申请/专利权人：中铁工程装备集团有限公司

申请日：2019-01-30

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN109667596B

主分类号：E21D9/11

分类号：E21D9/11;E21D9/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2019.05.17#实质审查的生效;2019.04.23#公开

摘要：本发明公开了一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，解决的技术问题是目前对隧道底部进行积渣清理时采用人工清理的方式，清理效率低，影响施工进度，增加施工成本。本发明包括TBM主机和主梁，主梁设置在TBM主机后部，所述的主梁上设有隧道底部清渣机器人系统；所述的隧道底部清渣机器人系统包括驱动系统和末端清渣执行机构，驱动系统和末端清渣执行机构之间设有机械臂。本发明在主梁底部设置清渣系统，可通过对隧道底部存在的积渣特性和积渣量，选取合适的末端清渣执行机构进行清渣，对隧道的底部积渣进行自动化清理，提高清渣效率。

主权项：1.一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，包括TBM主机（1）和主梁（2），主梁（2）设置在TBM主机（1）后部，其特征在于：所述的主梁（2）上设有隧道底部清渣机器人系统（3）；所述的隧道底部清渣机器人系统（3）包括驱动系统（31）和末端清渣执行机构，驱动系统（31）和末端清渣执行机构之间设有机械臂；所述的驱动系统（31）和末端清渣执行机构均和控制系统相连，与控制系统相连还设有高速相机，高速相机与图像采集系统相连，图像采集系统与控制系统相连，高速相机设置在末端清渣执行机构上；所述的机械臂包括大臂（32）、中臂（33）和前臂（34），所述的前臂（34）下部设有转台（35），所述的末端清渣执行机构与转台（35）连接；所述的末端清渣执行机构包括抓手（36）、螺旋叶片式铲斗（37）和方形铲斗（38），抓手（36）、螺旋叶片式铲斗（37）和方形铲斗（38）均匀布置在转台（35）下方。

