CN110630279B - 一种具备机器人换刀功能的盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备机器人换刀功能的盾构机，解决现有技术中盾构机换刀困难的问题。本发明包括刀盘、主机和后配套，所述主机与刀盘之间设有土仓，主机内部的上方设有机器人仓和刀库，刀库位于机器人仓内，机器人仓位于土仓后方，土仓舱壁上设有换刀闸门，机器人仓内设有换刀机器人，刀盘上设有适于换刀机器人换刀的新型刀具。本发明为采用机器人换刀的的盾构机，换刀机器人可在机器人仓中运动、换取刀具，换刀程序简洁有序；换刀机器人的末端执行机构通过运动调节机构、螺栓松紧机构、高压清洗机构、图像采集机构，实现对刀具进行夹取吊装、对螺栓松紧、对刀具进行高压清洗，同时还可以进行图像采集，实时监测，提高换刀效率和操作安全系数。

Description

一种具备机器人换刀功能的盾构机

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，特别是指一种具备机器人换刀功能的盾构机。

背景技术

全断面掘进机施工过程中刀具消耗大、更换频繁，刀具检测及换刀作业时间占隧道施工周期的10%以上，现有刀具检测与换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。据统计，国内近70%的隧道施工安全事故都与人工换刀作业直接相关，“检测难、换刀险”的国际性行业难题已成为制约复杂地质条件下隧道施工安全与效率的瓶颈。因此用换刀机器人代替人工进行盾构机换刀成为目前的一项研究课题。

但是现阶段对换刀机器人的研究较少，不仅要考虑盾构机高压/高湿等复杂环境，还要考虑与盾构的配合度。针对全断面隧道掘进机刀盘刀具性态检测和安全快速换刀的迫切需求，需设计一种具备机器人换刀功能的盾构机，实现换刀环节“机器代人” 的安全高效作业。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种具备机器人换刀功能的盾构机，解决现有技术中盾构机换刀困难的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具备机器人换刀功能的盾构机，包括刀盘、主机和后配套，所述主机与刀盘之间设有土仓，主机内部的上方设有机器人仓和刀库，刀库位于机器人仓内，机器人仓位于土仓后方，土仓舱壁上设有换刀闸门，机器人仓内设有换刀机器人，刀盘上设有适于换刀机器人换刀的新型刀具。

所述换刀机器人包括换刀机器人本体和末端执行机构，换刀机器人本体与设置在机器人仓中的地轨滑动连接，末端执行机构活动设置在换刀机器人本体的前端。

所述换刀机器人本体包括移动大臂和伸缩小臂，伸缩小臂通过第一回转机构与移动大臂相连接，末端执行机构通过第二回转机构与伸缩小臂相连接。

所述第一回转机构包括径面回转件和轴面回转盘，径面回转件的一端与移动大臂的伸缩端相连接、另一端与轴面回转盘连接，轴面回转盘与伸缩小臂的固定端相连接。

所述末端执行机构包括运动调节机构，运动调节机构上设有夹爪组件、图像采集机构、螺栓松紧机构和高压清洗机构，夹爪组件、图像采集机构、螺栓松紧机构和高压清洗机构位于运动调节机构的同一板面上。

所述运动调节机构包括十字运动座和连接箱体，连接箱体通过第一旋转机构与十字运动座相连接，夹爪组件设置在连接箱体上，且通过滑移驱动机构与连接箱体滑动连接。

所述十字运动座包括下板座、中板座和上板座，下板座通过纵向滑动机构与中板座相连接，中板座通过横向滑移机构与上板座相连接。

所述第一旋转机构包括万向节和两个旋转油缸，两个旋转油缸位于万向节的外周侧；两个旋转油缸的伸缩方向垂直，旋转油缸的一端与上板座铰接、另一端与连接箱体铰接。

所述夹爪组件包括固定爪和移动爪，移动爪与固定爪铰接且通过夹紧油缸实现开合，固定爪的顶部与滑移驱动机构连接。

所述滑移驱动机构包括导轨，导轨固定在连接箱体内，导轨上滑动设有滑块，滑块与固定爪固定连接，滑块上铰接有移动油缸，移动油缸推动滑块沿导轨移动。

所述固定爪和移动爪均为具有弧度的U形夹爪，移动爪通过销轴与固定爪连接；固定爪的夹持端与移动爪的夹持端呈抱合状态，且固定爪夹持端的内壁与移动爪夹持端的内壁上均设有卡紧槽。

