CN117565089A - 一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，包括机器人底座、机身以及末端执行器；机身设置在机器人底座上，机身包括平移机构、升降机构、微调机构、双向转动机构和手腕机构；手腕机构用于带动末端执行器沿机器人底座长度方向移动以及带动末端执行器转动；末端执行器包括夹爪以及套筒扳手。本发明能实现大直径盾构机刀盘换刀区域全覆盖，该换刀机器人适用于盾构机刀盘狭长的空间作业环境，在拆装滚刀时不依赖于一体化刀座结构，末端负载小，自动化程度高，有效代替人工换刀，提高盾构法施工效率。

Description

一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人

技术领域

本发明涉及一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，属于机器人结构设计领域。

背景技术

隧道掘进机是一种集机、电、液、光、控等于一体的大型复杂隧道掘进装备，为我国的水利水电、交通、国防安全筑造坚实的壁垒，是名副其实的大国重器。盾构机主要以软岩、泥土、砂石为掘进对象，用于地铁、海底隧道等市政工程。隧道掘进机在开挖过程中，主要靠滚刀与岩石的挤压切削破岩，在重载、强冲击、泥浆浸泡等一系列恶劣的服役环境下，滚刀消耗量巨大，因此需要对滚刀进行频繁的更换。现工程中主要采用人工的方法进行滚刀更换，据统计，对于大直径的泥水盾构机，滚刀的数量达上百把单把滚刀重量达250kg，且每把滚刀更换的时间在四个小时以上，刀具更换的总时间占整个施工周期的30%以上，如此低的换刀效率严重影响隧道施工的进程，同时增加整个隧道施工的成本。更重要的是换刀工人在换刀过程面临刀盘前方高压高湿压力≥6bar、湿度≥90%、碎石跌落等复杂的环境，且长时间处于高压环境作业会对人体造成不可逆的损害，甚至出现人员伤亡等重大事故。据统计，隧道施工中的安全事故近70%与人工换刀直接相关。

常见换刀机器人由末端执行器和机身两部分组成。目前在换刀机器人领域,与完全人工换刀相比,虽然在一定程度上提高了换刀的效率,减轻了换刀工作人员的工作负担,但是,换刀机器人往往存在以下缺点：

（1）换刀机器人大多采用工业机器人的机身结构，所以换刀范围小，完全不能实现换刀机器人作业的产业化；

（2）缺少伸缩机构和左右移动机构对盾构机的刀盘停靠精度要求高且部分滚刀无法更换；

（3）人舱所在位置距离刀盘中心较远，距离刀盘中心较近的滚刀换刀空间狭长，机器人结构刚度难以保证，换刀难度很大；

（4）盾构机停转时受到装配误差，机械传动误差与液压系统爬行现象等因素的影响，导致产生停转误差，为换刀任务增加难度。

针对泥水盾构的人工换刀严重威胁了换刀工人的生命安全，且国内外对于盾构换刀机器人的研究尚不成熟，均未实现隧道施工的正式使用。当面临高压、高湿、腐蚀等极端作业环境时，“检测难、换刀险”成为国际公认的行业难题。

发明内容

本发明针对盾构施工中采用人工换刀的低效率、高难度、高风险的问题，提出了一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，以提高盾构换刀作业的效率和安全性，推动盾构施工自动化，实现盾构施工少人化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，包括机器人底座、机身以及末端执行器；

所述机器人底座用于设置在盾构机的人舱内，机器人底座从盾构机的人舱入口向盾构机的刀头方向延伸设置；

所述机身设置在机器人底座上，机身包括平移机构、升降机构、微调机构、双向转动机构和手腕机构；

所述平移机构可带动机身沿机器人底座长度方向移动，平移机构通过升降机构、微调机构、双向转动机构以及手腕机构与末端执行器连接，所述升降机构、微调机构、双向转动机构、手腕机构以及末端执行器沿机器人底座的长度方向依次设置；

所述升降机构用于驱动机身高度调整；

所述微调机构用于驱动末端执行器沿机器人底座宽度方向移动；

所述双关节转动机构用于驱动末端执行器沿机器人底座宽度方向摆动以及沿高度方向摆动；

所述手腕机构的一端与末端执行器连接，手腕机构用于带动末端执行器沿机器人底座长度方向移动以及带动末端执行器转动；

所述的末端执行器包括夹爪以及套筒扳手，夹爪通过夹爪驱动机构驱动其开合，套筒扳手通过套筒驱动机构带动其转动。

作为本发明的优选，所述的平移机构包括移动导轨，在移动导轨上设置有滚轮；在所述的机器人底座上设置有固定导轨，所述的滚轮设置在所述的固定导轨上；在所述的移动导轨上还设置有驱动齿轮，在所述的机器人底座上设置有与所述驱动齿轮啮合的齿条，所述的驱动齿轮通过马达带动其转动。

