4.根据权利要求3所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的二号油缸（427）和四号油缸（420）通过连接座（204）与刀盘姿态调整机构（2）连接。

5.根据权利要求1所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人支撑系统（4）包括并联机器人臂（41），所述的并联机器人臂（41）包括并联连接的液压油缸组（415），液压油缸组（415）前端与刀盘刀具系统（1）的驱动系统铰接连接、后端与前支撑（416）铰接连接，所述的前支撑（416）设置在主梁（6）上。

6.根据权利要求5所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的驱动系统通过液压油缸组（415）与前支撑（416）连接成桁架结构，所述液压油缸组（415）至少有三组，每组至少有一个液压油缸。

7.根据权利要求6所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的液压油缸组（415）有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“V”型分布。

8.根据权利要求1所述的机器人支撑的单刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：还包括皮带机（10），所述的刀盘刀具系统（1）下方设有出渣系统（5），出渣系统（5）前端伸至刀盘刀具系统（1）下方、后端与皮带机（10）连接。