CN116030699B - 一种基于微型液压马达的开挖机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微型液压马达的开挖机械臂，包括：刀盘装置、多节柔性转向装置和液压管路；刀盘装置安装在多节柔性转向装置的移动端，刀盘装置包括：滚刀组件、液压马达和第一壳体，液压马达安装在第一壳体的腔体中；液压马达的输出端与滚刀组件连接；在直线隧道开挖中，多节柔性转向装置支持带动刀盘装置直线开挖，多节柔性转向装置支持同步步进移动或异步步进移动；在非直线隧道开挖中，多节柔性转向装置支持带动刀盘装置进行小角度变向开挖或大角度转向开挖；液压管路与液压马达接通。本发明选用了动力稳定高效且可以伺服控制的液压马达集成在机械臂前端，并配备适合微型开挖的耐磨滚刀，开挖效率高节约成本。

Description

一种基于微型液压马达的开挖机械臂

技术领域

本发明涉及地下工程模型试验技术领域，特别涉及一种基于微型液压马达的开挖机械臂。

背景技术

岩石力学科学家为解决由于复杂多变地质条件、极端赋存环境、多种工程活动等因素引起的一系列深部工程岩爆灾害预测与防控技术难题，一直以来在寻求岩石工程的岩爆灾害模拟方法，为深入研究深埋高地应力隧道岩爆破坏特征，更好地解决地下工程施工过程中的围岩稳定性问题，深部工程多类型岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验技术是极其重要的研究手段。建立大型物理模型试验数据分析与解析研究岩石工程岩爆孕育全过程机制的共性基础，有利于促进深部工程安全发展、有利于建立深部工程岩爆灾害防控领先地位。

目前三维物理模拟试验主要模拟现场开挖的钻爆法和机械法两种岩体开挖方式，其中模拟机械法开挖主要有预制孔洞、手动开挖、钻机或者微型开挖设备等手段。然而现有技术中，预埋与开挖洞形一致的柱体，无法模拟真实的开挖环境；手动开挖，效率低，消耗人力，且对于复杂的模拟洞室开挖困难；采用传统钻机或者微型开挖设备多为小断面扩孔式开挖，与现场的刀盘破岩机理，机岩相互作用存在较大差别。综上，现有的机械法开挖技术大多只能进行直向洞室开挖，无法实现交叉隐蔽洞室的自动开挖，且存在使用传统的机械传动装置，设备大，功率不高等问题，无法满足岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验系统中的模拟机械法开挖的需求。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，本发明实施例提供了一种基于微型液压马达的开挖机械臂，本发明适用于模拟三维物理模拟试验中的机械法开挖，尤其适用于深部工程多类型岩爆孕育全过程大型三维物理模拟试验装置与技术，可以真实模拟TBM开挖的岩-机相互作用对岩爆的影响，具体技术方案如下：

一种基于微型液压马达的开挖机械臂，包括：刀盘装置、多节柔性转向装置、液压管路；

所述刀盘装置安装在所述多节柔性转向装置的移动端，所述刀盘装置包括：滚刀组件、液压马达和第一壳体，所述液压马达安装在所述第一壳体的腔体中；所述液压马达的输出端与所述滚刀组件连接；