作为本发明的优选，所述起升机构包括起升油缸、连接架、机头架以及两个连杆架；所述两个连杆架分别与连接架以及机头架铰接，所述机头架、两个连杆架以及连接架构成平行四边形结构；所述的起升油缸一端与平移机构连接，另一端与所述的机头架连接。

作为本发明的优选，所述微调机构包括微调滑板、微调伸缩油缸；微调滑板与机头架连接，并可在所述机头架上滑动，所述的微调伸缩油缸设置在所述机头架上，所述微调伸缩油缸与所述的微调滑板连接，驱动所述微调滑板沿机器人底座的宽度方向滑动。

作为本发明的优选，所述双向转动机构包括第一螺旋液压旋转油缸、旋转马达固定座、螺旋液压摆动油缸托板、摆动油缸固定座和第二螺旋液压摆动油缸；第一螺旋液压旋转油缸一端固定在微调滑板上，且通过两个旋转油缸固定座与螺旋液压摆动油缸托板连接；第二螺旋液压摆动油缸与所述螺旋液压摆动油缸托板连接；所述第一螺旋液压旋转油缸与第二螺旋液压摆动油缸为垂直方向设置。

作为本发明的优选，所述手腕机构包括换刀直角臂、多个伸缩臂、伸缩臂液压缸、执行器旋转油缸、执行器连接板以及执行器摆动油缸；所述的换刀直角臂与所述的第二螺旋液压摆动油缸的两端连接；所述的伸缩臂液压缸用于驱动所述伸缩臂展开或缩回，在最靠近末端执行器一端的伸缩臂上连接有执行器旋转油缸，所述的执行器旋转油缸与执行器连接板连接，在执行器连接板上还设置有执行器摆动油缸，所述的执行器摆动油缸用于与末端执行器连接，驱动末端执行器旋转。

作为本发明的优选，所述的伸缩臂包括第一段伸缩臂、第二段伸缩臂、第三段伸缩臂以及第四段伸缩臂；各段伸缩臂之间为相互套设设置，各段伸缩臂之间通过滑槽和滑轨连接，所述的伸缩臂液压缸设置在第四段伸缩臂内部，伸缩臂液压缸的一端与第四段伸缩臂连接。

作为本发明的优选，所述的多个伸缩臂的截面均为矩形结构。

作为本发明的优选，所述的套筒驱动机构包括齿轮箱，齿轮箱通过吊耳与所述的执行器摆动油缸连接；所述的夹爪和套筒扳手分别设置在齿轮箱长度方向的两侧。

作为本发明的优选，所述的齿轮箱上还设置有末端二级伸缩臂，所述的末端二级伸缩臂与所述的夹爪连接，末端二级伸缩臂可驱动所述的夹爪沿齿轮箱长度方向伸缩。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

（1）本发明提供的技术方案能实现大直径盾构机刀盘换刀区域全覆盖，该换刀机器人适用于盾构机刀盘狭长的空间作业环境，在拆装滚刀时不依赖于一体化刀座结构，末端负载小，自动化程度高，有效代替人工换刀，提高盾构法施工效率。

（2）本发明在结构上主要由机器人底座、平移机构、升降机构、微调机构、双向转动机构和手腕机构和末端执行器依次组成。在安装过程中可以按所述顺序进行安装，适用于在盾构机狭窄空间内进行安装。同时,考虑到特殊的TBM内部结构,可以在盾构机外部完成本发明的装配后,将所述机构送入盾构机人舱。

（3）本发明的起升机构采用并联双转动关节的形式，具有结构紧凑、刚度大以及承载能力大的特点，保证末端姿态的同时提高结构刚度，保证刚度的前提下，降低自身质量。

（4）本发明的双向转动机构在双轴组合的基础上设计换刀机器人的相应关节，双轴组合和直角机架的结合能够使连杆水平或垂直于刀盘，使得末端执行器可以垂直于刀盘盘面，实现对刀盘上不同位置的滚刀的更换任务，减小刀盘停转误差对换刀的影响。

