CN208950596U - 一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，解决的技术问题是为了适应目前多元化隧道开挖断面的工程需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，本实用新型包括刀盘刀具系统、刀盘驱动系统、主梁，刀盘刀具系统后部设有刀盘姿态调整机构，所述的主梁后部通过推进油缸与撑靴前部连接，撑靴后部与后支撑连接；所述的刀盘刀具系统后部设有刀盘驱动系统和刀盘姿态调整机构，所述的主梁前部通过串并联机器人臂与刀盘姿态调整机构连接；主梁前部通过串并联机器人与刀盘刀具系统连接。本实用新型可在一定范围内，满足任意形状断面的开挖；设置始终位于洞底的新型出渣系统，可将掘进机产生的渣石进行清理与输出，快捷方便。

Description

一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机

技术领域

本实用新型涉及隧道施工中的岩石隧道掘进机（TBM）领域，具体涉及一种在一定范围内实现任意断面形状隧道开挖的基于串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖，其开挖断面多为圆形，刀盘只能做轻微俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程。虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。另外，隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求，工程结束后隧道掘进机进行闲置的状态时有发生。目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。

机器人按照其结构形式可分为串联/并联以及串并联三种形式。其中串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，虽已成功应用于很多领域，但是刚度弱，承载能力有限。并联机器人具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，适于用在重载场合，但是结构复杂，控制解耦难。可根据使用需求结合串联机器人和并联机器人的优点，设计一种结构简单、刚度大、承载能力强的串并联机器人。串并联机器人虽应用广泛，但在隧道掘进机的支撑方式上尚未见报道。

实用新型内容

本实用新型为了适应目前多元化隧道开挖断面的工程需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，提供一种通过控制串并联机器人支撑刀盘的位置和姿态，实现结构灵活，断面转换范围大，在一定范围内真正实现岩石隧道任意断面开挖的基于串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统、主梁和皮带机，所述的主梁后部通过推进油缸与撑靴前部连接，撑靴后部与后支撑连接；其特征在于：所述的刀盘刀具系统后部通过串并联机器人与主梁柔性连接。

所述的串并联机器人包括刀盘姿态调整机构和串并联机器人臂，刀盘姿态调整机构设置在刀盘刀具系统的后部，主梁前部通过串并联机器人臂与刀盘姿态调整机构连接。

所述的刀盘姿态调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承与刀盘刀具系统活动连接，连接座外侧分别通过俯仰油缸和摆动油缸与刀盘刀具系统连接。

所述的串并联机器人臂包括回转架、移动架、滑轨，回转架设置在移动架上部，移动架一侧与滑轨相配合，滑轨设置在主梁上；所述的回转架上并联设有一号油缸和三号油缸，一号油缸通过串联关节I与二号油缸串联连接，三号油缸通过串联关节II与四号油缸串联连接。

所述的二号油缸和四号油缸通过连接座与刀盘姿态调整机构连接。

所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统，出渣系统前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机连接。

所述的出渣系统为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。

所述的刀盘刀具系统前部设有刀具，后部设有主驱动。

本实用新型的柔臂掘进机（Robot-TBM）是指掘进机刀盘与支撑大梁之间采用若干组液压油缸弹性连接，刀盘与大梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。本实用新型基于串并联机器人的新型柔性刀盘支撑系统，可在一定范围内，满足任意形状断面的开挖；设置始终位于洞底的新型出渣系统包含任何形式的刮渣和吸渣系统，可将掘进机产生的渣石进行清理与输出，快捷方便。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型前端放大结构示意图；

图3是本实用新型串并联机器人结构示意图；

图4是本实用新型刀盘运动轨迹示意图之一；

图5是本实用新型刀盘运动轨迹示意图之二。

附图表号：刀盘刀具系统1、刀盘姿态调整机构2、串并联机器人臂3、出渣系统5、主梁6、推进油缸7、撑靴8、后支撑9、皮带机10、刀具101、主驱动102；关节轴承201、俯仰油缸202、摆动油缸203、回转架301、移动架302、滑轨303、驱动304、一号油缸305、串联关节306、二号油缸307 、三号油缸308、串联关节309、四号油缸310。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型的结构示意图和前部放大图如图1和图2所示，一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统1、主梁6和皮带机10，所述的主梁6后部通过推进油缸7与撑靴8前部连接，撑靴8后部与后支撑9连接；其特征在于：所述的刀盘刀具系统1后部通过串并联机器人与主梁6柔性连接。

所述的串并联机器人包括刀盘姿态调整机构2和串并联机器人臂3，刀盘姿态调整机构2设置在刀盘刀具系统1的后部，主梁6前部通过串并联机器人臂3与刀盘姿态调整机构2连接。