在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持同步步进移动或异步步进移动；

在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行小角度变向开挖或大角度转向开挖；

在所述小角度变向开挖的过程中，小角度β变向的范围为：-10°≤β≤10°；

在所述大角度转向开挖过程中，大角度α转向的范围为：-90°＜α＜-10°或10°＜α＜90°；

所述液压管路与所述液压马达接通。

优选的，所述多节柔性转向装置包括结构相同的第一节足、第二节足和第三节足；

所述刀盘装置、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足依次连接；

所述第一节足的一端与所述第一壳体的端侧连接，所述第一节足的另一端与所述第二节足的一端连接，所述第二节足的另一端与所述第三节足的一端连接。

优选的，所述第一节足包括：第二壳体、微型液压站和四个移动足；

所述微型液压站安装在所述第二壳体的腔体内，所述微型液压站为四个移动足提供动力；

四个移动足的一端均匀环周分布安装在所述第二壳体的侧端表面，相对的两个移动足连线，四个移动足呈十字分布；

其中，所述第一节足的移动足的一端与所述第一壳体的侧端连接，所述第一节足的另一端与所述第一节足的第二壳体的一侧端连接；

所述第二节足的移动足的一端与所述第一节足的第二壳体的另一侧端连接，所述第二节足的移动足的另一端与所述第二节足的第二壳体的一侧端连接；

所述第三节足的移动足的一端与所述第二节足的第二壳体的另一端侧连接，所述第三节足的移动足的另一端与所述第三节足的第二壳体的一端侧连接。

优选的，所述移动足包括前臂油缸、后臂油缸和盾体；

同一节足的微型液压站分别与同一节足内的前臂油缸和同一节足内的后臂油缸接通；

在同一移动足内，所述前臂油缸的移动端和所述后臂油缸的移动端安装在所述盾体上，所述前臂油缸、后臂油缸和盾体形成金字塔结构，所述盾体为顶点；

所述第一节足的前臂油缸的固定端安装在所述第一壳体的一侧端，所述第一节足的后臂油缸的固定端安装在所述第二壳体的一侧端；

所述第二节足的前臂油缸的固定端安装在所述第一节足的第二壳体的另一侧端，所述第二节足的后臂油缸的固定端安装在所述第二节足的第二壳体的一侧端；

所述第三节足的前臂油缸的固定端安装在所述第二节足的第二壳体的另一侧端，所述第三节足的后臂油缸的固定端安装在所述第三节足的第二壳体一侧端；

其中，所述前臂油缸和所述后臂油缸通过轴承安装在待安装位置。

优选的，所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足的单组节足走足动作模式包括：

准备动作：默认全部盾体已与围岩预接触，若未接触，未接触的盾体对应的前臂油缸和对应的后臂油缸同时伸长活塞杆并相对于主轴张开角度直至未接触的盾体嵌入围岩，其中，主轴为所述多节柔性转向装置的纵向中心轴；

起步动作：默认全部盾体已与围岩预接触，所述盾体处于放松状态，所述盾体对应的前臂油缸收缩活塞杆并张开至最大角度同时带动对应的后臂油缸的活塞杆伸长并缩小角度，此时，所述盾体贴着围岩前移直至达到所述前臂油缸张角限位，盾体固定并维持反力点；

步进动作：维持现阶段的盾体的反力点位置不变；

若后一节足的第二壳体无前进需求，则锁死本节足的后臂油缸，同时，本节足的前臂油缸加压伸长活塞杆并轴向带动所述刀盘装置向前蠕动；

其中，若当前节足为第一节足，后一节足为第二节足，若当前为第二节足，后一节足为第三节足，若当前节足为第三节足，无后一节足；

若后一节足的第二壳体有前进需求，则本节足的后臂油缸同时加压并带动后一节足的第二壳体前进；

换步动作：解除全部盾体锁定，后臂油缸的活塞杆伸长并收小角度直至对应的前臂油缸张角限位，盾体固定并维持反力点。

优选的，所述在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持同步步进移动，其中，完成一次的同步步进移动步骤包括：

S101、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S102、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同时执行一次起步动作，保持每个盾体的反力点位置不变，留出钻进量程；

S103、第一节足同步进行一次步进动作，此时，第一节足的盾体反力点不变，启动所述刀盘装置进行破岩；

S104、所述刀盘装置暂停掘进，所述第二节足和第三节足同步跟随所述第一节足执行一次步进动作，所述第二节足和所述第三节足分别保持本节足的反力点位置不变；

S105、所述第一节足、所述第二节足和第三节足同步执行一次换步动作，每个盾体的反力点整体前移，完成一次同步步进。

优选的，所述在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持异步步进移动，其中，所述异步步进移动步骤包括：

S201、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入所述准备动作；

S202、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同时执行一次起步动作，保持每个盾体的反力点位置不变，留出钻进量程；

S203、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次步进动作，保持各个盾体的反力点不变，启动所述刀盘装置进行破岩；

S204、所述第一节足中的一个移动足执行换步动作，所述第一节足中的其他三个移动足侧向支撑，同时，所述第二节足中的一个移动足执行换步动作，所述第二节足中的其他三个移动足侧向支撑，同时，所述第三节足中的一个移动足执行换步动作，所述第三节足中的其他三个移动足侧向支撑；

同时，所述刀盘装置在对应的前臂油缸的活塞杆的行程余量的范围内继续支撑顶进；

S205、每个节足的每个移动足轮流执行换步动作，同时，每个节足的另外三个移动足侧向支撑，持续进行异步步进移动。

优选的，所述在非直线隧道开挖中，所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足的每个节足的走足动作模式包括：

转向变角动作：所述第一节足、第二节足和第三节足的后臂油缸全部锁死，启动所述刀盘装置进行破岩；在转向的平面上，转向内径对应的移动足的前臂油缸的活塞杆伸长并张开角度，转向外径对应的移动足的前臂油缸的活塞杆伸长并收小角度；解锁其余两组移动足的前臂油缸连接关节的转向自由度，同时，所述其余两组移动足的活塞杆伸长并收小角度，所述第一壳体完成转向变角；

转向换步动作：所述刀盘装置暂停破岩，解除盾体的锁定，所述前臂油缸的活塞杆张开至最大角度，所述后臂油缸的活塞杆伸长并收小角度，所述盾体前移，直至所述前臂油缸的张角限位，调整所述盾体姿态并维持反力点位置不变。

优选的，所述在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行小角度变向开挖的步骤包括：

S301、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S302、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次起步动作，所述盾体保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S303、所述第一节足执行一次转向变角动作，所述第一节足的盾体保持反力点不变，启动所述刀盘装置转向；

S304、所述第一节足执行一次转向换步动作，所述第二节足和所述第三节足跟随所述第一节足执行一次步进动作；

S305、完成单次小角度变向；

所述在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行大角度转向开挖的步骤包括：

S401、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S402、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次起步动作，所述盾体保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S403、所述第一节足执行一次转向换步动作，所述第二节足和所述第三节足跟随所述第一节足同步执行一次步进动作；