（5）本发明的手腕机构适用于换刀机器人所处的环境为狭长的作业空间，伸缩臂整体长度变化范围大，内部结构包括导轨以导向、绳排以伸缩、液压缸以驱动，绳排驱动式驱动形式结构紧凑且可以实现无级伸缩。

（6）本发明所设计具有四个自由度的末端执行器解决了盾构刀盘中心位置狭窄空间和大厚度刀盘导致滚刀难以夹取的问题，实现了刀箱螺栓快速拆装和滚刀准确夹取。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明涉及的机器人底座结构示意图；

图3为本发明涉及的平移机构示意图；

图4为本发明涉及的升降机构示意图；

图5为本发明涉及的微调机构示意图；

图6为本发明涉及的双向转动机构示意图；

图7为本发明涉及的手腕机构示意图；

图8为本发明涉及的三级伸缩臂结构剖面图；

图9为本发明涉及的末端执行器机构示意图；

图10为本发明的换刀机器人待机状态下位置示意图；

图11为本发明的换刀机器人在拆卸底部刀具时的示意图；

图中：1.机器人底座；1-1.齿条；1-2.固定导轨；1-3.机器人底座支架；2.平移机构；2-1.移动导轨；2-2.导轨液压马达；2-3.滚轮；2-4.导轨横梁；2-5.配重块；3.升降机构；3-1.起升油缸；3-2.连杆架；3-3.机架；3-4机头架；4.微调机构；；4-1.微调滑板；4-2.微调伸缩油缸； 5.双向转动机构；5-1.第一螺旋液压旋转油缸；5-2.旋转马达固定座；5-3.螺旋液压摆动油缸托板；5-4.摆动油缸固定座；5-5.第二螺旋液压摆动油缸；6.手腕机构；6-1.执行器摆动油缸；6-2.执行器连接板；6-3.第一段伸缩臂；6-4.第二段伸缩臂；6-5.第三段伸缩臂；6-6.第四段伸缩臂；6-7.换刀直角臂；6-8.三级伸缩臂；6-9.执行器旋转油缸；6-10.伸缩臂液压缸；6-11.伸缩臂液压缸定位销；7.末端执行器；7-1.夹爪；7-2.液压缸；7-3.末端二级伸缩臂；7-4.液压马达；7-5.齿轮箱；7-6.套筒扳手；8.气泡舱；9.前中盾；10.人舱；11.换刀机器人；12.刀盘。

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。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。

本发明的结构具有一定的适应性，可根据不同盾构机的开挖直径和结构尺寸以及人舱和刀盘处的换刀空间进行组合装配。现结合上述各附图，提出一种适用于大直径盾构机的液压驱动式九自由度换刀机器人在执行滚刀更换的实施案例。

参照图1到图11，本实施例公开了一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，由机器人底座1、机身和末端执行器7三个部分组成。

机器人底座1用于设置在盾构机的人舱10内，机器人底座1沿着人舱10向盾构机的刀盘方向铺设，机器人底座1由齿条1-1、固定导轨1-2和机器人底座支架1-3组成；齿条1-1安装在固定导轨1-2上，齿条1-1以及固定导轨1-2都是沿着沿着人舱10向盾构机的刀盘方向设置的。

机身包括平移机构2、升降机构3、微调机构4、双向转动机构5和手腕机构6，共由八个关节组成。

第一个关节为移动关节，如图3所示，平移机构2由移动导轨2-1、导轨液压马达2-2、滚轮2-3、中间槽钢2-4和配重块2-5组成。移动导轨2-1设置有两组，两组移动导轨2-1之间通过中间槽钢2-4连接。

齿轮由导轨液压马达2-2驱动，导轨液压马达2-2固定在移动导轨2-1上，齿轮通过轴安装在液压马达2-2上，通过左右共四个导轨液压马达2-2与固定导轨1-2上的齿条1-1啮合驱动移动导轨2-1做平移运动。

第二关节为转动关节，如图4所示，起升机构3包括两个起升油缸3-1、连杆架3-2、连接架3-3和机头架3-4，连接架3-3通过焊接方式与移动导轨2-1连接。两个连杆架3-3分别与连接架3-3以及机头架3-4铰接，两个连杆架3-2、连接架3-3和机头架3-4构成一个平行四边形的结构。起升油缸3-1的两端为双耳环结构，通过销轴与中间槽钢2-4、机头架3-4连接。连接架3-3的主要作用为将机身整体固定在移动导轨2-1上。由两个起升油缸3-1驱动该关节执行俯仰运动，该关节的主要作用是控制机身整体的高度，避免与盾体内部结构发生碰撞。

