CN115870945A - 盾构智能识别检修换刀机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了盾构智能识别检修换刀机器人及方法，属于隧道掘进施工技术领域，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。该机器人结合数字摄影测量技术，对刀具磨损情况进行检测，并采用机械手换刀，实现刀具检测与更换的自动化全过程，保证操作人员安全，提高检修效率，降低施工过程成本；可以解决现有技术中刀具磨损检测耗时长、精确度低、检修不连贯、换刀风险大等问题。

Description

盾构智能识别检修换刀机器人及方法

技术领域

本发明属于隧道掘进施工技术领域，具体涉及一种盾构智能识别检修换刀机器人及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

盾构法是一种采用盾构机在地层中掘进的机械化施工方法，具有自动化程度高、掘进速度快、施工效率高、安全环保等优点。随着地下空间开发规模不断扩大，盾构法施工得到了日益广泛的运用。

在掘进时盾构刀盘位于最前端，通过刀盘转动掘削土体，同时支撑开挖面，是掘进系统的关键部件。在掘进过程中，由于盾构刀具与岩土体的相互接触作用，刀具磨损时有发生。在刀具磨损后若不能及时发现或更换，会造成刀具超量磨损、断裂，甚至影响整个刀盘，造成盾构机掘进速度降低，不得不进行开舱检修，延长工期，增加施工成本。

目前，已有的刀具检测技术，如刀具磨损感应装置、异味添加剂、掘进参数分析等精确度不足，效果不佳，而开舱检测以及后续的开舱换刀主要依靠人工操作，且换刀时常为带压作业，耗时长，风险大，费用高。因此刀具磨损后进行安全、高效、经济的检修更换具有重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供盾构智能识别检修换刀机器人及方法，该机器人结合数字摄影测量技术，对刀具磨损情况进行检测，并采用机械手换刀，实现刀具检测与更换的自动化全过程，保证操作人员安全，提高检修效率，降低施工过程成本；可以解决现有技术中刀具磨损检测耗时长、精确度低、检修不连贯、换刀风险大等问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种盾构智能识别检修换刀机器人，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。

作为进一步的技术方案，所述图像采集装置包括摄像装置、照明设备和冲洗设备，三者独立固定于机械手。

作为进一步的技术方案，所述机械手包括机械手底座，机械手底座与末端执行器转动连接，以适应不同空间角度的刀具。

作为进一步的技术方案，所述末端执行器至少设置一个，末端执行器包括两相对的指爪，指爪之间通过夹持油缸连接，指爪和夹持油缸通过销轴连接。

作为进一步的技术方案，所述导轨水平设置，导轨内设置滚珠丝杠Ⅰ，滚珠丝杠Ⅰ和丝杠螺母块Ⅰ连接，丝杠螺母块Ⅰ和基座连接，以带动基座水平移动。

作为进一步的技术方案，所述基座端部和转向装置通过销轴Ⅰ连接，伸缩臂与转向装置通过销轴Ⅱ连接。

作为进一步的技术方案，所述销轴Ⅰ和销轴Ⅱ的设置方向相垂直。

作为进一步的技术方案，所述伸缩臂内设置滚珠丝杠Ⅱ，滚珠丝杠Ⅱ和丝杠螺母块Ⅱ连接，机械手与丝杠螺母块Ⅱ固定连接。

第二方面，本发明还提供了一种如上所述的盾构智能识别检修换刀机器人的工作方法，包括以下步骤：

对盾构刀盘进行点云扫描，获取其几何特征参数，构建盾构三维模型；相机标定，确定世界坐标系下三维空间点与像素平面像素点间的转换关系与成像过程中的畸变系以用于图像矫正；

采集图像，利用图像采集装置获得清晰的刀具图像；进行空间姿态解算，确定线性投影矩阵；

通过图像处理获取准确的刀具边缘信息，后完成特征提取与同名点选取；将前述模型与刀具边缘信息作对比，进行刀具磨损状况分析。

作为进一步的技术方案，刀具磨损状况分析后，确定刀具是否需要更换，需要更换时，控制换刀机器人对刀具进行更换。

上述本发明的有益效果如下：

本发明的换刀机器人，依托TBM原型机，结合刀盘滚刀布置规律和运动规律进行设计，该机器人可通过伸缩臂的旋转以及机械手沿伸缩臂滚珠丝杠的移动实现滚刀极径与极角的调整，扩大了检测与换刀范围，并通过机械手自身转动实现了对盾构刀盘上不同姿态滚刀的检测与更换。

