CN112917487B - 一种钢拱架区域的tbm喷混系统作业轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法，包括：采用设计的钢拱架检测装置获取钢拱架多个周向点的隧道轴向里程数据；将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段；通过控制喷头底端的隧道轴向位置和喷头俯仰角度，依次对钢拱架的各段进行喷混作业。通过对钢拱架的多个周向点的隧道轴向里程数据进行检测，可获取钢拱架空间位置的变化趋势；在沿隧道周向运动喷混时，可根据钢拱架位置自动调整喷头的隧道轴向位置，进而保证了钢拱架区域喷混作业的准确性，提高了施工质量和施工效率。

Description

一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及机器人运动规划技术领域，特别是涉及一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法。

背景技术

混凝土喷射作业对TBM施工的顺利掘进和安全衬砌起着至关重要的作用，目前主要通过人工操作喷混设备完成，存在劳动强度大、工作效率低和施工质量不稳定等问题。TBM喷混自动控制技术的研究及应用可有效解决人工喷混作业面临的窘境，有助于提高TBM整体施工的安全性和高效性，其中喷混作业的轨迹规划是实现喷混施工自动化的重要前提。

在隧道施工中，为了防止围岩变形和破碎，通常需要采用架设钢拱架、安装锚杆、挂钢筋网等方法对隧道进行加固和衬砌。其中钢拱架对喷混施工的影响更为明显，无钢拱架的常规喷射面的喷混机械臂运动轨迹规划方法已无法适用于钢拱架区域的喷混施工。钢拱架区域作业过程中需针对钢拱架的位置实时调整喷机械臂的位置进行喷混，从而对TBM喷混系统轨迹规划的方法提出了更高的要求。

因此，如何提供一种TBM喷混系统作业轨迹规划方法，以适用于钢拱架区域的喷混作业，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种TBM喷混系统作业轨迹规划方法，以满足对钢拱架区域进行喷混作业。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法，包括：

采用设计的钢拱架检测装置获取钢拱架多个周向点的隧道轴向里程数据；

将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段；

通过控制喷头底端的隧道轴向位置和喷头俯仰角度，依次对钢拱架的各段进行喷混作业。

优选地，在对钢拱架侧面进行喷混作业时，控制喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上保持预设固定间距，且摆动预设固定角度对准钢拱架侧面。

优选地，在对相邻钢拱架中间区域进行喷混时：

获取喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度；

根据喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度的差值、相邻钢拱架各自的轴向隧道里程，获取喷头的俯仰摆动角度，并以此俯仰摆动角度沿隧道的预设周向夹角范围内进行喷混作业。

优选地，在对钢拱架的各段进行喷混作业时，调整喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上的距离与示教值相同。

优选地，在对相邻钢拱架中间区域进行喷混时，调整喷头底端位于两钢拱架隧道轴向位置的中心。

优选地，将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段具体为：

待喷钢拱架A点里程数据为a_m，对应隧道周向旋转角度为θ_a，B点里程数据为b_m，对应隧道周向旋转角度为θ_b；

将AB段均分为w段，即第k段端点的里程数据j_k为：

第k段端点对应的隧道周向角度θ_k为：

优选地，所述获取喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度具体为：

根据隧道开挖直径数据及喷混系统结构数据，得到喷头底端距离洞壁的长度为h，已知使用的钢拱架的厚度为h_arch。

优选地，当喷射相邻钢拱架L₁与L₂的AB段中间区域时，隧道周向旋转角度为θ_i，钢拱架L₁对应的隧道轴向里程数据为

钢拱架L₂对应的隧道轴向里程数据为

调整喷头底端平移运动到隧道轴向里程j_i处：

计算喷头的俯仰摆动角度为：

优选地，所述钢拱架检测装置包括环状支架和设置在所述环状支架上的多个传感器，各所述传感器在所述环状支架的预设夹角内等夹角分布，所述环状支架与隧道共轴设置；

所述获取钢拱架多个周向点的隧道轴向里程数据，具体为：

获取各所述传感器的测量值；

当各所述传感器的测量值分别小于各自无钢拱架情况下测量值与钢拱架厚度的差值时，记录相应传感器的隧道轴向里程数据。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

1、本发明所提供的一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法适用于存在钢拱架的待喷混作业面，可有效提高自动喷混施工工况类型的适应性。