第三关节为滑动关节，如图5所示，微调机构由微调滑板4-1、微调伸缩油缸4-2组成；微调滑板4-1与机头架3-4通过矩形槽导轨连接，由一个微调伸缩油缸4-2驱动，微调伸缩油缸4-2的本体固定在前端机头架3-4上，通过螺栓与后端微调滑板4-1相互连接，该关节的主要作用为控制后端机械臂的左右移动，减小刀盘停转误差对换刀的影响。

如图6所示，双向转动关节由第四关节和第五关节组成，包括第一螺旋液压旋转油缸5-1、旋转马达固定座5-2、螺旋液压摆动油缸托板5-3、摆动油缸固定座5-4和第二螺旋液压摆动油缸5-5。

第四关节为转动关节，通过第二螺旋液压摆动油缸5-5与前后端机架相互连接，连接方式均为螺栓，第二螺旋液压摆动油缸5-5驱动后端机械臂等本体结构进行旋转运动，该关节的主要作用为控制后端机械臂在换刀平面内的大角度旋转运动，以实现对刀盘上不同位置的滚刀的更换任务。

第五关节为转动关节，通过第一旋转油缸5-1与前后机架相互连接，连接方式均为螺栓连接，第一旋转油缸5-1驱动后端机械臂的旋转运动，该关节的主要作用为通过控制机械臂旋转，减小刀盘停转误差对换刀的影响。

如图7所示，手腕机构6由第六关节、第七关节和第八关节组成，包括换刀直角臂6-7、第一段伸缩臂6-3、第二段伸缩臂6-4、第三段伸缩臂6-5、第四段伸缩臂6-6、伸缩臂液压缸6-10、伸缩臂液压缸定位销6-11、执行器旋转油缸6-9、执行器连接板6-2和执行器摆动油缸6-1。

参照图7和图8，第六关节为滑动关节，包括第一段伸缩臂6-3、第二段伸缩臂6-4、第三段伸缩臂6-5以及第四段伸缩臂6-6；各段伸缩臂之间为相互套设设置，本实施例中，各段伸缩臂的截面均为矩形状。各段伸缩臂之间通过滑槽和滑轨连接，伸缩臂液压缸6-10设置在第四段伸缩臂6-6内部，伸缩臂液压缸6-10的一端与第四段伸缩臂6-6之间通过伸缩臂液压缸定位销6-11连接，从而构成了三级伸缩臂结构6-8。

三级伸缩臂结构6-8可适应中心滚刀距离较远的情况，三级伸缩臂结构6-8整体长度变化范围为1250-3065mm。三级伸缩臂结构6-8共四节，伸缩臂伸缩时后三节活动臂同时伸缩伸。该关节的主要作用为协助末端执行器7运动到刀盘12中心或边缘等较深的预换刀位置，以解决换刀空间狭窄而机器人本体较大导致执行器无法运动到指定位置的问题。

第七关节为转动关节，通过执行器旋转油缸6-9组件以螺栓连接方式连接执行器摆动油缸6-9与第一伸缩臂6-3（最前端伸缩臂）。本实施例中，执行器旋转油缸6-9一端与第一伸缩臂6-3固定连接，一端与执行器连接板6-2连接，执行器连接板6-2上用于固定执行器摆动油缸6-1。机器人更换滚刀时，末端执行器7背部的液压扳手拆卸螺栓后，需将末端执行器旋转180°之后用夹爪抓取滚刀。

第八关节为转动关节，通过执行器摆动油缸6-1组件以螺栓连接方式连接末端执行器7与三级伸缩臂结构6-8。本实施例中，执行器摆动油缸6-1固定在执行器连接板6-2上，从而实现与三级伸缩臂结构6-8的连接。执行器摆动油缸6-1的两个输出端与末端执行器7连接，用来驱动末端执行器7摆动。

该关节的主要作用为调整末端执行器抓刀姿态到一个较好的受力状态，并且在换刀机器人停止工作时调整末端执行器7角度，将末端执行器7缩回至直角臂6-7弯处，减小换刀机器人处于待机状态时的长度。