本发明的换刀机器人，通过图像采集装置对刀具进行观察，借助冲洗设备冲刷刀具脏污，照明设备调整亮度，从而获得清晰图像，经数据分析后，获取刀具磨损信息，进而判定刀具使用寿命并利用机械手实施刀具更换作业。本发明突出优点在于全过程可视化，检测更换一体进行，可替代人工对盾构刀具的检测与更换，实现对刀具磨损状况的高效、精准检测，提高换刀安全系数。

本发明换刀机器人的工作方法，借助固定在机械臂上的图像采集装置，利用相机和光源对盾构刀具图像进行采集，采用机器视觉技术对得到的图像数据进行分析，提取刀具磨损特征，再通过计算误差与阈值比较，判定刀具磨损状况以及是否需要更换刀具。随后利用机械手，对待更换刀具进行自动化换刀操作。

附图说明

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

图1为本发明盾构智能识别检修换刀机器人整体结构示意图；

图2为本发明导轨结构示意图；

图3为本发明基座与转向装置结构示意图；

图4为本发明伸缩臂结构示意图；

图5为本发明机械手结构示意图；

图6为本发明基于机器视觉的刀具磨损识别检测流程图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1为导轨，2为基座，3为转向装置，4为伸缩臂，5为摄像装置，6为照明设备，7为冲洗设备，8为机械手，1-1为丝杠螺母块Ⅰ，1-2为滚珠丝杠Ⅰ，1-3为固定螺栓，1-4为固定螺栓，3-1为销轴Ⅰ，3-2为销轴Ⅱ，4-1为滚珠丝杠Ⅱ，4-2为丝杠螺母块Ⅱ，4-3为固定螺栓，8-1为机械手底座，8-2为销轴Ⅲ，8-3为末端执行器，8-4为销轴Ⅳ，8-5为夹持油缸。

具体实施方式

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

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种盾构智能识别检修换刀机器人，将导轨1固定于收纳区内，依靠基座2在导轨上的前后位移实现机器人从收纳区至开挖舱的纵向位移，通过转向装置3将伸缩臂4与基座2连接，并实现伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内的转动，图像采集装置(摄像装置5、照明设备6、冲洗设备7)固定在机械手8构件上，利用机器视觉相关技术，经过图像采集与图像处理，对刀具磨损状况进行分析。

导轨1底部依靠固定螺栓1-3固接在收纳区中，防止因机器人移动产生较大的力矩造成倾覆。收纳区用于安置非工作状态下的机器人。固定螺栓1-3连接于导轨1两侧底部。基座2通过固定螺栓1-4与丝杠螺母块Ⅰ1-1固接，丝杠螺母块Ⅰ1-1和滚珠丝杠Ⅰ1-2连接，通过丝杠螺母块Ⅰ1-1在滚珠丝杠Ⅰ1-2上直线移动带动基座移动，实现机器人与刀盘间距的改变。滚珠丝杠Ⅰ1-2设置于导轨1内，滚珠丝杠前后端设置有支撑座，支撑座安装时将固定侧依靠垫块和内六角固定螺丝固定，支撑侧用止动环将支撑侧轴承固定到丝杠轴上并装入支撑侧支撑座，传递支撑所受静、动荷载并阻止螺母块的过量位移，滚珠丝杠支撑座的安装属于现有技术，在此不再赘述。通过联轴器将滚珠丝杠与伺服电机连接起来，由伺服电机为滚珠丝杠提供动力。

基座用于实现机器人沿导轨方向的移动，随后在开挖舱中展开并定位伸缩臂。导轨1水平设置，基座2也水平设置于导轨顶部，基座2与转向装置3通过销轴Ⅰ3-1连接，通过销轴Ⅰ3-1处的连接，完成在竖直平面内的转动，可设置卡扣固定转向角度。同样的，伸缩臂4与转向装置3通过销轴Ⅱ3-2连接，通过销轴Ⅱ3-2处的连接，完成伸缩臂绕销轴Ⅱ的转动。销轴Ⅰ3-1和销轴Ⅱ3-2的设置方向相垂直，由此，伸缩臂4可在两个竖直平面内转动：一为随转向装置3绕销轴Ⅰ3-1转动，二为绕销轴Ⅱ3-2转动。

伸缩臂4内设置滚珠丝杠Ⅱ4-1，滚珠丝杠Ⅱ4-1和丝杠螺母块Ⅱ4-2连接，机械手8通过固定螺栓4-3固接在丝杠螺母块Ⅱ4-2上，通过丝杠螺母块Ⅱ4-2在滚珠丝杠Ⅱ4-1上进行直线移动，其位移方向为以销轴Ⅱ为圆心的径向，实现滚刀极径的大小的变化，实现对以伸缩臂长度为半径的圆形范围内滚刀的检测与更换。