所述图像采集机构包括摄像机和多自由度调节平台，多自由度调节平台位于连接箱体内且向上伸出连接箱体；摄像机通过第二旋转机构设置在多自由度调节平台的上部，所述多自由度调节平台包括定平台和动平台，定平台和动平台之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台摆动和升降。

摆动升降机构包括伸缩件和中心柱，中心柱固定垂直设置在动平台的下部，且位于动平台的中心位置，所述定平台上固定设有轴套，中心柱的下部位于轴套内；伸缩件的两端分别与定平台和动平台铰接，且伸缩件位于中心柱的四周。

所述第二旋转机构包括齿轮盘和小电机，齿轮盘转动设置在定平台上，小电机固定设置在定平台上，小电机带动齿轮盘转动，摄像机安装在齿轮盘上。

所述螺栓松紧机构包括扭矩驱动件、扭矩扳手和柔性末端机构，扭矩驱动件通过连杆机构与扭矩扳手相连接，扭矩驱动件、连杆机构和扭矩扳手位于连接箱体内，柔性末端机构伸出连接箱体，扭矩扳手的一端与柔性末端机构连接，扭矩驱动件通过连杆机构和扭矩扳手带动柔性末端机构转动。

所述柔性末端机构包括外套筒、中间套筒和中心套筒，中间套筒套设在外套筒内部且通过第一螺栓与外套筒相连接，中心套筒套设在中间套筒内部且通过第二螺栓与中间套筒连接，中心套筒上设有螺母形卡槽。

所述外套筒、中间套筒和中心套筒同轴线设置，外套筒和中间套筒及中间套筒和中心套筒均设有径向弹簧；所述外套筒的顶部设有减速机，减速机的输出轴与外套筒固定连接，减速机的输入轴与扭矩扳手固定连接。

所述连杆机构包括一个连接板和两个连接杆，连接板与扭矩驱动件固定连接，连接杆的一端与连接板铰接、另一端设有十字连接座；连接杆通过十字连接座与扭矩扳手固定连接，十字连接座的外端部设有预定位推杆，预定位推杆与设置在连接箱体内的凸块相对应。

所述高压清洗机构包括喷嘴接头和接口管道，喷嘴接头套设在接口管道内且向上穿过连接箱体，喷嘴接头的上部设有高压喷嘴，接口管道固定在连接箱体内部且与外部水源相连接。

所述喷嘴接头的两侧设有滚轮支架，滚轮支架与连接箱体固定连接，滚轮支架上设有滚轮，滚轮的轮轴与固定在连接箱体上的喷嘴电机相连接，滚轮与喷嘴接头摩擦接触且滚轮转动能带动喷嘴接头上下移动。

所述新型刀具包括刀箱和滚刀，刀箱两侧的内壁上设有用于卡固滚刀刀轴的卡块和楔紧块，楔紧块通过螺杆与刀箱相连接，且螺杆通过锁紧螺母固定。

本发明为采用机器人换刀的的盾构机，换刀机器人可在机器人仓中运动、换取刀具，换刀程序简洁有序；换刀机器人的末端执行机构通过运动调节机构、螺栓松紧机构、高压清洗机构、图像采集机构，实现对刀具进行灵活多自由度夹取吊装、对相对应刀具螺栓进行精确快速松紧、对刀具进行适时高压清洗便于更换，同时还可以进行大范围图像采集，实时监测，提高换刀效率和操作安全系数。本发明结构设计巧妙、集成度高，适用于盾构机内部复杂安装空间，与现有盾构配合度高，通过本发明的换刀机器人与盾构机、刀盘、刀具的完美配合，可实现高效安全换刀，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体前部结构示意图。

