CN109891052A - 用于自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机(2)的隧道掘进机(1)，所述设备包括：‑控制器，其被设计成与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，以及‑三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪；控制器被设计成接收管片定位规划，并且根据三维视觉系统的分析数据、拼装机传感器的测量数据和所述管片定位规划，从而确定拼装机轨迹，以与先前铺设的管片和/或管片环(A)对齐定位待铺设的管片(V)，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据上述轨迹移动它。

Description

用于自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于自动拾取和铺设管片的设备，所述管片用于连接到设置有管片拼装机的隧道掘进机；本发明还涉及一种实施这种设备的用于自动拾取和铺设管片的方法。

背景技术

隧道衬砌通常由以多个连续环的形式设置的预制管片(拱楔块(voussoirs))组成。

随着隧道掘进机的推进，通过将多个管片连续地组装在先前铺设的环上来构造新的环。

每个新环的前面(也就是说，朝向隧道掘进机的截割头的面)用作位于隧道掘进机护盾后部(也就是说，在截割头的另一侧)的推进缸的支承表面，并且用于施加挖掘所要开凿的土地所需的推力。

通过拼装机进行管片的铺设；拼装机就是这样的机器，其允许从设置在隧道掘进机护盾后部的喂片机紧持管片，然后使管片朝向其预定位置移动以形成环。拼装机是隧道掘进机护盾的组成部分并位于隧道掘进机护盾的后部。

目前，拼装机通常由紧邻其的操作者在铺设管片的区域中控制。

然而，操作者的这种操纵具有几个缺点。

一方面，在管片铺设区域中存在一个或几个操作者导致存在安全风险。

另一方面，每个管片的铺设时间很长，特别是因为一个或几个操作者控制相对于先前铺设的管片放置的管片的位置，并且因为可能的位置调整是通过所述操作者根据经验进行的。这项任务也特别困难，因为它需要操作者多次移动。

因此，最好能够按顺序自动铺设管片，一方面，避免铺设区域中存在操作者，另一方面，改善管片铺设的质量和时间。

由于拼装机是一种大容量且大行程的液压机器，在操作时具有较大的挠度(flèche)，其定位不准确并且可重复性差。在隧道掘进机的使用寿命期间，高度磨损和操作间隙的显著增加加剧了这些缺陷。

文献FR 2 745 327描述了一种用于在隧道中铺设管片期间辅助操作者的设备。该设备实施为测量传感器，该测量传感器设计成用于测量先前铺设的管片的侧面上的参考点的位置以及待铺设的管片的侧面上的参考点，这两个参考点将彼此相对放置。该设备进一步包括计算器，该计算器被配置成根据对这两个参考点中的偏差的分析来确定拼装机的路径，以使该管片相对于先前铺设的管片被铺设到期望位置。

第一步，操作者控制拼装机使其大致位于接近先前铺设的管片的位置。放置测量传感器，使得待铺设的管片和先前铺设的管片在其视野内。然后对参考点中的偏差进行分析并将其传送到计算器。

然后，计算器计算拼装机所需的位移，以使该管片被铺设到其最终位置。在此阶段，根据计算器定义的位移自动驱动拼装机，无需操作者干预。

然而，该设备不允许完全自动化管片的铺设，操作者仍然执行大致的放置。另外，该设备不允许控制管片的铺设质量(根据不同的自由度考虑所述质量)。此外，测量传感器特定于拼装机，以便能够跟随它。

文献CN104747213描述了一种用于自动铺设管片的设备。该设备包括两个三维摄像机，用于获取在管片铺设期间要彼此接触放置的待铺设的管片的表面的图像和先前铺设的管片的表面的图像。该设备进一步包括计算器，用于分析所述图像以确定所述管片之间的偏移。

第一步，与先前铺设的管片相比，待铺设的管片被置于接近位置。

第二步，摄像机获取要面对彼此放置的管片的表面的图像。

这些图像被传送到计算器，计算器对其进行处理以从中推断出这两个管片之间的偏移，这两个管片之间的偏移一方面由两个管片相面对的表面之间的距离和两个管片的前表面之间的距离限定。如果该偏移小于确定的阈值，则认为该管片正确定位并且完成铺设所述管片的方法。如果该偏移超过所述阈值，则计算器确定提高管片定位精度所需的拼装机的运动，并且自动控制拼装机以执行所述运动。可以迭代该过程，直到两个管片之间的偏移低于确定的阈值。