S404、循环执行S403直至完成大角度转向。

本机械臂还包括：高压液氮管路、吸尘出渣管路；

所述高压液氮管路纵向依次贯穿每个节足的第二壳体的侧壁，所述高压液氮管路的出口端与所述第一壳体上的高压喷嘴接通；

所述吸尘出渣管路纵向依次贯穿每个节足的第二壳体的侧壁，所述吸尘出渣管路的进口与所述第一壳体上的出渣口连通；

所述液压管路设置有两根，每根液压管路的进口端设置稳压调流阀。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明选用了动力稳定高效且可以伺服控制的液压马达集成在机械臂前端，并配备适合微型开挖的耐磨滚刀，以及辅助破岩、冷却刀盘、减少灰尘的高压液氮射流装置，开挖效率高节约成本；

本发明的多节柔性转向装置利用四组移动足和盾体组成的走足结构，既可以强制锁定钻进姿态为顶进提供反力点，并消除主体滚动，降低机器振动，又可以液压顶进，顶压刀盘提供接触压力，通过四足结构步进-换步循环，实现稳定连续钻进作业，提高了工作效率；

本发明的基于多节柔性转向装置的机械臂，各功能组件分布在各节机械臂中，有效缩短每节机械臂长度减小转弯半径，可控制机械臂的掘进方向并操控整体柔性转向，拓展了不同开挖路径；

本发明利用高压液氮管路和吸尘出渣管路配合清污，高压液氮射流气化后冷却并清洗刀盘装置，随后渣土从出渣口被吸尘器强力吸出方便后续掘进循环，此外高压液氮管路还可以冷却电机、液压泵和液压马达，清洁环保的同时实现资源再利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明的一种基于微型液压马达的开挖机械臂的轴侧结构示意图；

图2为本发明的刀盘装置结构示意图；

图3为本发明的第一壳体端侧示意图；

图4为本发明的一种基于微型液压马达的开挖机械臂的正视图；

图5为本发明的第一节足的结构示意图；

图6为本发明的机械臂带动刀盘装置同步步进移动流程示意图；

图7为本发明的机械臂带动刀盘装置异步步进移动流程示意图：

图8为本发明的机械臂带动刀盘装置小角度变向开挖流程示意图；

图9为本发明的机械臂带动刀盘装置大角度转向开挖流程示意图。

其中附图标记说明如下：

1、 刀盘装置；11、滚刀组件；12、液压马达；13、第一壳体；131喷嘴；132、出渣口；2、多节柔性转向装置；21、第一节足；22、第二节足；23、第三节足；201、移动足；2011、前臂油缸；2012、后臂油缸；2013、盾体；202、微型液压站；203、第二壳体；3、液压管路；31、稳压调流阀；4、高压液氮管路；5、吸尘出渣管路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明为匹配深部地下开采过程的复杂情况，进行了全面多方位的设计，其中，联合破岩挖掘系统选用了动力稳定高效且可以伺服控制的液压马达12集成在机械臂前端，并配备适合微型开挖的耐磨滚刀，以及辅助破岩、冷却刀盘、减少灰尘的高压液氮射管路；多节柔性转向装置2通过四组移动足201和盾体2013组成的走足结构，既可以强制锁定钻进姿态为顶进提供反力点，并消除主体滚动，降低机器振动，又可以液压顶进，顶压刀盘提供接触压力；多节柔性转向装置2有效缩短每节机械臂长度减小转弯半径，可控制机械臂的掘进方向并操控整体柔性转向；液氮冷却出渣系统利用高压液氮射流装置和工业吸尘器配合清污，高压液氮射流气化后冷却并清洗刀盘，随后渣土从出渣口132被吸尘器强力吸出方便后续掘进循环，此外高压液氮管路4还可以冷却电机、液压泵和液压马达12。具体包括如下内容：

如图1至图5所示，一种基于微型液压马达12的开挖机械臂，包括：刀盘装置1、多节柔性转向装置2、液压管路3；

刀盘装置1安装在多节柔性转向装置2的移动端，刀盘装置1包括：滚刀组件11、液压马达12和第一壳体13，液压马达12安装在第一壳体13的腔体中；液压马达12的输出端与滚刀组件11连接；

在直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1直线开挖，多节柔性转向装置2支持同步步进移动或异步步进移动；

在非直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1进行小角度变向开挖或大角度转向开挖；

在小角度变向开挖的过程中，小角度β变向的范围为：-10°≤β≤10°；

在大角度转向开挖过程中，大角度α转向的范围为：-90°＜α＜-10°或10°＜α＜90°；

液压管路3与液压马达12接通。

其中，本发明中的滚刀组件11的具体结构为现有技术，滚刀为米字形结构，例如公开号为“CN210003286U”的一种滚刀径向位置可调的TBM刀盘中提到的刀盘，本发明驱动刀盘转动的动力为液压马达12，滚刀组件11中的刀盘是一体成型的高合金钢，其中设置了米字型刀槽以镶嵌滚刀，滚刀也均为耐磨抗冲击的高合金钢，刀具采用金属密封的形式，从而防止灰尘和其他杂质的进入，并对刀具内部进行润滑，机械臂进行挖掘工作时，装有刀具的旋转刀盘抵住掌子面，通过滚刀旋转剪切。液压马达12是一种微型高扭矩摆线液压马达12，动力稳定高效且可以伺服控制，区别于传统的电机驱动式TBM试验机，还具有体积小、重量轻、结构简单、工艺性好、耐冲击和惯性小等优点。