图2为本发明换刀机器人结构示意图。

图3为本发明新型刀具结构示意图。

图4为本发明换刀机器人的末端执行机构示意图。

图5为本发明运动调节机构结构示意图。

图6为本发明十字运动座结构示意图。

图7为本发明夹爪组件结构示意图。

图8为本发明图像采集机构结构示意图。

图9为本发明多自由度调节平台结构示意图。

图10为本发明螺栓松紧机构结构示意图。

图11为本发明柔性末端机构内部结构示意图。

图12为本发明连接箱体剖视示意图。

图13为本发明高压清洗机构结构示意图。

图14为本发明高压清洗机构剖视示意图。

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。

如图1和3所示，实施例1，一种具备机器人换刀功能的盾构机，包括刀盘1、主机2和后配套，所述主机2与刀盘1之间设有土仓3，主机2内部的上方设有机器人仓4和刀库5，刀库5位于机器人仓4内部，用于存放刀具。机器人仓4和刀库5位于土仓3后方与土仓相邻。土仓3舱壁上设有换刀闸门7，换刀闸门7在掘进过程中处于关闭状态与出渣系统等共同保持土仓中的压力，确保掌子面稳定。需要换刀时，打开换刀闸门，便于换刀的进行。机器人仓4内设有换刀机器人6，机器人仓为密闭空间，正常情况下与大气隔绝，以保证在打开机器人仓闸门后，机器人仓与土仓形成的联通空间内的压力稳定。刀盘1上设有适于换刀机器人6换刀的新型刀具8，新型刀具刀座上装有磨损检测传感器，可向盾构司机操作室实时传输刀具磨损情况。优选地，如图3所示，所述新型刀具8包括刀箱8-1和滚刀8-3，刀箱8-1两侧的内壁上设有用于卡固滚刀刀轴8-6的卡块8-4和楔紧块8-5，卡块8-4和楔紧块8-5相对应，共同作用固定刀轴。楔紧块8-5通过螺杆8-7与刀箱8-1螺纹连接，且螺杆8-7通过锁紧螺母8-8固定。换刀时，换刀机器人的换刀手卡住锁紧螺母，逆时针转动锁紧螺母，螺杆向上运动将楔紧块顶出刀箱，此时，楔紧块脱离滚刀刀轴；继续转动锁紧螺母为滚刀的取出让出通道，然后将滚刀取出即可。

当盾构司机观察到滚刀磨损量较多时，可根据工况进行停机换刀，换刀流程如下：1、盾构机停止掘进；2、通过出渣系统使土仓内液位降低到中位高度以下，同时通过保压系统(土压平衡与泥水平衡盾构机均有，为必备配置)向土仓内加压保证压力稳定；3、打开换刀闸门；4、盾构司机将刀具磨损信息（包含磨损量与刀号）传入机器人控制系统；5、换刀机器人判断需要更换的刀具位置，规划出仓（指机器人仓）路径和换刀顺序，同时刀盘旋转使需更换滚刀位于机器人工作空间内（刀盘回转系统上带有编码器，可准确判断刀盘旋转位置）；6、换刀机器人上携带有激光测距传感器、视觉传感器等，使机器人顺利到达换刀位置，由于刀盘土仓内环境恶劣复杂，当机器人无法自主精确到达指定位置时，盾构司机可利用集成于操作室内的机器人远程操作系统、土仓可视化系统以及机器人携带的传感器，遥控操作机器人到达指定位置；7、机器人利用针对性设计的末端执行机构进行微调和松开螺栓，完成拆刀；8、机器人返回机器人仓将旧刀放入刀库，并取下新刀按照拆刀路线完成装刀作业；9、机器人返回机器人仓并关闭换刀闸门；10、盾构司机控制刀盘旋转恢复掘进作业。

进一步，如图2所示，所述换刀机器人6包括换刀机器人本体6-2和末端执行机构6-1，换刀机器人本体6-2与设置在机器人仓4中的地轨6-3滑动连接，末端执行机构6-1活动设置在换刀机器人本体6-2的前端。移动大臂和伸缩小臂类似与人体的手臂，而末端执行机构类似于人体的手。移动大臂、伸缩小臂配合末端执行机构形成完整的执行结构，对滚刀进行安装和拆卸。移动大臂、伸缩小臂可采用类似于伸缩油缸的伸缩件，实现其轴向长度的调节。