然而，处理这种图像的时间相对较长，这会不利于铺设每个管片的时间。此外，该设备没有考虑待铺设的管片相对于先前铺设的管片的任何可能的角度偏移。

文献JPH08-296400描述了一种允许自动铺设管片的拼装机，该拼装机包括由两个摄像机组成的视觉传感器，其中一个摄像机的视野大于另一个摄像机的视野。

第一步，待铺设的管片相对于先前铺设的管片置于接近位置。

激光投射器在先前铺设的管片和待铺设的管片的旨在接触的表面上投射一条光线。摄像机获取所述光线的图像。这些图像被传送到计算器，计算器处理它们以从中推断出两个管片之间的偏移，该偏移在位置上(三个方向上的距离)和倾斜度上(三个方向上的角度)被限定。计算器确定对齐两个管片所需的拼装机的运动，并且自动控制拼装机以执行所述运动。

然而，在该文献中描述的拼装机是专门设计的，因此其提供的自动化不适用于市场上的隧道掘进机的现有拼装机。

最后，上述文献均未提及第一个管片及拱顶石(clé)(在通用环的情况下使环闭合的最后管片)的放置，其具有更重要的放置复杂性。

发明内容

本发明的一个目的是设计一种用于自动铺设管片的设备，其允许通过最小化操作者的干预、最小化铺设每个管片的时间以及通过提高铺设精度来增加操作者的安全性和生产率。该设备必须允许铺设完整的环，无论其是否是通用环，其都包括构成环的第一个管片和最后一个管片。此外，所述设备必须与市场上的隧道掘进机的拼装机兼容。最后，所述设备必须紧凑且易于安装。

根据本发明，提出了一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机的隧道掘进机，所述拼装机包括配备有位置传感器的致动器，其特征在于，所述设备包括：

-控制器，其被配置为与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，并从拼装机传感器接收测量数据，

-三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪，所述三维视觉系统用于附接到拼装机，以便(i)确定拼装机和待紧持的管片之间的位置和倾斜度的偏差，以及(ii)获得待铺设的管片的位置和倾斜度的偏差分析数据组，所述待铺设的管片由拼装机相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环保持，所述三维视觉系统联接到控制器以将所述测量数据发送到所述控制器，

控制器被配置为接收管片铺设规划，并且由于适于处理三维视觉系统的所述分析数据、拼装机传感器的测量数据以及所述铺设规划的计算机规划器，确定拼装机的路径以相对所述先前铺设的管片和/或管片环放置所述待铺设的管片，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据所述路径移动它。

有利地是，该设备进一步包括联接到所述控制器的人机交互界面。

根据一个实施方案，所述控制器被配置为向所述隧道掘进机的所述自动系统发送指令以移动所述隧道掘进机的至少一个推进缸，从而释放用于铺设待铺设的管片的区域，并在所述管片到位后固定所述管片。

根据有利的实施方案，所述控制器被配置为从所述测量数据识别待铺设的管片。

本发明的另一个目的是提供一种隧道掘进机，其包括管片拼装机和如上所述的设备。

本发明的另一个目的涉及一种用于通过隧道掘进机自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的方法，所述隧道掘进机设置有管片拼装机和自动系统，所述自动系统适于控制拼装机的致动，其特征在于，所述方法包括：

-提供如上所述的设备，

-将三维视觉系统放置在拼装机上，

-在所述设备的控制器与所述隧道掘进机的自动系统之间建立通信，

-由控制器接收管片铺设规划和来自拼装机的传感器的测量数据，

-通过控制器向隧道掘进机的自动系统传送指令以通过拼装机紧持待铺设的管片，

-通过拼装机紧持待铺设的管片，

-将所述管片置于控制器所限定的铺设区域，

-通过三维视觉系统获取分析待铺设的管片相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环的位置和倾斜度的偏差的数据，

-由控制器处理所述测量数据，以根据三维视觉系统的所述测量数据、拼装机传感器的测量数据和所述铺设规划，来确定拼装机的路径，从而相对所述先前铺设的管片和/或管片环放置所述待铺设的管片，