优选的一种实施方式，多节柔性转向装置2包括结构相同的第一节足21、第二节足22和第三节足23；刀盘装置1、第一节足21、第二节足22和第三节足23依次连接；第一节足21的一端与第一壳体13的端侧连接，第一节足21的另一端与第二节足22的一端连接，第二节足22的另一端与第三节足23的一端连接。

第一节足21包括：第二壳体203、微型液压站202和四个移动足201；微型液压站202安装在第二壳体203的腔体内，微型液压站202为四个移动足201提供动力；

四个移动足201的一端均匀环周分布安装在第二壳体203的侧端表面，相对的两个移动足201连线，四个移动足201呈十字分布；

其中，第一节足21的移动足201的一端与第一壳体13的侧端连接，第一节足21的另一端与第一节足21的第二壳体203的一侧端连接；

第二节足22的移动足201的一端与第一节足21的第二壳体203的另一侧端连接，第二节足22的移动足201的另一端与第二节足22的第二壳体203的一侧端连接；

第三节足23的移动足201的一端与第二节足22的第二壳体203的另一端侧连接，第三节足23的移动足201的另一端与第三节足23的第二壳体203的一端侧连接。

优选的一种实施方式，移动足201包括前臂油缸2011、后臂油缸2012和盾体2013；

同一节足的微型液压站202分别与同一节足内的前臂油缸2011和同一节足内的后臂油缸2012接通；在同一移动足201内，前臂油缸2011的移动端和后臂油缸2012的移动端安装在盾体2013上，前臂油缸2011、后臂油缸2012和盾体2013形成金字塔结构，盾体2013为顶点；第一节足21的前臂油缸2011的固定端安装在第一壳体13的一侧端，第一节足21的后臂油缸2012的固定端安装在第二壳体203的一侧端；第二节足22的前臂油缸2011的固定端安装在第一节足21的第二壳体203的另一侧端，第二节足22的后臂油缸2012的固定端安装在第二节足22的第二壳体203的一侧端；第三节足23的前臂油缸2011的固定端安装在第二节足22的第二壳体203的另一侧端，第三节足23的后臂油缸2012的固定端安装在第三节足23的第二壳体203一侧端；前臂油缸2011和后臂油缸2012通过轴承安装在待安装位置。

前臂油缸2011和后臂油缸2012是一种主动伸缩并可以液压锁死的油缸，连接关节处具有转向自由度并可以锁定角度；盾体2013是一种盾形支撑钢板，表面可作金字塔形阵列处理增大表面粗糙度并可以嵌进围岩防止脱落；后臂油缸2012是一种被动伸缩且可以液压锁死的油缸。

其中，盾体2013上对称设置有连接耳座，前臂油缸2011和后臂油缸2012的活塞杆端部分别与对应的连接耳座铰接。盾体2013为盾形支撑钢板，外表面作立锥形阵列处理增大表面粗糙度并可以嵌进围岩防止脱落，增大支撑点的稳定性。

以直线开挖为例，主要具备两种运动模式，分别为同步步进运动和异步-步进运动。主要涉及四种动作模式，分别为准备动作、起步动作、步进动作和换步动作，第一节足21、第二节足22和第三节足23的单组节足走足动作模式包括：

准备动作：默认全部盾体2013已与围岩预接触，若未接触，未接触的盾体2013对应的前臂油缸2011和对应的后臂油缸2012同时伸长活塞杆并相对于主轴张开角度直至未接触的盾体2013嵌入围岩，其中，主轴为多节柔性转向装置2的纵向中心轴；

起步动作：默认全部盾体2013已与围岩预接触，盾体2013处于放松状态，盾体2013对应的前臂油缸2011收缩活塞杆并张开至最大角度同时带动对应的后臂油缸2012的活塞杆伸长并缩小角度，此时，盾体2013贴着围岩前移直至达到前臂油缸2011张角限位，盾体2013固定并维持反力点；

步进动作：维持现阶段的盾体2013的反力点位置不变；

若后一节足的第二壳体203无前进需求，则锁死本节足的后臂油缸2012，同时，本节足的前臂油缸2011加压伸长活塞杆并轴向带动刀盘装置1向前蠕动；

其中，若当前节足为第一节足21，后一节足为第二节足22，若当前为第二节足22，后一节足为第三节足23，若当前节足为第三节足23，无后一节足；

若后一节足的第二壳体203有前进需求，则本节足的后臂油缸2012同时加压并带动后一节足的第二壳体203壳体前进；

步进动作的具体运动为：维持盾体2013反力点位置不变，如后一节第二壳体203无前进需求，则本节足锁死后臂油缸2012，锁死的后臂油缸2012和对应的固定盾体2013位置强制锁紧钻进姿态，消除主体滚动，降低机器振动，并为前臂油缸2011液压顶进提供反力点；同时前臂油缸2011加压伸长前活塞杆，侧向加强支撑的同时轴向带动刀盘装置1向前蠕动，随着蠕动前臂油缸2011收小角度；如后一节第二壳体203壳体有前进需求，则后臂油缸2012同时加压，但其活塞杆压力水平分量小于后一节壳体前臂油缸2011的活塞杆压力水平分量，即可在固定盾体2013位置不变的情况下强制锁紧钻进姿态，同时令后一节壳体前进。根据实际情况判断后一节第二壳体203是否有前进需求，另外，第三节足23无后一节第二壳体203，所以判断结果为后一节第二壳体203无前进需求。