进一步，所述换刀机器人本体6-2包括移动大臂6-2-1和伸缩小臂6-2-2，伸缩小臂6-2-2通过第一回转机构6-2-3与移动大臂6-2-1相连接，末端执行机构6-1通过第二回转机构6-2-4与伸缩小臂6-2-2相连接。该机器人采用双伸缩臂结构，满足对刀盘不同位置的滚刀的更换，末端执行机构能相对伸缩臂灵活转动，实现对滚刀的高精度快速拆装。第一回转机构和第二回转机构采用现有的回转件，实现相应伸缩臂与支撑臂的转动连接，使执行末端动作更加灵活。所述第一回转机构203包括径面回转件203-1和轴面回转盘203-2，径面回转件203-1能在伸缩臂径向面内转动，轴面回转盘203-2能在伸缩臂轴向面内转动，径面回转件203-1的一端与移动大臂6-2-1的伸缩端相连接、另一端与轴面回转盘203-2连接，轴面回转盘203-2与伸缩小臂6-2-2的固定端相连接。径面回转件203-1和轴面回转盘203-2配合使用，实现伸缩小臂相对移动大臂在径向面内转动和轴向面内转动，进而实现末端执行机构位置、角度的调节。

实施例2，如图4所示，一种具备机器人换刀功能的盾构机，所述末端执行机构6-1包括运动调节机构6-1-5，运动调节机构6-1-5上设有夹爪组件6-1-1、图像采集机构6-1-2、螺栓松紧机构6-1-4和高压清洗机构6-1-3，图像采集机构用于对末端执行机构执行动作时图像的采集，便于直观检测。螺栓松紧机构用于对安装刀具用的螺栓旋拧；高压清洗机构3用于对待更换的刀具的清洗。夹爪组件6-1-1、图像采集机构6-1-2、螺栓松紧机构6-1-4和高压清洗机构6-1-3位于运动调节机构6-1-5的同一板面上。五个部件配合使用，实现对刀具的高效安全更换。

进一步，如图5所示，所述运动调节机构6-1-5包括包括十字运动座501和连接箱体502，连接箱体502通过第一旋转机构503与十字运动座501相连接，即连接箱体在旋转机构的作用下能相对十字运动座转动，十字运动座可带动夹爪组件进行横向和纵向移动，实现其位置的首次调节。夹爪组件1设置在连接箱体502上，且通过滑移驱动机构与连接箱体502滑动连接。在滑移驱动机构的作用下夹爪组件进行滑移平动，实现其位置的二次调节，在十字运动座、旋转机构和滑移驱动机构实现夹爪移动调节，以适应不同位置刀具的拆装更换。

进一步，如图6所示，所述十字运动座501包括下板座501-1、中板座501-2和上板座501-3，下板座、中板座和上板座平行叠放式设计，下板座501-1通过纵向滑动机构与中板座501-2相连接，实现十字运动座的纵向移动，中板座501-2通过横向滑移机构与上板座501-3相连接，实现十字运动座的横向移动。

即纵向滑动机构包括设置在下板座501-1上的纵向滑轨501-4、纵向油缸501-5和设置在中板座501-2底部的纵向滑槽501-6，纵向滑槽501-6与纵向滑轨501-4相配合，纵向油缸501-5的一端与下板座501-1铰接、另一端与中板座501-2铰接；在纵向油缸的作用下，推动中板座沿纵向滑轨运动，实现中板座相对下板座的纵向运动。所述横向滑移机构包括设置在中板座501-2上的横向滑轨501-7、横向油缸501-8和设置在上板座501-3底部的横向滑槽501-9，横向滑槽501-9与横向滑轨501-7相配合，横向油缸501-8的一端与中板座501-2铰接、另一端与上板座501-3铰接，即在横向油缸的作用下，推动上板座沿横向滑轨运动，实现上板座相对中板座的横向运动。在三个板座的作用下，夹爪组件整体实现横向平移和纵向平移，改变其位置，用于对不同位置处刀具的更换。

进一步，所述第一旋转机构503包括万向节3-1和两个旋转油缸3-2，两个旋转油缸3-2位于万向节3-1的外周侧；万向节301的两端分别与上板座、连接箱体相连接，实现连接箱体相对上板座的转动。两个旋转油缸3-2的伸缩方向垂直，旋转油缸3-2的一端与上板座501-3铰接、另一端与连接箱体502铰接。即两个旋转油缸成空间十字形设置，其伸缩时带动连接箱体同向转动，使连接箱体绕万向节转动，进而实现夹爪的转动。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图7所示，一种基于换刀机器人的末端执行机构，所述夹爪组件6-1-1包括固定爪101和移动爪102，移动爪102与固定爪101铰接且通过夹紧油缸108实现开合，即在夹紧油缸的伸缩作用下，移动爪相对固定爪移动，实现对刀具的抓紧与否。固定爪101的顶部与滑移驱动机构连接。在滑移驱动机构的作用下固定爪和移动爪能进行滑移平动，实现其位置的改变，以适应不同位置刀具的拆装更换。