2、通过设计的钢拱架检测装置能够有效检测出钢拱架的空间位置，为钢拱架区域的喷混自动控制提供有力的数据支撑。

3、可适应钢拱架架设位置的不确定性，提高钢拱架区域的自动喷混作业效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明一种具体实施方式所提供的一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法的流程图；

图2为钢拱架位置检测装置在隧道内的示意图；

图3为相邻钢拱架中间区域喷混示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法的流程图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种钢拱架区域的TBM喷混作业轨迹规划方法，主要包括以下步骤：

S100：钢拱架空间位置检测。在喷混施工中，钢拱架的影响主要来源于其在隧道轴向方向上的变化。本实施例通过检测装置对钢拱架的空间位置进行检测，如图2所示，外圈为隧道轮廓，检测装置的主体呈环状，其中心轴线与隧道轴线相重合，五个测距传感器分布在环状支架上，其中C号传感器垂直于水平面向上，各传感器之间沿主体的环状支架的圆周方向的间隔夹角为γ，其中本实施例是以五个传感器为例进行说明，在具体应用时，可根据钢拱架的大小选择适当数量的传感器。各个传感器在无钢拱架时测量值分别为a、b、c、d、e，钢拱架的厚度为n，当传感器的测量值分别小于各自测量值与拱架厚度的差值时，记录此传感器的隧道轴向里程数据，即可得到各传感器对应的钢拱架隧道周向位置点在隧道轴向上的位置信息，因此可以获取钢拱架的空间变化趋势，提高检测的准确度，为钢拱架区域的喷混自动控制提供准确的数据支持。根据设备结构标定，可得到喷混机械臂在隧道轴向平移为最小值时喷头底端的隧道轴向里程数据。

S200：钢拱架侧面喷混作业轨迹规划。具体地，在对钢拱架侧面进行喷混作业时，控制喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上保持预设固定间距，且摆动预设固定角度对准钢拱架侧面，再配合隧道周向旋转，以覆盖整个钢拱架侧面。在对钢拱架的各段进行喷混作业时，调整喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上的距离与示教值相同。首先获取喷头俯仰角度，以控制喷头摆动到钢拱架侧喷示教角度，再根据测量的钢拱架的多个周向点的隧道轴向里程数据，将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段，使得喷混机械臂旋转到钢拱架对应角度段时，自动调整喷混机械臂的喷头底端的隧道轴向位置和喷头的俯仰角度，最后依次对钢拱架的各段进行喷混作业即可。

S300：相邻钢拱架中间区域喷混作业轨迹规划。在对相邻钢拱架中间区域进行喷混时，调整喷头底端位于两钢拱架隧道轴向位置的中心。根据测量的钢拱架多处的隧道轴向位置信息，将钢拱架根据隧道周向旋转角度分段，当喷混机械臂旋转到对应角度段时，自动调整喷混机械臂隧道轴向平移动作，令喷头底端位于两钢拱架隧道轴向位置的中心。

喷头的俯仰角度可通过以下方式计算：

获取喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度；

根据喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度的差值、相邻两钢拱架各自的轴向隧道里程值，获取喷头的俯仰摆动角度。

S400：输出喷混作业规划轨迹给控制系统，以实现自动化喷混作业。

其中钢拱架侧面喷混轨迹规划具体如下所述：

根据动作示教过程，确定钢拱架侧面喷混时喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向距离为d，喷头俯仰角度为α。

根据测量出的待喷钢拱架五个隧道周向点的隧道轴向里程数据，将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段。待喷钢拱架A点里程数据为a_m，对应隧道周向旋转角度为θ_a；B点里程数据为b_m，对应隧道周向旋转角度为θ_b。将AB段均分为w段，即第k段端点的里程数据j_k为：

第k端段端点对应的隧道周向角度θ_k为：

沿掘进方向喷射钢拱架AB段的侧面时，控制喷头俯仰角度摆动到α，当喷头隧道周向旋转角度为θ_k时，调整喷头底端平移运动到隧道轴向里程j_k+d处。由此随着隧道周向运动角度从θ₀到θ_w，完成钢拱架AB段沿掘进方向侧面的喷混。其余BC、CD、DE段均按照上述方法均分为w段，得到中间各段端点的里程数据及其对应的隧道周向旋转角度。再调整喷头底端的隧道轴向位置，控制喷头俯仰角度进行喷混。由此可完成整条钢拱架沿掘进方向侧面的喷混作业。