参照图9，末端执行器7由夹爪7-1、mini液压缸7-2、末端二级伸缩臂7-3、液压马达7-4、齿轮箱7-5和套筒扳手7-6组成。

齿轮箱7-5长度方向的两侧分别设置有夹爪7-1和套筒扳手7-6，齿轮箱7-5上还连接有液压马达7-4，液压马达7-4用于驱动齿轮箱7-5，齿轮箱7-5输出端连接有两个套筒扳手7-6，通过液压马达7-4驱动齿轮箱7-5，驱动齿轮箱7-5内的齿轮带动套筒扳手7-6转动，从而调节刀座螺栓松紧。

夹爪7-1通过mini液压缸7-2驱动，通过mini液压缸7-2伸缩实现夹爪7-1夹取滚刀。齿轮箱7-5上还固定有末端二级伸缩臂7-3，末端二级伸缩臂7-3与夹爪7-1连接，末端二级伸缩臂7-3可带动夹爪向远离或者靠近齿轮箱7-5的方向移动。

齿轮箱7-5上设置有吊耳，吊耳用于与执行器摆动油缸6-1的输出端连接。在执行器摆动油缸6-1的驱动下，末端执行器7能够绕摆动油缸6-1中心线旋转，以实现角度的调节。

以更换刀盘中心位置滚刀为例，本实施例的一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人换刀过程可以分为以下几个步骤：

（1）换刀机器人初始位姿如图10所示，刀盘12旋至换刀工位后，换刀机器人舱10升压至工作压力，机器人舱门打开；

（2）导轨液压马达2-2驱动齿轮，使机器人沿固定导轨从人舱10平移至换刀区域；

（3）向执行器摆动油缸6-1中注油，使得末端执行器7转动90°；

（4）向双向转动机构5中的第一螺旋液压旋转油缸5-1和第二螺旋液压摆动油缸5-5中注油，所述液压处于推程状态。此时，使换刀伸缩臂（也就是三级伸缩臂6-8）相对于机头架3-4做上下俯仰和旋转运动，如图11姿态所示，使得机械臂沿刀盘竖直向下；

（5）微调机构4的微调伸缩油缸4-2推动微调滑板4-1带动末端执行器7处的套筒扳手7-6正对滚刀刀箱螺栓，综合驱动各个动力源使得套筒扳手7-6锁紧螺栓；

（6）末端执行器的液压马达7-4驱动齿轮箱7-5内的齿轮带动套筒扳手7-6转动拆卸螺栓；

（7）执行器旋转油缸6-9驱动末端执行器7沿水平方向旋转180°，使得夹爪7-1正对滚刀；

（8）末端二级伸缩臂7-3内的液压油缸推动执行器前端夹爪7-1至滚刀所在位置；执行器前端的mini液压缸7-2伸缩实现夹爪7-1缩紧滚刀；

（9）锁紧完成后，综合驱动液压缸使末端执行器7带动旧滚刀先稳妥地抽离刀盘12，再将损坏的滚刀送至气泡仓8区域，通过运刀机构送离前中盾区域9。

本实施例中未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：包括机器人底座（1）、机身以及末端执行器（7）；

所述机器人底座（1）用于设置在盾构机的人舱（10）内，机器人底座（1）从盾构机的人舱（10）入口向盾构机的刀头方向延伸设置；

所述机身设置在机器人底座（1）上，机身包括平移机构（2）、升降机构（3）、微调机构（4）、双向转动机构（5）和手腕机构（6）；

所述平移机构（2）可带动机身沿机器人底座（1）长度方向移动，平移机构（2）通过升降机构（3）、微调机构（4）、双向转动机构（5）以及手腕机构（6）与末端执行器（7）连接，所述升降机构（3）、微调机构（4）、双向转动机构（5）、手腕机构（6）以及末端执行器（7）沿机器人底座（1）的长度方向依次设置；

所述升降机构（3）用于驱动机身高度调整；

所述微调机构（4）用于驱动末端执行器（7）沿机器人底座（1）宽度方向移动；

所述双关节转动机构（5）用于驱动末端执行器（7）沿机器人底座（1）宽度方向摆动以及沿高度方向摆动；

所述手腕机构（6）的一端与末端执行器（7）连接，手腕机构（6）用于带动末端执行器（7）沿机器人底座（1）长度方向移动以及带动末端执行器（7）转动；

所述的末端执行器（7）包括夹爪（7-1）以及套筒扳手（7-6），夹爪（7-1）通过夹爪驱动机构驱动其开合，套筒扳手（7-6）通过套筒驱动机构带动其转动。

2.根据权利要求1所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述的平移机构（2）包括移动导轨（2-1），在移动导轨（2-1）上设置有滚轮（2-3）；在所述的机器人底座（1）上设置有固定导轨（12），所述的滚轮（2-3）设置在所述的固定导轨（1）上；在所述的移动导轨（2-1）上还设置有驱动齿轮，在所述的机器人底座（1）上设置有与所述驱动齿轮啮合的齿条（1-1），所述的驱动齿轮（）通过马达带动其转动。