进一步，所述滑移驱动机构包括导轨105，导轨105固定在连接箱体502内，导轨105上滑动设有滑块103，滑块103与固定爪101固定连接，滑块103上铰接有移动油缸106，移动油缸106推动滑块103沿导轨105移动，夹爪组件位置调节时，控制移动油缸伸缩，推动滑块带动固定夹爪沿导轨移动，实现其水平轴向位置的调节。滑块103为凹字型座，凹字型座扣合在导轨的梯形槽上，保持凹字型座的稳定性，同时实现移动油缸的不干涉连接和平稳伸缩。

进一步，所述固定爪101和移动爪102均为具有弧度的U形夹爪，使夹爪具有同步运动的两个夹持指，分别夹持在刀具的两侧，实现平稳牢固夹持。移动爪102通过销轴104与固定爪102连接；在加紧油缸的作用下移动爪绕销轴相对固定爪移动，实现其夹爪的开合。固定爪101的夹持端与移动爪102的夹持端呈抱合状态，且固定爪101夹持端的内壁与移动爪102夹持端的内壁上均设有卡紧槽109。卡紧槽与刀具的刀轴相配合，使夹爪能牢固卡住刀轴，防止在夹取过程中出现滑动。夹紧油缸的一端铰接在固定爪101上的凹槽内、另一端铰接在移动爪102上的凹槽内，使夹紧油缸的表面不超过固定爪101和移动爪102的外表面，防止夹取过程中夹紧油缸与其他固定部件产生干涉，提高夹爪的灵活性。

其他结构与实施例1或2相同。

实施例4，如图8所示，一种基于换刀机器人的末端执行机构，所述图像采集机构6-1-2包括摄像机201和多自由度调节平台202，多自由度调节平台202位于连接箱体502内且向上伸出连接箱体502与夹爪组件相对应的一面。摄像机201通过第二旋转机构203设置在多自由度调节平台202的上部，自由度调节平台能带动摄像机摆动和升降，旋转机构带动摄像机转动，配合使用实现其自身位置和角度的调节。所述多自由度调节平台202包括定平台2-1和动平台2-2，定平台2-1和动平台2-2之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台2-2摆动和升降。即在摆动升降机构的作用下，动平台可倾斜摆动和升降，使上部的摄像机自身转动，便于快速对焦，且不仅限于换刀机器人末端执行机构的运动，增大图像采集的范围。

进一步，如图9所示，所述摆动升降机构包括伸缩件2-3和中心柱2-4，中心柱2-4固定垂直设置在动平台2-2的下部，且位于动平台2-2的中心位置，伸缩件203有多个且设置在动平台的外圆周上，伸缩件203采用伸缩油缸或伸缩气缸。所述定平台2-1上固定设有轴套2-5，中心柱2-4的下部位于轴套2-5内；中心柱204的下部可在轴套中上下滑动和转动，用于随动支撑动平台。伸缩件2-3的两端分别与定平台2-1和动平台2-2铰接，且伸缩件2-3位于中心柱2-4的四周。伸缩件可以有四个，通过不同位置的伸缩件的伸缩，实现动平台倾斜度、倾斜方向的调节和高度的调节，使动平台上的摄像机运动更灵活，便于快速对焦和图像采集。

进一步，所述第二旋转机构203包括齿轮盘2031和小电机2032，齿轮盘2031转动设置在定平台2-1上，即齿轮盘通过轴承设置在动平台的支撑轴上，实现齿轮盘的转动。小电机2032固定设置在定平台2-1上，小电机2031带动齿轮盘2031转动，摄像机201安装在齿轮盘2031上。小电机通过齿轮带动齿轮盘转动，进而实现摄像机自身的周向远动，增大图像采集范围和图像采集的灵活性。