-由控制器将拼装机的移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，

-根据所述移动指令由自动系统致动拼装机以放置管片，

-由控制器向自动系统传送指令以移动隧道掘进机的至少一个推进缸；

-通过所述推进缸将所述管片固定到先前铺设的环上。

根据一个实施方案，进一步包括：在紧持待铺设的管片之前，控制器根据三维视觉系统所提供的数据识别所述管片。

根据一个实施方案，在管片的固定操作之后，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令以释放所述管片的紧持。

以特别有利的方式，所述方法允许自动铺设完整的管片环，实施所述方法以用于构成所述环的管片组。

根据一个实施方案，所述方法进一步包括：在放置完整的管片环之后，通过所述三维视觉系统测量所述环的至少一个几何特征，所述几何特征包括翻滚角、前表面的平坦度、环在隧道掘进机的裙部中的定心和/或环的椭圆化。

根据优选实施方案，根据环的所述几何特征的所述测量，控制器调整用于铺设下一个环的管片的规划。

附图说明

参照附图，通过以下详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1为隧道掘进机护盾后部的整体视图，

-图2示出了承载面向先前铺设的管片环的管片的拼装机，

-图3为根据本发明的自动铺设设备及其与隧道掘进机交互的操作图，

-图4为三维视觉系统的框图。

具体实施方式

图1为可能实施本发明的隧道掘进机护盾的后部的局部截面总视图，其中特别说明本发明不限于隧道掘进机的类型(土-压力隧道掘进机、泥浆-压力隧道掘进机等)。

以本身已知的方式，隧道掘进机1包括在其前部的旋转截割头10并且设置有用于开掘土地的截割工具。

截割头10固定在护盾11的前部，护盾11提供挖掘工作的保护和密封。

来自截割前沿的截割屑被转移到开掘室12，开掘室12位于截割头10的后部。

截割屑可以通过排出螺杆13从开掘室排出，在其出口处它们被置于输送机上以便被排空。根据隧道掘进机的类型，排出装置可以变化，并且不限于所示的螺杆。

护盾11在其后部具有裙部14，在裙部14下方放置形成隧道衬砌的管片V。

隧道掘进机1设置有推进缸15，该推进缸15支承在铺设管片的最后一个环A的前表面F上，所述缸15用于在开掘阶段在截割头10上施加向前的推进力。

为了放置管片V，管片拼装机2设置在护盾中，受裙部14保护。

拼装机2通过输送系统(未示出)从隧道掘进机的外部供给管片。

如在图2中更清楚地看到的，管片拼装机2包括紧持装置20，该紧持装置20具有与管片V的内部基本上互补的形状。优选地，紧持是通过负压(由抽吸产生的吸盘效应)进行的，因此不需要任何工具或特殊处理来将管片保持在拼装机上。在可替代的方式(未示出)中，拼装机可以设置有能够穿过设置在管片中的孔的紧持构件。

拼装机设置有多个致动器(包括汽缸和马达)，其提供紧持装置的至少六个旋转和平移的自由度，并允许多种运动。更具体地，拼装机包括转子和布置在转子与紧持装置之间的汽缸。

在面对预期的铺设区域的管片的接近阶段(粗略定位)，拼装机可以以相对较高的速度操作，而在精确定位阶段，拼装机以相对较慢的速度操作。

为了实施本发明，拼装机的致动器装配有任何类型的传感器(例如，汽缸伸长传感器、马达旋转的编码器等)，以便根据每个自由度，可以随时了解紧持装置相对于参考位置的位置。如上所述，由这些传感器提供的位置信息仅是理论上的，因为它们没有考虑到拼装机的各个部件的挠度(flèche)、操作间隙等，这可能是较大的。因此，不可能仅依靠该信息来准确地定位管片。本发明通过为拼装机配备三维视觉系统克服了这个缺点，该三维视觉系统有助于紧持然后准确地放置管片。

隧道掘进机的自动系统使得可以通过驱动各个致动器以沿着确定的路径移动紧持装置来控制拼装机的致动。在传统的隧道掘进机中，该路径由操作者限定。得益于本发明，所述路径由控制器和规划器确定，这将在下面详细描述。然而，必要时，操作者控制自动系统的操作模式仍然可用。