所述的刀盘姿态调整机构2包括连接座204，连接座204前端通过关节轴承201与刀盘刀具系统1活动连接，连接座204外侧分别通过俯仰油缸202和摆动油缸203与刀盘刀具系统1连接。本实用新型的刀盘姿态调整机构2用于调整刀盘刀具系统1的姿态，俯仰油缸202实现其俯仰动作，摆动油缸203实现其左右摆动。俯仰油缸302和摆动油缸303垂直设置。每个刀盘后部均设有刀盘主驱动结构，刀盘姿态调整机构2的俯仰油缸和摆动油缸相互垂直正交，进行调节刀盘的姿态。

实施例2

本实用新型所述的串并联机器人臂3包括回转架301、移动架302、滑轨303，回转架301设置在移动架302上部，移动架302一侧与滑轨303相配合，滑轨303设置在主梁6上；所述的回转架301上并联设有一号油缸305和三号油缸308，一号油缸305通过串联关节I306与二号油缸307串联连接，三号油缸308通过串联关节II309与四号油缸310串联连接。串并联机器人的具体结构如图3所示。本实用新型所述的回转架301上根据需要可以并联设有三个、四个、五个等多个油缸，便于更好的控制刀盘刀具系统。本实用新型在回转架301上并联两个油缸，控制系统更加简单，便于控制。

所述的二号油缸307和四号油缸310通过连接座204与刀盘姿态调整机构2连接。串并联机器人包括刀盘姿态调整机构2和串并联机器人臂3，其中刀盘姿态调整机构2可视为串并联机器人的灵巧手，主要用来调节刀盘姿态，串并联机器人臂3为机器人本体，其中回转架301实现机器人回转运动，移动架302实现机器人沿滑轨303的移动，一号油缸305、串联关节I306、二号油缸307和308-310和三号油缸308、串联关节II309、四号油缸310分别组成机器人的两个串联机构，一号油缸305和三号油缸308两个油缸并联于回转架上，可采取预编程或人机交互示教等方式实现刀盘的多自由度运动，实现不同开挖断面。

本实用新型的串并联机器人臂3通过一号油缸305和三号油缸308的伸缩驱动刀盘运动，通过移动架302沿滑轨的移动实现刀盘的前后移动，通过回转架301自身的转动带动刀盘运动，通过二号油缸307或四号油缸310的伸缩实现刀盘开挖位置的调整。其它结构同实施例1。

实施例3

本实用新型所述的刀盘刀具系统1下方设有出渣系统5，出渣系统5前端伸至刀盘刀具系统1下方、后端与皮带机10连接。

所述的出渣系统5为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。皮带机10设置在出渣系统尾部，皮带机出渣系统5将刀盘刀具系统1下方的渣土输送至皮带机10上，由皮带机10将渣土输送至掘进机外侧。

所述的刀盘刀具系统1前部设有刀具101，后部设有主驱动102。

本实用新型使用时，根据施工断面形状要求，预先对串并联机器人进行运动轨迹编程；使掘进机到机器人工作范围，机器人按照设定轨迹使刀盘到达指定位置并固定；刀盘到达指定位置后，撑靴撑紧洞壁，推进油缸及主驱动工作，进行子掌子面开挖；底部出渣系统工作，可将坠落在洞底的渣石经皮带机出渣系统运出；按照预定轨迹重复2-4步，完成任意形状断面开挖，如图4和图5所示。其它结构同实施例1。

Claims (8)

1.一种串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统（1）、主梁（6）和皮带机（10），所述的主梁（6）后部通过推进油缸（7）与撑靴（8）前部连接，撑靴（8）后部与后支撑（9）连接；其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）后部通过串并联机器人与主梁（6）柔性连接。

2.根据权利要求1所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的串并联机器人包括刀盘姿态调整机构（2）和串并联机器人臂（3），刀盘姿态调整机构（2）设置在刀盘刀具系统（1）的后部，主梁（6）前部通过串并联机器人臂（3）与刀盘姿态调整机构（2）连接。

3.根据权利要求2所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘姿态调整机构（2）包括连接座（204），连接座（204）前端通过关节轴承（201）与刀盘刀具系统（1）活动连接，连接座（204）外侧分别通过俯仰油缸（202）和摆动油缸（203）与刀盘刀具系统（1）连接。

4.根据权利要求2所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的串并联机器人臂（3）包括回转架（301）、移动架（302）、滑轨（303），回转架（301）设置在移动架（302）上部，移动架（302）一侧与滑轨（303）相配合，滑轨（303）设置在主梁（6）上；所述的回转架（301）上并联设有一号油缸（305）和三号油缸（308），一号油缸（305）通过串联关节I（306）与二号油缸（307）串联连接，三号油缸（308）通过串联关节II（309）与四号油缸（310）串联连接。

5.根据权利要求4所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的二号油缸（307）和四号油缸（310）通过连接座（204）与刀盘姿态调整机构（2）连接。

6.根据权利要求1所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）下方设有出渣系统（5），出渣系统（5）前端伸至刀盘刀具系统（1）下方、后端与皮带机（10）连接。

7.根据权利要求6所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的出渣系统（5）为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。

8.根据权利要求1所述的串并联机器人支撑、开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）前部设有刀具（101），后部设有主驱动（102）。