其他结构与实施例3相同。

实施例5，如图10所示，一种基于换刀机器人的末端执行机构，所述螺栓松紧机构6-1-4包括扭矩驱动件401、扭矩扳手404和柔性末端机构406，扭矩驱动件401通过连杆机构402与扭矩扳手404相连接，扭矩驱动件401、连杆机构402和扭矩扳手404位于连接箱体502内，扭矩驱动件401的一端固定在连接箱体上，扭矩驱动件可采用液压油缸。柔性末端机构406伸出连接箱体502，扭矩扳手404的一端与柔性末端机构406连接，扭矩驱动件通过连杆机构带动扭矩扳手转动。扭矩驱动件401通过连杆机构402和扭矩扳手404带动柔性末端机构406转动。使用时，柔性末端机构卡住安装刀具的螺栓，然后扭矩驱动件401通过连杆机构402和扭矩扳手404带动柔性末端机构406转动，对相应的螺栓或螺母转动，实现对螺栓的拧紧与否，实现对刀具的快速更换。

进一步，如图11所示，所述所述柔性末端机构406包括外套筒4061、中间套筒4062和中心套筒4063，中间套筒4062套设在外套筒4061内部且通过第一螺栓4066与外套筒4061相连接，与第二螺栓相对应的外套筒壁上设有开槽，便于第二螺栓的安装。中心套筒4063套设在中间套筒4062内部且通过第二螺栓4064与中间套筒4062连接，中心套筒4063上设有螺母形卡槽4067。在扭矩扳手的作用下，中间套筒可在外套筒中绕第一螺栓轴轻微转动，同时两套筒之间有弹簧相连，可保证静止状态下两个套筒的同轴度；同理，中间套筒和中心套筒之间的连接也是如此。

优选地，所述外套筒4061、中间套筒4062和中心套筒4063同轴线设置，保证三个套筒安装的同轴度。外套筒4061和中间套筒4062及中间套筒4062和中心套筒4063均设有径向弹簧4065；径向弹簧径向设置在相邻两个套筒之间，可保证静止状态下两个套筒的同轴度，实现快速定位和对螺栓或螺母的快速卡接配合。所述外套筒4061的顶部设有减速机405，减速机405的输出轴与外套筒4061固定连接，减速机405的输入轴与扭矩扳手404固定连接。扭矩扳手通过减速机与柔性末端机构的外套筒固定连接，实现扭矩驱动件的小伸缩产生柔性末端机构的大扭矩，提高对螺栓拧紧（或拧松）的工作效率。

进一步，如图12所示，所述连杆机构402包括一个连接板4021和两个连接杆4022，连接板4021与扭矩驱动件401固定连接，两个连接杆4022对称设置在连接板4021的两侧，相应的设置两个柔性末端机构，分别对应刀具两侧的螺栓或螺母。连接杆4022的一端与连接板4021铰接、另一端设有十字连接座4023；连接杆4022通过十字连接座4023与扭矩扳手404固定连接，十字连接座4023的外端部设有预定位推杆4024，预定位推杆4024与设置在连接箱体502内的凸块4025相对应。即连接杆4022与扭矩扳手404垂直设置，分别固定在十字连接座的两侧，预定位推杆与连接箱体502内的凸块配合，用于定位扭矩扳手转动的角度，当扭矩驱动件运动到极限位置时，预定位推杆与凸块接触，凸块挤压预定位推杆，可使扭矩扳手内部的棘轮机构换向，每一次接触，都会使棘轮机构换向一次，实现螺母的拧紧与放松。

其他结构与实施例4相同。

实施例6，如图13所示，一种基于换刀机器人的末端执行机构，所述高压清洗机构6-1-3包括喷嘴接头302和接口管道303，喷嘴接头302套设在接口管道303内且向上穿过连接箱体502，喷嘴接头302与接口管道303密封连接，喷嘴接头302能与接口管道303发生上下移动，实现喷嘴接头302的伸缩。喷嘴接头302的上部设有高压喷嘴301，接口管道303固定在连接箱体502内部且与外部水源相连接。外部水源经接口管道进入喷嘴接头，然后经高压喷嘴向外喷出，对指定的刀具进行清刷，便于拆卸。

进一步，如图14所示，所述喷嘴接头302的两侧设有滚轮支架304，滚轮支架304与连接箱体502固定连接，滚轮支架304上设有滚轮305，滚轮305采用橡胶轮或其他具有一定摩擦力的滚轮。滚轮305的轮轴与固定在连接箱体502上的喷嘴电机306相连接，滚轮305与喷嘴接头302摩擦接触且滚轮305转动能带动喷嘴接头302上下移动。 使用时，喷嘴电机带动滚轮转动，与喷嘴接头产生摩擦带动喷嘴接头上下移动，从而实现喷嘴接头在接口管道中的上下移动，以适应于不同位置的刀具的清洗。