应该注意的是，除了预先装配了拼装机的致动器的事实、在拼装机上放置三维视觉系统以及自动系统接受与前述控制器的交互的适应性之外，本发明不需要修改拼装机或隧道掘进机的其它元件。换句话说，本发明适用于任何隧道掘进机和任何现有的管片拼装机。

三维视觉系统包括至少四个激光轮廓仪。每个轮廓仪包括能够将激光线投射到物体(在这种情况下，待铺设的管片和铺设区域的至少一部分，包括先前铺设的管片和/或先前铺设的管片环)上的激光器以及用于获取物体轮廓的装置。各个轮廓仪的线投射成以便确定管片的部分及彼此分开的其周围环境的部分，以便从中推断出管片在空间中的位置。

更确切地说，四个轮廓仪在紧持待铺设的新管片期间以及用于铺设环的最后一个管片时同时使用。朝向先前铺设的环A的两个轮廓仪允许确定相对于前一个环放置的管片的位置和方向的偏差。朝向正在铺设的环的两个轮廓仪中的一个允许精确调整待铺设的管片的位置和方向以形成环。

为此，如图4所示，两个轮廓仪(其激光线210被示意性地示出)朝向环A定向，环A由先前铺设的管片V组成，另外两个轮廓仪(其激光线210也被示意性地示出)基本上垂直于两个先前的轮廓仪定向。

轮廓仪的操作范围选择为适合于在接近阶段管片相对于其周围环境的相对可能位移。另一方面，根据所收集信息的所需精度选择轮廓仪的分辨率(通常选择小于1mm的分辨率)。最后，选择具有非常高的采集频率的轮廓仪，以便允许尽可能低的处理时间。

每个轮廓仪都提供局部信息，但这组轮廓仪通过软件智能层提供全局信息；并由控制器操作，允许解释轮廓仪的组合测量。

根据一个实施方案，轮廓仪固定至转子。

作为示例，图2示出了在距离紧持装置20一定距离设置在拼装机2上的两个轮廓仪21(仅一个可见)。由轮廓仪中的每个发射的激光线根据坐标系210示意性地示出。已经表示了标准正交坐标系X、Y、Z。传统上，X轴是隧道的纵向轴线，Y轴在隧道的宽度方向上延伸，Z轴在隧道的高度方向上延伸。翻滚角绕X轴限定，俯仰角绕Y轴限定，偏转角绕Z轴限定。

与三维视觉摄像机相比，激光轮廓仪的优点是需要更短的处理时间来确定物体的位置和倾斜度。

该设备进一步包括处理器，该处理器被配置为从三维视觉系统接收测量数据(通常，该管片的轮廓及其在X、Z平面中的周围环境)并处理这些数据以确定待铺设管片相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环的位置和倾斜度的偏差。

该设备还包括控制器，该控制器被配置为与所述处理器通信并接收管片铺设规划。这样的铺设规划包括关于待铺设的管片的类型、每个管片的预期位置以及铺设所述管片的顺序的信息。

有利地，该设备还包括计算机规划器，其适于与控制器通信(规划器可以集成到控制器)并且被配置为根据拼装机传感器的测量数据并且在适当的情况下从三维视觉系统的分析数据中确定拼装机朝向管片铺设规划所限定的最终位置的路径。

管片的紧持和铺设包括使用或不使用三维视觉系统的四个连续阶段：

-在第一阶段(紧持待铺设的新管片)，激活三维视觉系统以确定拼装机相对于待拾取管片的位置和方向的偏差；

-在第二阶段，称为盲视阶段(即不涉及三维视觉系统)，规划器限定拼装机朝向铺设规划确定的中间位置(在先前铺设的环的附近)的路径；

-在第三阶段，实施三维视觉系统，将管片放置在由铺设规划确定的位置；

-在第四阶段，盲视阶段，规划器限定拼装机朝向待拾取的新管片的返回路径。

通常，铺设规划被传输到隧道掘进机的自动系统并且由操作者通过人机交互界面进行验证。可替代地，可以通过根据本发明的设备的人机交互界面将铺设规划传输到控制器。下文将详细描述所述人机交互界面。