换步动作：解除全部盾体2013锁定，后臂油缸2012的活塞杆伸长并收小角度直至对应的前臂油缸2011张角限位，盾体2013固定并维持反力点，具体原理为：油缸先卸压解除盾体2013锁定，如后臂油缸2012锁定则解除锁定，收缩前臂油缸2011活塞杆张开至最大角度，使对应盾体2013解除固定，带动后臂油缸2012的活塞杆伸长并收小角度，直至前臂油缸2011张角限位，然后固定好盾体2013维持反力点。

如图6所示，在直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1直线开挖，多节柔性转向装置2支持同步步进移动，其中，完成一次的同步步进移动步骤包括：

S101、第一节足21、第二节足22和第三节足23进入准备动作；

S102、第一节足21、第二节足22和第三节足23同时执行一次起步动作，保持每个盾体2013的反力点位置不变，留出钻进量程；

S103、第一节足21同步进行一次步进动作，此时，第一节足21的盾体2013反力点不变，启动刀盘装置1进行破岩；

S104、刀盘装置1暂停掘进，第二节足22和第三节足23同步跟随第一节足21执行一次步进动作，第二节足22和第三节足23分别保持本节足的反力点位置不变；

S105、第一节足21、第二节足22和第三节足23同步执行一次换步动作，每个盾体2013的反力点整体前移，完成一次同步步进。

同步步进移动的具体原理为：先检查准备动作；然后每个节足都同步执行一次起步动作，保持盾体2013反力点不变，并留出钻进量程；接着第一节足21先同步进行一次步进动作，保持盾体2013反力点不变，启动刀盘装置1破岩，整个机械臂随之蠕动；接着暂停刀盘装置1掘进，第二节足22和第三节足23同步跟随一次步进动作，保持盾体2013反力点不变，本机械臂的其余关节整体蠕动；最后每个节足执行同步换步，将盾体2013反力点整体前移，反复执行换步-步进循环即可实现同步换步-步进运动。特点是每一节走足同步工作，换步操作需要暂停刀盘，整体上是断续蠕动。

如图7所示，在直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1直线开挖，多节柔性转向装置2支持异步步进移动，其中，异步步进移动步骤包括：

S201、第一节足21、第二节足22和第三节足23进入准备动作；

S202、第一节足21、第二节足22和第三节足23同时执行一次起步动作，保持每个盾体2013的反力点位置不变，留出钻进量程；

S203、第一节足21、第二节足22和第三节足23同步执行一次步进动作，保持各个盾体2013的反力点不变，启动刀盘装置1进行破岩；

S204、第一节足21中的一个移动足201执行换步动作，第一节足21中的其他三个移动足201侧向支撑，同时，第二节足22中的一个移动足201执行换步动作，第二节足22中的其他三个移动足201侧向支撑，同时，第三节足23中的一个移动足201执行换步动作，第三节足23中的其他三个移动足201侧向支撑；

同时，刀盘装置1在对应的前臂油缸2011的活塞杆的行程余量的范围内继续支撑顶进；

S205、每个节足的每个移动足201轮流执行换步动作，同时，每个节足的另外三个移动足201侧向支撑，持续进行异步步进移动。

异步步进移动的具体原理为：先检查准备动作；然后每个节足都同步执行一次起步动作，保持盾体2013反力点不变，并留出钻进量程；接着每个节足同步进行一次步进动作，保持盾体2013反力点不变，启动刀盘装置1破岩，本机械臂随之蠕动；接着每个节足同时控制各自一组移动足201执行换步操作，一般两节相邻四足的换步走足选取策略为：交错对向，每节四足由步进的其他三足侧向加强支撑，刀盘装置1在前臂油缸2011活塞杆行程余量范围内继续支撑顶进；最后每个节足都保持掘进的同时轮流进行换步-步进循环，实现连续掘进的异步换步-步进运动。特点是每一节移动足201轮流换步-步进工作，换步无需暂停刀盘，整体上是连续蠕动。

优选的一种实施方式，在非直线隧道开挖中，第一节足21、第二节足22和第三节足23的每个节足的走足动作模式包括：

转向变角动作：第一节足21、第二节足22和第三节足23的后臂油缸2012全部锁死，启动刀盘装置1进行破岩；在转向的平面上（这里的“在转向的平面上”是指在指定节足在转向时，该节足的头和该节足的尾所在平面，如图8和图9中，本机械臂在围岩内变向和转向所在的平面），转向内径对应的移动足201的前臂油缸2011的活塞杆伸长并张开角度，转向外径对应的移动足201的前臂油缸2011的活塞杆伸长并收小角度；解锁其余两组移动足201的前臂油缸2011连接关节的转向自由度，同时，其余两组移动足201的活塞杆伸长并收小角度，第一壳体13完成转向变角；

转向变角动作的具体原理为：确认盾体2013位置且锁死后臂油缸2012后，启动刀盘装置1破岩，转向平面内，转向内径对应的走足前臂油缸2011活塞杆伸长并张开角度，转向外径对应的走足前臂油缸2011活塞杆伸长并收小角度，非转向平面内，解锁剩余两组走足前臂油缸2011连接关节与壳体的转向自由度，且活塞杆伸长并收小角度，最后完成第一壳体13的转向变角。