其他结构与实施例5相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种具备机器人换刀功能的盾构机，包括刀盘（1）、主机（2）和后配套，其特征在于：所述主机（2）与刀盘（1）之间设有土仓（3），主机（2）内部的上方设有机器人仓（4）和刀库（5），刀库（5）位于机器人仓（4）内，机器人仓（4）位于土仓（3）后方，土仓（3）舱壁上设有换刀闸门（7），机器人仓（4）内设有换刀机器人（6），刀盘（1）上设有适于换刀机器人（6）换刀的新型刀具（8）；

所述换刀机器人（6）包括换刀机器人本体（6-2）和末端执行机构（6-1）；所述末端执行机构（6-1）包括运动调节机构（6-1-5），运动调节机构（6-1-5）上设有螺栓松紧机构（6-1-4）；

所述运动调节机构（6-1-5）上设有夹爪组件（6-1-1）、图像采集机构（6-1-2）、螺栓松紧机构（6-1-4）和高压清洗机构（6-1-3），夹爪组件（6-1-1）、图像采集机构（6-1-2）、螺栓松紧机构（6-1-4）和高压清洗机构（6-1-3）位于运动调节机构（6-1-5）的同一板面上；

所述螺栓松紧机构（6-1-4）包括扭矩驱动件（401）、扭矩扳手（404）和柔性末端机构（406），扭矩驱动件（401）通过连杆机构（402）与扭矩扳手（404）相连接，扭矩驱动件（401）、连杆机构（402）和扭矩扳手（404）位于连接箱体（502）内，柔性末端机构（406）伸出连接箱体（502），扭矩扳手（404）的一端与柔性末端机构（406）连接，扭矩驱动件（401）通过连杆机构（402）和扭矩扳手（404）带动柔性末端机构（406）转动。

2.根据权利要求1所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述换刀机器人本体（6-2）与设置在机器人仓（4）中的地轨（6-3）滑动连接，末端执行机构（6-1）活动设置在换刀机器人本体（6-2）的前端。

3.根据权利要求2所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述换刀机器人本体（6-2）包括移动大臂（6-2-1）和伸缩小臂（6-2-2），伸缩小臂（6-2-2）通过第一回转机构（6-2-3）与移动大臂（6-2-1）相连接，末端执行机构（6-1）通过第二回转机构（6-2-4）与伸缩小臂（6-2-2）相连接。

4.根据权利要求3所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述第一回转机构（6-2-3 ）包括径面回转件（203-1）和轴面回转盘（203-2），径面回转件（203-1）的一端与移动大臂（6-2-1）的伸缩端相连接、另一端与轴面回转盘（203-2）连接，轴面回转盘（203-2）与伸缩小臂（6-2-2）的固定端相连接。

5.根据权利要求2或3或4所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述运动调节机构（6-1-5）包括十字运动座（501）和连接箱体（502），连接箱体（502）通过第一旋转机构（503）与十字运动座（501）相连接，夹爪组件（6-1-1 ）设置在连接箱体（502）上，且通过滑移驱动机构与连接箱体（502）滑动连接。

6.根据权利要求5所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述十字运动座（501）包括下板座（501-1）、中板座（501-2）和上板座（501-3），下板座（501-1）通过纵向滑动机构与中板座（501-2）相连接，中板座（501-2）通过横向滑移机构与上板座（501-3）相连接。

7.根据权利要求6所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述第一旋转机构（503）包括万向节（3-1）和两个旋转油缸（3-2），两个旋转油缸（3-2）位于万向节（3-1）的外周侧；两个旋转油缸（3-2）的伸缩方向垂直，旋转油缸（3-2）的一端与上板座（501-3）铰接、另一端与连接箱体（502）铰接。

8.根据权利要求1或7所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述夹爪组件（6-1-1）包括固定爪（101）和移动爪（102），移动爪（102）与固定爪（101）铰接且通过夹紧油缸（108）实现开合，固定爪（101）的顶部与滑移驱动机构连接。

9.根据权利要求8所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述滑移驱动机构包括导轨（105），导轨（105）固定在连接箱体（502）内，导轨（105）上滑动设有滑块（103），滑块（103）与固定爪（101）固定连接，滑块（103）上铰接有移动油缸（106），移动油缸（106）推动滑块（103）沿导轨（105）移动。