控制器进一步被配置为直接或经由隧道掘进机的自动系统接收由各个拼装机位置传感器提供的位置信息。

根据铺设规划、数据分析的位置和倾斜度的偏差以及拼装机的位置信息，控制器实施运算程序(运动发生器或规划器)(允许确定拼装机紧持装置在空间中的一组位移从而以最佳位置和定向精度将待铺设的管片置于所需位置)，并向隧道掘进机的自动系统传输指令以移动拼装机。

可选地，可以迭代地进行管片的放置，例如通过根据不同的自由度连续地调整管片的位置。在迭代的每个步骤中，三维视觉系统允许确定待铺设的管片相对于其周围环境的新位置和新倾斜度，并且控制器确定一组新的位移以调整其定位。

通过指示，本发明所获得的精度大约为1mm，而由操作者致动遥控装置来驱动拼装机所提供的精度最多大约为2至3mm。然而，本发明提供的优点不限于提高精度而已，而是与操作者驱动拼装机相比，可以优化铺设速度-精度的折衷，并提高铺设的可重复性和可靠性。

人机交互界面设计成通常允许操作者监视和控制自动铺设设备的操作。因此，人机交互界面允许启动管片铺设顺序、限定设备的操作模式(例如：全自动、半自动操作等)、收集操作信息以及在发生警报时对设备进行故障排除。

人机交互界面还被配置为在必要时(例如在事故的情况下)禁用自动铺设设备并允许操作者通过现有隧道掘进机中常规使用的遥控装置直接驱动拼装机。为此，人机交互界面包括紧急停止按钮。

图3为该设备及其与隧道掘进机交互的操作图表。

隧道掘进机由方框100示意性示出。

方框101表示管片拼装机的致动器。

方框102表示拼装机位置传感器。

隧道掘进机特别包括用于致动拼装机的自动系统103。为此，自动系统103从拼装机位置传感器102接收测量数据。自动系统103控制拼装机的致动器101，以便到达紧持装置的给定位置。

通过方框200示意性示出根据本发明的设备。

方框201表示控制器，方框202表示三维视觉系统，方框203表示人机交互界面。

此外，控制器201可以向人机交互界面203发送铺设报告，以供其编辑和/或存储。

控制器201从附接到拼装机的三维视觉系统202接收测量数据。通过隧道掘进机的自动系统103，控制器201进一步从拼装机的传感器102接收测量数据，并从中推断出拼装机的理论位置。或者，为了避免由于询问自动系统而导致的等待时间，控制器可以直接与传感器102通信。

根据铺设规划、拼装机传感器的测量数据以及分析三维视觉系统的偏差的数据，控制器201确定拼装机的路径以相对先前铺设的管片和/或管片环放置待铺设的管片，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统103，以致动拼装机，从而拾取待铺设的管片并沿着所述路径移动它。

特别有利地，该设备进一步包括安全设备(未示出)，例如非物理屏障，如果操作者突然进入拼装机的工作区域，该非物理屏障使设备禁用。

该设备的操作如下。

铺设规划被传输到控制器。

以本身已知的方式，待铺设的管片放置在拼装机附近。

以特别有利的方式，可以由设备实施对所述管片的识别。实际上，用于形成环的一组管片不一定相同，特别是在通用环上，并且在所有情况下在最后一个管片(拱顶石)和邻接管片(邻接拱石contre-clé)上通常具有比其它管片更重要的斜度(dépouille)。

为此，激活三维视觉系统以获得该管片的三维轮廓。控制器将该轮廓与铺设规划中包括的参考轮廓进行比较。

可替代地，可以通过本领域技术人员可用的任何其它手段来执行对待铺设的管片的识别，例如适于读取附加到每个管片的条形码或矩阵码的读取器。控制器将读取的代码与铺设规划中包含的参考代码进行比较。

如果控制器检测到所呈现的管片不是根据铺设规划铺设的管片，则它发出警报。然后可以进行管片的更换，并且可以使用替换管片再次开始识别过程。

如果控制器检测到所呈现的管片是待铺设的管片，则它向隧道掘进机的自动系统发送指令以移动拼装机从而拾取待铺设的管片。然后，自动系统启动拼装机的致动器，以将紧持装置放置在与管片相对的位置，并且致动紧持装置(例如通过产生提供吸盘效应的负压)，以将待铺设的管片固定到紧持装置。在紧持阶段，三维视觉系统允许紧持装置相对于管片的正确定位，控制器可以确定待铺设的管片相对于紧持装置的位置和倾斜度。