机械手8包括机械手底座8-1，在机械手底座8-1前侧预留3个圆孔，将摄像装置5、照明设备6、冲洗设备7分别安置于其中，并用透明球形护罩将摄像装置与照明设备密封，避免碰撞损坏与异物侵入，冲洗设备喷嘴置于圆孔中，后接可伸缩金属软管，软管沿伸缩臂布设，并在部分位置设置卡扣固定。照明设备保证操作过程中有足以清晰成像的亮度，冲洗设备用于冲刷滚刀上的脏污，避免影响磨损信息采集。

机械手底座固定在丝杠螺母块Ⅱ上，随着伸缩臂绕销轴Ⅱ转动实现极角的大小变化，随着丝杠螺母块Ⅱ沿滚珠丝杠Ⅱ移动，实现滚刀极径的大小变化，从而满足刀盘上不同位置滚刀的磨损检测与更换需求。

机械手底座8-1通过销轴Ⅲ8-2与末端执行器8-3连接，依靠销轴Ⅲ8-2转动以应对不同空间角度的滚刀，可对不同姿态的滚刀进行换刀操作；末端执行器8-3为夹持机构，其可设置一个或多个，每一末端执行器8-3包括两相对的指爪，指爪之间通过夹持油缸8-5连接，指爪和夹持油缸8-5通过销轴Ⅳ8-4连接；指爪侧壁上设置卡槽，且指爪向外张开一定角度以便于抓握，夹持油缸与指爪连接处设置为弧形，从而每个指爪在夹持油缸作用下，可绕销轴Ⅳ8-4转动，从而牢固地抓持刀具。

该换刀机器人的智能识别检修过程如下：

步骤1：对盾构刀盘进行点云扫描，获取其几何特征参数，构建盾构三维模型；

步骤2：相机标定，确定世界坐标系下三维空间点与像素平面像素点间的转换关系与成像过程中的畸变系以用于图像矫正；

步骤3：采集图像，利用摄像装置及照明设备与冲洗设备获得清晰的刀具图像；

步骤4：采用PNP算法进行空间姿态解算，确定线性投影矩阵；

步骤5：通过图像锐化、直方图均衡、阈值分割和边缘检测等方式获取准确的滚刀边缘信息，后完成特征提取与同名点选取；

步骤6：将前述模型与滚刀边缘信息作对比，进行刀具磨损状况分析。

通过识别和分析过程，确定刀具是否需要更换，需要更换时，控制换刀机器人对刀具进行更换。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。

2.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述图像采集装置包括摄像装置、照明设备和冲洗设备，三者独立固定于机械手。

3.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述机械手包括机械手底座，机械手底座与末端执行器转动连接，以适应不同空间角度的刀具。

4.如权利要求3所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述末端执行器至少设置一个，末端执行器包括两相对的指爪，指爪之间通过夹持油缸连接，指爪和夹持油缸通过销轴连接。

5.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述导轨水平设置，导轨内设置滚珠丝杠Ⅰ，滚珠丝杠Ⅰ和丝杠螺母块Ⅰ连接，丝杠螺母块Ⅰ和基座连接，以带动基座水平移动。

6.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述基座端部和转向装置通过销轴Ⅰ连接，伸缩臂与转向装置通过销轴Ⅱ连接。

7.如权利要求6所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述销轴Ⅰ和销轴Ⅱ的设置方向相垂直。

8.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述伸缩臂内设置滚珠丝杠Ⅱ，滚珠丝杠Ⅱ和丝杠螺母块Ⅱ连接，机械手与丝杠螺母块Ⅱ固定连接。

9.如权利要求1-8任一项所述的盾构智能识别检修换刀机器人的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

对盾构刀盘进行点云扫描，获取其几何特征参数，构建盾构三维模型；相机标定，确定世界坐标系下三维空间点与像素平面像素点间的转换关系与成像过程中的畸变系以用于图像矫正；

采集图像，利用图像采集装置获得清晰的刀具图像；进行空间姿态解算，确定线性投影矩阵；

通过图像处理获取准确的刀具边缘信息，后完成特征提取与同名点选取；将前述模型与刀具边缘信息作对比，进行刀具磨损状况分析。

10.如权利要求9所述的工作方法，其特征是，刀具磨损状况分析后，确定刀具是否需要更换，需要更换时，控制换刀机器人对刀具进行更换。

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