10.根据权利要求9所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述固定爪（101）和移动爪（102）均为具有弧度的U形夹爪，移动爪（102）通过销轴（104）与固定爪（101）连接；固定爪（101）的夹持端与移动爪（102）的夹持端呈抱合状态，且固定爪（101）夹持端的内壁与移动爪（102）夹持端的内壁上均设有卡紧槽（109）。

11.根据权利要求1或9或10所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述图像采集机构（6-1-2）包括摄像机（201）和多自由度调节平台（202），多自由度调节平台（202）位于连接箱体（502）内且向上伸出连接箱体（502）；摄像机（201）设置在多自由度调节平台（202）的上部，所述多自由度调节平台（202）包括定平台（2-1）和动平台（2-2），定平台（2-1）和动平台（2-2）之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台（2-2）摆动和升降。

12.根据权利要求11所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：摆动升降机构包括伸缩件（2-3）和中心柱（2-4），中心柱（2-4）固定垂直设置在动平台（2-2）的下部，且位于动平台（2-2）的中心位置，所述定平台（2-1）上固定设有轴套（2-5），中心柱（2-4）的下部位于轴套（2-5）内；伸缩件（2-3）的两端分别与定平台（2-1）和动平台（2-2）铰接，且伸缩件（2-3）位于中心柱（2-4）的四周。

13.根据权利要求12所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述摄像机（201）通过第二旋转机构（203）设置在多自由度调节平台（202）的上部；第二旋转机构（203）包括齿轮盘（2031）和小电机（2032），齿轮盘（2031）转动设置在定平台（2-1）上，小电机（2032）固定设置在定平台（2-1）上，小电机（2032 ）带动齿轮盘（2031）转动，摄像机（201）安装在齿轮盘（2031）上。

14.根据权利要求1或13所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述柔性末端机构（406）包括外套筒（4061）、中间套筒（4062）和中心套筒（4063），中间套筒（4062）套设在外套筒（4061）内部且通过第一螺栓（4066）与外套筒（4061）相连接，中心套筒（4063）套设在中间套筒（4062）内部且通过第二螺栓（4064）与中间套筒（4062）连接，中心套筒（4063）上设有螺母形卡槽（4067）。

15.根据权利要求14所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述外套筒（4061）、中间套筒（4062）和中心套筒（4063）同轴线设置，外套筒（4061）和中间套筒（4062）及中间套筒（4062）和中心套筒（4063）均设有径向弹簧（4065）；所述外套筒（4061）的顶部设有减速机（405），减速机（405）的输出轴与外套筒（4061）固定连接，减速机（405）的输入轴与扭矩扳手（404）固定连接。

16.根据权利要求15所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述连杆机构（402）包括一个连接板（4021）和两个连接杆（4022），连接板（4021）与扭矩驱动件（401）固定连接，连接杆（4022）的一端与连接板（4021）铰接、另一端设有十字连接座（4023）；连接杆（4022）通过十字连接座（4023）与扭矩扳手（404）固定连接，十字连接座（4023）的外端部设有预定位推杆（4024），预定位推杆（4024）与设置在连接箱体（502）内的凸块（4025）相对应。

17.根据权利要求1或16所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述高压清洗机构（6-1-3）包括喷嘴接头（302）和接口管道（303），喷嘴接头（302）套设在接口管道（303）内且向上穿过连接箱体（502），喷嘴接头（302）的上部设有高压喷嘴（301），接口管道（303）固定在连接箱体（502）内部且与外部水源相连接。

18.根据权利要求17所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述喷嘴接头（302）的两侧设有滚轮支架（304），滚轮支架（304）与连接箱体（502）固定连接，滚轮支架（304）上设有滚轮（305），滚轮（305）的轮轴与固定在连接箱体（502）上的喷嘴电机（306）相连接，滚轮（305）与喷嘴接头（302）摩擦接触且滚轮（305）转动能带动喷嘴接头（302）上下移动。

19.根据权利要求1或4或9或18所述的具备机器人换刀功能的盾构机，其特征在于：所述新型刀具（8）包括刀箱（8-1）和滚刀（8-3），刀箱（8-1）两侧的内壁上设有用于卡固滚刀刀轴（8-6）的卡块（8-4）和楔紧块（8-5），楔紧块（8-5）通过螺杆（8-7）与刀箱（8-1）相连接，且螺杆（8-7）通过锁紧螺母（8-8）固定。

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