应注意的是，虽然有利，但是对待铺设的管片的这种识别仅是可选的。可替代地，可以提供的是，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令以移动拼装机从而紧持目前的管片而不事先验证所述管片的一致性，该验证由从拼装机的管片的供应链上游操作者执行。

为了释放用于铺设管片的区域，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令，以使在该区域中的一个或更多个推进缸抵靠最后一个环移动。

一旦该管片被拼装机紧持，控制器就向隧道掘进机的自动系统发送指令以移动拼装机，从而使该管片大致置于预期位置。为此，控制器使用拼装机位置信息和铺设规划。在该粗略接近阶段中，观察到拼装机和管片面对管片的最终位置周围环境的安全距离，从而不会发生碰撞。如上所述，该位移阶段实施规划器，未使用三维视觉系统。

一旦达到该接近位置，就启动三维视觉系统以获取测量待铺设的管片相对于其最终周围环境(也就是说，先前铺设的环和/或先前铺设的管片)的位置和倾斜度的数据。该测量数据允许精确地确定该管片与由该最终周围环境构成的参考系之间的偏差。该偏差的特征在于平移距离(例如沿着正交坐标系的三个轴X、Y、Z)和旋转角度(例如翻滚角、俯仰角和偏航角)。

根据该偏差，控制器确定拼装机紧持装置在空间中的一组位移，从而允许将待铺设的管片置于所需位置。该确定结合了拼装机位置信息和分析三维视觉系统的偏差的数据。

因此，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令以移动拼装机。

一旦放置该管片，控制器就向隧道掘进机的自动系统发送指令以移动推进缸从而固定该管片。

然后，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令以将该管片相对于拼装机紧持装置分离，例如，如果该管片通过吸盘效应保持在紧持装置上，则发送释放施加的负压的指令。应该注意的是，紧持系统的安全性不受根据本发明的设备的影响，而仍通过隧道掘进机的自动系统保证，所述隧道掘进机的自动系统仅在满足安全条件时才执行固定操作。

然后根据刚刚描述的程序，在放置新管片之前将拼装机返回到停机位置。如上所述，该位移阶段由规划器驱动，而无需三维视觉系统的辅助。

控制器可以记录每个管片的铺设数据，并可能编辑铺设报告，这样就可以确保隧道生产的可追溯性。

有利地是，在完成管片环的放置之后，得益于三维视觉系统，自动铺设设备能够测量所述环的至少一个几何特征。该几何特征尤其可以是：

-翻滚角(确保在管片上形成的用于推进缸的支承区域确实与隧道掘进机的推进缸相对)，

-环的前表面的平坦度(环的前表面缺乏平坦度可能涉及到推进缸的推进力的变化)，

-隧道掘进机裙部中环的定心(这一信息一方面有助于了解环在空间中的位置，这是引导隧道掘进机所必需的：护盾的位置在引导系统的参考系中是已知的，环相对于护盾的裙部的位置允许确定环在引导系统的参考系中的位置；另一方面，避免裙部在环上的任何摩擦)，

-和/或环的椭圆化。

这些特征的控制是有用的，因为它可以影响下一个环的放置和/或隧道掘进机的操作。因此，例如，如果环的边缘对齐，则可能的椭圆化可能扩展到随后的环。类似地，环的前面缺乏平坦度可能会影响下一个环的前表面。

有利地是，控制器因此考虑所测量的特征来调整下一个环的铺设规划并因此补偿刚刚铺设的环的任何可能的铺设缺陷。

此外，所述特征可以与铺设报告一起记录，以确保隧道施工的可追溯性。

刚刚描述的设备的优点在于它允许精确地铺设构成环的管片组，包括具有更大复杂性的两个管片的铺设，即：

-环的第一个管片，考虑到还没有任何邻接的管片，以及

-最后一个管片(或拱顶石)，其必须插入先前铺设的两个管片之间。

在环的第一个管片的情况下，如上所述，由配备有轮廓仪的拼装机扫描铺设区域，使得能够通过显著的点和/或区域确定第一个管片相对于最后一个已铺设的环的翻滚角，并且控制器可以考虑该测量以确定管片铺设路径。