沿TBM后配套台车方向喷射钢拱架AB段的侧面时，控制喷头俯仰角度摆动到-α，当喷头隧道周向旋转角度为θ_k时，调整喷头底端平移运动到隧道轴向里程j_k-d处。由此随着隧道周向运动角度从θ₀到θ_w，完成钢拱架AB段TBM后配套台车方向侧面的喷混。其余BC、CD、DE段均按照上述方法均分为w段，得到中间各段端点的里程数据及其对应的隧道周向旋转角度。再调整喷头底端的隧道轴向位置，控制喷头俯仰角度配合隧道周向运动进行喷混。由此可完成整条钢拱架沿TBM后配套台车方向侧面的喷混作业。

相邻钢拱架中间区域喷混轨迹规划具体如下所述：

根据隧道开挖直径数据及喷混系统结构数据，得到喷头底端距离洞壁的长度为h。已知使用的钢拱架的厚度为h_arch。

如图3所示，喷射拱架L₁与L₂的AB段中间区域时，当隧道周向旋转角度为θ_i(0≤i≤w)时，钢拱架L₁对应的隧道轴向里程数据为

钢拱架L₂对应的隧道轴向里程数据为

调整喷头底端平移运动到隧道轴向里程j_i处：

计算喷头的俯仰摆动角度为：

由此随着隧道周向运动角度从θ₀到θ_w，便可完成喷射拱架L₁与L₂的AB段中间区域的喷混作业。

钢拱架L₁与L₂之间的BC、CD、DE段均按照上述方法均分为w段，根据中间各段端点的里程数据及其对应的隧道周向角度，计算出中间各段端点的喷头底端目标隧道轴向里程和喷头的俯仰角度。再调整喷头底端的隧道轴向位置，控制喷头俯仰角度摆动配合隧道周向运动进行喷混。由此，可完成整个钢拱架中间区域的喷混作业。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种钢拱架区域的TBM喷混系统作业轨迹规划方法，其特征在于，包括：

采用设计的钢拱架检测装置获取钢拱架多个周向点的隧道轴向里程数据，所述钢拱架检测装置包括环状支架和设置在所述环状支架上的多个传感器，各所述传感器在所述环状支架的预设夹角内等夹角分布，所述环状支架与隧道共轴设置；

所述获取钢拱架多个周向点的隧道轴向里程数据，具体为：

获取各所述传感器的测量值；

当各所述传感器的测量值分别小于各自无钢拱架情况下测量值与钢拱架厚度的差值时，记录相应传感器的隧道轴向里程数据；

将喷混机械臂的隧道周向运动进行分段，具体为：

待喷钢拱架A点里程数据为a_m，对应隧道周向旋转角度为θ_a，B点里程数据为b_m，对应隧道周向旋转角度为θ_b；

将AB段均分为w段，即第k段端点的里程数据j_k为：

第k段端点对应的隧道周向角度θ_k为：

通过控制喷头底端的隧道轴向位置和喷头俯仰角度，依次对钢拱架的各段进行喷混作业；

在对相邻钢拱架中间区域进行喷混时：

获取喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度；

根据喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度的差值、相邻钢拱架各自的轴向隧道里程，获取喷头的俯仰摆动角度，并以此俯仰摆动角度沿隧道的预设周向夹角范围内进行喷混作业；

所述获取喷头底端距离洞壁的长度和钢拱架的厚度具体为：

根据隧道开挖直径数据及喷混系统结构数据，得到喷头底端距离洞壁的长度为h，已知使用的钢拱架的厚度为h_arch；

当喷射相邻钢拱架L₁与L₂的AB段中间区域时，隧道周向旋转角度为θ_i，钢拱架L₁对应的隧道轴向里程数据为

钢拱架L₂对应的隧道轴向里程数据为

调整喷头底端平移运动到隧道轴向里程j_i处：

计算喷头的俯仰摆动角度为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对钢拱架侧面进行喷混作业时，控制喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上保持预设固定间距，且摆动预设固定角度对准钢拱架侧面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在对钢拱架的各段进行喷混作业时，调整喷头底端与钢拱架在隧道轴向方向上的距离与示教值相同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对相邻钢拱架中间区域进行喷混时，调整喷头底端位于两钢拱架隧道轴向位置的中心。

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