转向换步动作：刀盘装置1暂停破岩，解除盾体2013的锁定，前臂油缸2011的活塞杆张开至最大角度，后臂油缸2012的活塞杆伸长并收小角度，盾体2013前移，直至前臂油缸2011的张角限位，调整盾体2013姿态并维持反力点位置不变。

转向换步动作的具体原理为：暂停刀盘装置1破岩，油缸先卸压解除盾体2013锁定，如后臂油缸2012锁定则解除锁定，然后解锁非转向平面内两组走足后臂油缸2012连接关节与壳体的转向自由度，接着收缩四足前臂油缸2011活塞杆张开至最大角度，使对应盾体2013解除固定，带动后臂油缸2012的活塞杆伸长并收小角度，以同时带动盾体2013前移，直至前臂油缸2011张角限位，然后调整盾体2013姿态维持反力点。

如图8所示，在非直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1进行小角度变向开挖的步骤包括：

S301、第一节足21、第二节足22和第三节足23进入准备动作；

S302、第一节足21、第二节足22和第三节足23同步执行一次起步动作，盾体2013保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S303、第一节足21执行一次转向变角动作，第一节足21的盾体2013保持反力点不变，启动刀盘装置1转向；

S304、第一节足21执行一次转向换步动作，第二节足22和第三节足23跟随第一节足21执行一次步进动作；

S305、完成单次小角度变向。

小角度变向开挖的原理为：单次可实现最大± 10°的角度调整，先检查准备动作；然后三个节足同步执行一次起步动作，保持盾体2013反力点不变，并留出钻进量程；随后第一节足21进行一次转向变角，保持盾体2013反力点不变，启动刀盘装置1破岩转向蠕动；接着第一节足21进行一次转向换步，同时第二节足22和第三节足23同步跟随一次步进动作，带动机械臂其余关节整体蠕动；每个节足依次执行变角-换步，将盾体2013反力点整体前移，即可实现小角度变向。特点整体上是断续转向蠕动，每个节足只进行一次小角度变向。

如图9所示，在非直线隧道开挖中，多节柔性转向装置2支持带动刀盘装置1进行大角度转向开挖的步骤包括：

S401、第一节足21、第二节足22和第三节足23进入准备动作；

S402、第一节足21、第二节足22和第三节足23同步执行一次起步动作，盾体2013保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S403、第一节足21执行一次转向换步动作，第二节足22和第三节足23跟随第一节足21同步执行一次步进动作；

S404、循环执行S403直至完成大角度转向。

大角度转向开挖的原理为：可实现± 10°~90°的角度调整，先检查准备动作；然后三个节足同步执行一次起步动作，保持盾体2013反力点不变，并留出钻进量程；接着第一节足21进行一次转向换步，同时第二足和第三节足23同步跟随一次步进动作，带动机械臂其余关节整体蠕动；最后三个节足依次进行变角-换步循环，将盾体2013反力点整体前移，反复执行变角-换步循环即可实现大角度转向。特点整体上是连续转向蠕动，三个节足依次连续进行小角度变向，实现大角度转向开挖。

本机械臂还包括：高压液氮管路4、吸尘出渣管路5；高压液氮管路4纵向依次贯穿每个节足的第二壳体203的侧壁，高压液氮管路4的出口端与第一壳体13上的高压喷嘴131接通；吸尘出渣管路5纵向依次贯穿每个节足的第二壳体203的侧壁，吸尘出渣管路5的进口与第一壳体13上的出渣口132连通；液压管路3设置有两根，每根液压管路3的进口端设置稳压调流阀31。利用高压液氮管路4和吸尘出渣管路5配合清污，高压液氮运输到第一节壳体前端后，通过喷嘴131同步射出，高压液氮射流气化后冷却并清洗滚刀；随后渣土、粉尘从圆盘上的出渣口132汇集到吸尘出渣管路5中，由液氮高压和工业吸尘器负压形成风道回路，强力吸出渣土方便后续掘进循环；此外电机、液压泵和液压马达12等高功耗运作时大量产热，机体温度过高将影响工作性能，因此高压液氮管路4可以通过分布式散热铜管来冷却电机、液压泵和液压马达12，巧妙布置高压液氮管路4可以有效冷却驱动部件提高掘进稳定性，其中，喷嘴131、吸尘出渣管路5、高压液氮管路4和出渣口132的数量彼此适配且根据实际需求设计数量，本发明的喷嘴131可设置三个，也可设置一个。