3.根据权利要求1或2所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述起升机构（3）包括起升油缸（3-1）、连接架（3-3）、机头架（3-4）以及两个连杆架（3-2）；所述两个连杆架（3-2）分别与连接架（3-3）以及机头架（3-4）铰接，所述机头架（3-4）、两个连杆架（3-2）以及连接架（3-3）构成平行四边形结构；所述的起升油缸（3-1）一端与平移机构（2）连接，另一端与所述的机头架（3-4）连接。

4.根据权利要求3所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：

所述微调机构包括微调滑板（4-1）、微调伸缩油缸（4-2）；微调滑板（4-1）与机头架（4-3）连接，并可在所述机头架（4-3）上滑动，所述的微调伸缩油缸（4-2）设置在所述机头架（3-4）上，所述微调伸缩油缸（4-2）与所述的微调滑板（4-1）连接，驱动所述微调滑板（4-1）沿机器人底座（1）的宽度方向滑动。

5.根据权利要求4所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：

所述双向转动机构（5）包括第一螺旋液压旋转油缸（5-1）、旋转马达固定座（5-2）、螺旋液压摆动油缸托板（5-3）、摆动油缸固定座（5-4）和第二螺旋液压摆动油缸（5-5）；第一螺旋液压旋转油缸（5-1）一端固定在微调滑板（4-1）上，且通过两个旋转油缸固定座（5-2）与螺旋液压摆动油缸托板（5-3）连接；第二螺旋液压摆动油缸（5-5）与所述螺旋液压摆动油缸托板（5-3）连接；所述第一螺旋液压旋转油缸（5-1）与第二螺旋液压摆动油缸（5-5）为垂直方向设置。

6.根据权利要求5所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述手腕机构（6）包括换刀直角臂（6-7）、多个伸缩臂、伸缩臂液压缸（6-10）、执行器旋转油缸（6-9）、执行器连接板（6-2）以及执行器摆动油缸（6-1）；所述的换刀直角臂（6-7）与所述的第二螺旋液压摆动油缸（5-5）的两端连接；所述的伸缩臂液压缸（6-10）用于驱动所述伸缩臂展开或缩回，在最靠近末端执行器（7）一端的伸缩臂上连接有执行器旋转油缸（6-9），所述的执行器旋转油缸（6-9）与执行器连接板（6-2）连接，在执行器连接板（6-2）上还设置有执行器摆动油缸（6-1），所述的执行器摆动油缸（6-1）用于与末端执行器（7）连接，驱动末端执行器（7）旋转。

7.根据权利要求6所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述的伸缩臂包括第一段伸缩臂（6-3）、第二段伸缩臂（6-4）、第三段伸缩臂（6-5）以及第四段伸缩臂（6-6）；各段伸缩臂之间为相互套设设置，各段伸缩臂之间通过滑槽和滑轨连接，所述的伸缩臂液压缸（6-10）设置在第四段伸缩臂（6-6）内部，伸缩臂液压缸（6-10）的一端与第四段伸缩臂（6-6）连接。

8.根据权利要求6所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述的多个伸缩臂的截面均为矩形结构。

9.根据权利要求6所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：

所述的套筒驱动机构包括齿轮箱（7-5），齿轮箱（7-5）通过吊耳与所述的执行器摆动油缸（6-1）连接；所述的夹爪（7-1）和套筒扳手（7-6）分别设置在齿轮箱（7-5）长度方向的两侧。

10.根据权利要求9所述的适用于大直径盾构机的多自由度换刀机器人，其特征在于：所述的齿轮箱（7-5）上还设置有末端二级伸缩臂（7-3），所述的末端二级伸缩臂（7-3）与所述的夹爪（7-1）连接，末端二级伸缩臂（7-3）可驱动所述的夹爪（7-1）沿齿轮箱（7-5）长度方向伸缩。