在最后一个管片的情况下，三维视觉系统允许控制器确定可用于安装最后一个管片的空间，如果它太大或太小，则可以触发操作者的干预。

因此，本发明使得可以连续地铺设若干管片(或甚至几个连续的环)而不需要在拼装机工作区域中进行任何人为干预，从而最小化操作者所面临的风险和他们的工作困难。

此外，如上所述，自动设备允许使环的铺设可靠并且通过记录实际制作的铺设规划以及在已铺设的环上所监控的特征来有助于隧道生产的可追溯性。

参考

FR 2 745 327

CN104747213

JPH08-296400。

Claims (11)

1.一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机(2)的隧道掘进机(1)，所述拼装机包括配备有位置传感器的致动器，其特征在于，所述设备包括：

-控制器，其被配置为与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，并从拼装机传感器接收测量数据，

-三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪，所述三维视觉系统用于附接到拼装机，以便(i)确定拼装机和待紧持的管片之间的位置和倾斜度的偏差，以及(ii)获得待铺设的管片的位置和倾斜度的偏差的分析数据组，所述待铺设的管片由拼装机相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环保持，所述三维视觉系统联接到控制器将所述测量数据发送到所述控制器，

控制器被配置为接收管片铺设规划，并且得益于适于处理三维视觉系统的所述分析数据、拼装机传感器的测量数据以及所述铺设规划的计算机规划器，确定拼装机的路径以相对先前铺设的所述管片和/或管片环(A)放置所述待铺设的管片(V)，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据所述路径移动它。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括联接到所述控制器的人机交互界面。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中，所述控制器被配置为向所述隧道掘进机的所述自动系统发送指令以移动所述隧道掘进机的至少一个推进缸，从而释放用于铺设待铺设的管片的区域，并在所述管片到位后固定所述管片。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述控制器被配置为从所述测量数据识别待铺设的管片。

5.一种隧道掘进机，其包括管片拼装机和根据权利要求1至4中任一项所述的设备。

6.一种用于通过隧道掘进机自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的方法，所述隧道掘进机设置有管片拼装机和自动系统，所述自动系统适于控制拼装机的致动，其特征在于，所述方法包括：

-提供根据权利要求1至4中任一项所述的设备，

-将三维视觉系统放置在拼装机上，

-在所述设备的控制器与所述隧道掘进机的自动系统之间建立通信，

-由控制器接收管片铺设规划和来自拼装机的传感器的测量数据，

-通过控制器向隧道掘进机的自动系统传送指令以通过拼装机紧持待铺设的管片，

-通过拼装机紧持待铺设的管片，

-将所述管片置于控制器所限定的铺设区域，

-通过三维视觉系统获取分析待铺设的管片相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环的位置和倾斜度的偏差的数据，

-由控制器处理所述测量数据，以根据所述三维视觉系统的测量数据、拼装机传感器的测量数据和所述铺设规划，来确定拼装机的路径，从而相对先前铺设的所述管片和/或管片环放置所述待铺设的管片，

-由控制器将拼装机的移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，

-根据所述移动指令由自动系统致动拼装机以放置管片，

-由控制器向自动系统传送指令以移动隧道掘进机的至少一个推进缸；

-通过所述推进缸将所述管片固定到先前铺设的环上。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：在紧持待铺设的管片之前，控制器根据三维视觉系统所提供的数据识别所述管片。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其中，在管片的固定操作之后，控制器向隧道掘进机的自动系统发送指令以释放所述管片的紧持。

9.一种用于自动铺设完整的管片环的方法，其特征在于，实施根据权利要求6至8中任一项所述的方法以用于构成所述环的管片组。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在放置完整的管片环之后，通过所述三维视觉系统测量所述环的至少一个几何特征，所述几何特征包括翻滚角、前表面的平坦度、环在隧道掘进机的裙部中的定心和/或环的椭圆化。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据环的所述几何特征的所述测量，控制器调整用于铺设下一个环的管片的规划。