本发明选用了动力稳定高效且可以伺服控制的液压马达12集成在机械臂前端，并配备适合微型开挖的耐磨滚刀，以及辅助破岩、冷却刀盘、减少灰尘的高压液氮射流装置，开挖效率高节约成本；本发明的多节柔性转向装置2利用四组移动足201和盾体2013组成的走足结构，既可以强制锁定钻进姿态为顶进提供反力点，并消除主体滚动，降低机器振动，又可以液压顶进，顶压刀盘提供接触压力，通过四足结构步进-换步循环，实现稳定连续钻进作业，提高了工作效率；本发明的基于多节柔性转向装置2的机械臂，各功能组件分布在各节机械臂中，有效缩短每节机械臂长度减小转弯半径，可控制机械臂的掘进方向并操控整体柔性转向，拓展了不同开挖路径；本发明利用高压液氮管路4和吸尘出渣管路5配合清污，高压液氮射流气化后冷却并清洗刀盘装置1，随后渣土从出渣口132被吸尘器强力吸出方便后续掘进循环，此外高压液氮管路4还可以冷却电机、液压泵和液压马达12，清洁环保的同时实现资源再利用。

本发明的机械臂另外配备智能信息感知系统，智能信息感知系统包括方便本机械臂克服复杂可视条件提高定位测距精度的超声波定位模块，多传感器的实时信息智能分析决策的智能响应模块，超声波定位模块为超声波探测器，在第一壳体13和第二壳体203都可安装，超声波定位模块使机械臂钻进过程中可实时测距定位，由于钻进过程中可视条件复杂且激光测距误差大，故采用超声波定位模块，可实现定位测距、姿态调整、轨迹跟踪、三维扫描等功能。定位测距功能主要基于超声波测距原理，根据超声波在固定工况下波速和激励-返回的时间差可以确定某一方向离岩壁的距离；姿态调整功能是先感知机械臂当前位置和姿态是否在预定位置，然后动态调整四足支撑顶进系统，矫正并稳定钻进姿态；轨迹跟踪功能是连续时间内记录机械臂的位置变化，从而实现轨迹跟踪从而绘制三维钻进轨迹；三维扫描是将超声波回声以灰阶的形式显示，形成岩爆孕育位置的二维动态实时图像，并通过超声探头扫查平面的移动而获取的大量连续二维断面图，在获取大量的二维图像数据后，便可形成三维立体图像数据库。智能响应模块，基于深度学习和智能控制技术，根据地质环境要素和多传感器信息采集分析生成数字孪生模型并作出最优决策，矫正并稳定钻进姿态，此外基于各部件运行状态，实时调整液压马达12的稳压阀及调流阀、喷嘴131、吸尘出渣管路5等装置的运行功率，实现节能减排智能调控的功能。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，包括：刀盘装置、多节柔性转向装置和液压管路；

所述刀盘装置安装在所述多节柔性转向装置的移动端，所述刀盘装置包括：滚刀组件、液压马达和第一壳体，所述液压马达安装在所述第一壳体的腔体中；所述液压马达的输出端与所述滚刀组件连接；

在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持同步步进移动或异步步进移动；

在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行小角度变向开挖或大角度转向开挖；

在所述小角度变向开挖的过程中，小角度β变向的范围为：-10°≤β≤10°；

在所述大角度转向开挖过程中，大角度α转向的范围为：-90°＜α＜-10°或10°＜α＜90°；

所述液压管路与所述液压马达接通；

所述多节柔性转向装置包括结构相同的第一节足、第二节足和第三节足；

所述刀盘装置、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足依次连接；

所述第一节足的一端与所述第一壳体的端侧连接，所述第一节足的另一端与所述第二节足的一端连接，所述第二节足的另一端与所述第三节足的一端连接；

所述第一节足包括：第二壳体、微型液压站和四个移动足；

所述微型液压站安装在所述第二壳体的腔体内，所述微型液压站为四个移动足提供动力；

四个移动足的一端均匀环周分布安装在所述第二壳体的侧端表面，相对的两个移动足连线，四个移动足呈十字分布；

其中，所述第一节足的移动足的一端与所述第一壳体的侧端连接，所述第一节足的另一端与所述第一节足的第二壳体的一侧端连接；

所述第二节足的移动足的一端与所述第一节足的第二壳体的另一侧端连接，所述第二节足的移动足的另一端与所述第二节足的第二壳体的一侧端连接；

所述第三节足的移动足的一端与所述第二节足的第二壳体的另一端侧连接，所述第三节足的移动足的另一端与所述第三节足的第二壳体的一端侧连接；

所述移动足包括前臂油缸、后臂油缸和盾体；

同一节足的微型液压站分别与同一节足内的前臂油缸和同一节足内的后臂油缸接通；

在同一移动足内，所述前臂油缸的移动端和所述后臂油缸的移动端安装在所述盾体上，所述前臂油缸、后臂油缸和盾体形成金字塔结构，所述盾体为顶点；

所述第一节足的前臂油缸的固定端安装在所述第一壳体的一侧端，所述第一节足的后臂油缸的固定端安装在所述第二壳体的一侧端；

所述第二节足的前臂油缸的固定端安装在所述第一节足的第二壳体的另一侧端，所述第二节足的后臂油缸的固定端安装在所述第二节足的第二壳体的一侧端；

所述第三节足的前臂油缸的固定端安装在所述第二节足的第二壳体的另一侧端，所述第三节足的后臂油缸的固定端安装在所述第三节足的第二壳体一侧端；

其中，所述前臂油缸和所述后臂油缸通过轴承安装在待安装位置；

所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足的单组节足走足动作模式包括：

准备动作：默认全部盾体已与围岩预接触，若未接触，未接触的盾体对应的前臂油缸和对应的后臂油缸同时伸长活塞杆并相对于主轴张开角度直至未接触的盾体嵌入围岩，其中，主轴为所述多节柔性转向装置的纵向中心轴；

起步动作：默认全部盾体已与围岩预接触，所述盾体处于放松状态，所述盾体对应的前臂油缸收缩活塞杆并张开至最大角度同时带动对应的后臂油缸的活塞杆伸长并缩小角度，此时，所述盾体贴着围岩前移直至达到所述前臂油缸张角限位，盾体固定并维持反力点；

步进动作：维持现阶段的盾体的反力点位置不变；

若后一节足的第二壳体无前进需求，则锁死本节足的后臂油缸，同时，本节足的前臂油缸加压伸长活塞杆并轴向带动所述刀盘装置向前蠕动；

其中，若当前节足为第一节足，后一节足为第二节足，若当前为第二节足，后一节足为第三节足，若当前节足为第三节足，无后一节足；

若后一节足的第二壳体有前进需求，则本节足的后臂油缸同时加压并带动后一节足的第二壳体前进；

换步动作：解除全部盾体锁定，后臂油缸的活塞杆伸长并收小角度直至对应的前臂油缸张角限位，盾体固定并维持反力点。

2.根据权利要求1所述的基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持同步步进移动，其中，完成一次的同步步进移动步骤包括：

S101、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S102、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同时执行一次起步动作，保持每个盾体的反力点位置不变，留出钻进量程；

S103、第一节足同步进行一次步进动作，此时，第一节足的盾体反力点不变，启动所述刀盘装置进行破岩；

S104、所述刀盘装置暂停掘进，所述第二节足和第三节足同步跟随所述第一节足执行一次步进动作，所述第二节足和所述第三节足分别保持本节足的反力点位置不变；

S105、所述第一节足、所述第二节足和第三节足同步执行一次换步动作，每个盾体的反力点整体前移，完成一次同步步进。

3.根据权利要求1所述的基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，在直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置直线开挖，所述多节柔性转向装置支持异步步进移动，其中，所述异步步进移动步骤包括：

S201、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入所述准备动作；

S202、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同时执行一次起步动作，保持每个盾体的反力点位置不变，留出钻进量程；

S203、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次步进动作，保持各个盾体的反力点不变，启动所述刀盘装置进行破岩；

S204、所述第一节足中的一个移动足执行换步动作，所述第一节足中的其他三个移动足侧向支撑，同时，所述第二节足中的一个移动足执行换步动作，所述第二节足中的其他三个移动足侧向支撑，同时，所述第三节足中的一个移动足执行换步动作，所述第三节足中的其他三个移动足侧向支撑；

同时，所述刀盘装置在对应的前臂油缸的活塞杆的行程余量的范围内继续支撑顶进；

S205、每个节足的每个移动足轮流执行换步动作，同时，每个节足的另外三个移动足侧向支撑，持续进行异步步进移动。

4.根据权利要求1所述的基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，在非直线隧道开挖中，所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足的每个节足的走足动作模式包括：

转向变角动作：所述第一节足、第二节足和第三节足的后臂油缸全部锁死，启动所述刀盘装置进行破岩；在转向的平面上，转向内径对应的移动足的前臂油缸的活塞杆伸长并张开角度，转向外径对应的移动足的前臂油缸的活塞杆伸长并收小角度；解锁其余两组移动足的前臂油缸连接关节的转向自由度，同时，所述其余两组移动足的活塞杆伸长并收小角度，所述第一壳体完成转向变角；

转向换步动作：所述刀盘装置暂停破岩，解除盾体的锁定，所述前臂油缸的活塞杆张开至最大角度，所述后臂油缸的活塞杆伸长并收小角度，所述盾体前移，直至所述前臂油缸的张角限位，调整所述盾体姿态并维持反力点位置不变。

5.根据权利要求4所述的基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行小角度变向开挖的步骤包括：

S301、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S302、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次起步动作，所述盾体保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S303、所述第一节足执行一次转向变角动作，所述第一节足的盾体保持反力点不变，启动所述刀盘装置转向；

S304、所述第一节足执行一次转向换步动作，所述第二节足和所述第三节足跟随所述第一节足执行一次步进动作；

S305、完成单次小角度变向；

在非直线隧道开挖中，所述多节柔性转向装置支持带动所述刀盘装置进行大角度转向开挖的步骤包括：

S401、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足进入准备动作；

S402、所述第一节足、所述第二节足和所述第三节足同步执行一次起步动作，所述盾体保持反力点的位置不变，留出钻进量程；

S403、所述第一节足执行一次转向换步动作，所述第二节足和所述第三节足跟随所述第一节足同步执行一次步进动作；

S404、循环执行S403直至完成大角度转向。

6.根据权利要求1所述的基于微型液压马达的开挖机械臂，其特征在于，还包括：高压液氮管路、吸尘出渣管路；

所述高压液氮管路纵向依次贯穿每个节足的第二壳体的侧壁，所述高压液氮管路的出口端与所述第一壳体上的高压喷嘴接通；

所述吸尘出渣管路纵向依次贯穿每个节足的第二壳体的侧壁，所述吸尘出渣管路的进口与所述第一壳体上的出渣口连通；

所述液压管路设置有两根，每根液压管路的进口端设置稳压调流阀。

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