全文数据：适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人技术领域本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人。背景技术目前采用TBM施工遇到不稳定围岩情况时，容易发生围岩塌落，在隧道底部形成大量积渣，且形成的积渣粒径大小不一、类型复杂，如遇洞壁支护不及时，可能会有大型石块掉落。而TBM施工中，为了对围岩进行加固，需进行钢拱架拼装工序，但底部积渣的存在严重影响了钢拱架拼装的进程，因此需对隧道底部进行积渣清理。目前主要采用人工清理的方式，但隧道环境能见度低、干扰因素多、空间十分有限，在遇到大体量积渣时人工清理效率低，影响了施工进度，增加施工成本。发明内容本发明要解决的技术问题是目前对隧道底部进行积渣清理时采用人工清理的方式，清理效率低，影响施工进度，增加施工成本，提供一种实现隧道底部积渣的自动清理，提供施工效率的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人。为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，包括TBM主机和主梁，主梁设置在TBM主机后部，所述的主梁上设有隧道底部清渣机器人系统。所述的隧道底部清渣机器人系统包括驱动系统和末端清渣执行机构，驱动系统和末端清渣执行机构之间设有机械臂。所述的驱动系统设置在支撑架上，支撑架两侧设有滑槽；所述的主梁底部设有滑轨，滑轨与滑槽滑动配合。所述的机械臂包括大臂、中臂和前臂，所述的大臂设置在支撑架下方，大臂通过转轴与驱动系统连接；所述的中臂一端与大臂连接、另一端与前臂活动连接，所述的前臂下部设有转台，所述的末端清渣执行机构与转台连接。所述的中臂上部与大臂铰接连接，所述的中臂与大臂之间还设有油缸I。所述的中臂内部设有轨道，所述的前臂伸进中臂内部，前臂通过轨道与中臂滑动连接。所述的末端清渣执行机构包括抓手、螺旋叶片式铲斗和方形铲斗，抓手、螺旋叶片式铲斗和方形铲斗均匀布置在转台下方。所述的抓手包括与转台铰接连接的连杆I，连杆I下部铰接设有支撑体，支撑体连杆I之间设有油缸III；支撑体下方铰接设有若干个弧形板，弧形板与支撑体之间设有油缸II。所述的螺旋叶片式铲斗包括与转台铰接连接的连杆II，连杆II下部铰接设有框架，框架与连杆II之间设有油缸IV；所述的框架后板上设有过渣孔，框架内设有螺旋叶片，过渣孔两侧的螺旋叶片的螺旋方向相反。所述的方形铲斗包括与转台铰接连接的连杆III，连杆III下部铰接设有方形框，方形框与连杆III之间设有油缸V。适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人的清渣方法：包括以下步骤：①过高速相机对隧道底部渣土进行识别，高速相机将图像信息经图像采集系统传输至控制系统，控制系统对高速相机所拍摄图像进行图像分析与识别，以判断渣土的所处位置、渣量以及渣土粒径大小；②经控制系统对渣土信息的分析，控制系统根据渣土分析结果做出末端清渣执行机构的动作指令，根据渣土位置、渣量及渣土粒径智能选择清渣模式与自主规划运动路径、运动速度；③将末端清渣执行机构所清理的渣土放置到清渣储存装置中，机器人进行复位进行二次清渣。步骤②所述的上位机对相机传来的照片进行分析，当分析出隧道底部的渣石为粒径＞300mm的孤石时，采用抓手进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤300mm的渣石时，采用方形铲斗进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤60mm时的渣石时，采用高负压工业吸尘器通过螺旋叶片式铲斗进行吸附清渣。本发明在主梁底部设置清渣系统，可通过对隧道底部存在的积渣特性和积渣量，选取合适的末端清渣执行机构进行清渣，对隧道的底部积渣进行自动化清理，提高清渣效率；不需要人工清理，降低工人劳动强度，保证工人的安全，提高清渣效率，降低施工成本。附图说明图1是本发明结构示意图；图2是本发明隧道底部清渣机器人系统结构示意图；图3是本发明抓手结构示意图；图4是本发明螺旋叶片式铲斗结构示意图；图5是本发明方形铲斗结构示意图。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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。如图1至图5所示，一种适用于TBM的多模式隧道底部隧道底部清渣机器人系统，包括TBM主机1和主梁2，主梁2设置在TBM主机1后部，所述的主梁2上设有隧道底部清渣机器人系统3。掘进机主机1为TBM的主要系统，包括TBM刀盘系统、主驱动系统等，主驱动系统与主梁2相连。所述的隧道底部清渣机器人系统3包括驱动系统31和末端清渣执行机构，驱动系统31和末端清渣执行机构之间设有机械臂。所述的驱动系统31设置在支撑架39上，支撑架39两侧设有滑槽391；所述的主梁2底部设有滑轨4，滑轨4与滑槽391滑动配合。本发明通过滑轨4与滑槽的配合实现隧道底部清渣机器人系统3与主梁2之间的滑动连接。如图2所示，所述的机械臂包括大臂32、中臂33和前臂34，所述的大臂32设置在支撑架39下方，大臂32通过转轴与驱动系统31连接；所述的中臂33一端与大臂32连接、另一端与前臂34活动连接，所述的前臂34下部设有转台35，所述的末端清渣执行机构与转台35连接。驱动系统31通过转轴带动大臂32做旋转运动，大臂32为本发明主要受力结构之一，安装于驱动系统31的底部，可进行360°的旋转运动；驱动系统31为电机或马达，驱动系统31可以驱动隧道底部清渣机器人系统沿滑轨4移动，也可以使大臂回转。所述的转台35上部设有驱动电机。驱动电机设置在转台35上部中间的前臂34内，转台35上表面固定，下表面旋转，转台做回转运动，带动末端清渣执行机构旋转。所述的中臂33上部与大臂32铰接连接，所述的中臂33与大臂32之间还设有油缸I331。中臂33铰接于大臂末端，通过油缸331伸缩运动使中臂进行俯仰运动。所述的中臂33内部设有轨道，所述的前臂34伸进中臂33内部，前臂34通过轨道与中臂33滑动连接。中臂33内部轨道为精加工轨道，前臂34与中臂33配合，通过油缸的伸缩控制前臂34沿中臂内部的轨道伸缩运动。所述的末端清渣执行机构包括抓手36、螺旋叶片式铲斗37和方形铲斗38，抓手36、螺旋叶片式铲斗37和方形铲斗38均匀布置在转台35下方。抓手36、螺旋叶片式铲斗37和方形铲斗38三者呈120°均匀布置。如图3所示，所述的抓手36包括与转台35铰接连接的连杆I362，连杆I362下部铰接设有支撑体363，支撑体363连杆I362之间设有油缸III365；支撑体363下方铰接设有若干个弧形板361，弧形板361与支撑体363之间设有油缸II364。若干个弧形板361组成菊瓣式结构的抓手36，每个弧形板361上均安装有单独的油缸II364，弧形板361数量可根据工况调整，抓手36主要用于抓取个别掉落至隧道底部的不规则形状、大粒径石块。转台35与连杆I362之间同样设有油缸，通过油缸控制连杆I362的摆动。如图4所示，所述的螺旋叶片式铲斗37包括与转台35铰接连接的连杆II372，连杆II372下部铰接设有框架371，框架371与连杆II372之间设有油缸IV374；所述的框架371后板上设有过渣孔375，框架371内设有螺旋叶片373，过渣孔375两侧的螺旋叶片的螺旋方向相反。转台35与连杆II372之间同样设有油缸，通过油缸控制连杆II372的摆动。过渣孔375两侧螺旋叶片为相反旋向，过渣孔375用于安装真空吸力泵的吸管，螺旋叶片式铲斗37主要对大范围分布的小粒径积渣进行清理，靠螺旋叶片将积渣聚集到铲斗中部，然后用高负压工业吸尘器吸出。如图5所示，所述的方形铲斗38包括与转台35铰接连接的连杆III382，连杆III382下部铰接设有方形框381，方形框381与连杆III382之间设有油缸V384。转台35与连杆III382之间同样设有油缸，通过油缸控制连杆III382的摆动。方形铲斗38为普通铲斗结构，主要用于积渣较为集中、粒径不均匀的情况。本发明针对单一形式的末端执行器难以高效解决不同积渣量、不同粒径积渣高效清理的难题，研制了不同的清渣机器人末端执行器，如图3-5所示。图5采用常见的挖掘机挖斗的形式，处理大量小粒径的积渣，如粒径≤300mm时可采用此种方形铲斗38形式的末端执行器；图3采用抓手36的形式，处理少量大粒径的积渣，如处理粒径＞300mm的孤石时可采用此种抓手36形式的末端执行器，效率较高。无论采用方形铲斗式还是橘瓣式的抓手末端执行器，都较难清理细小粒径的积渣。当积渣的粒径≤60mm时，将机器人末端执行器更换为高负压工业吸尘器，如图4所示。根据需要在机械臂的末端，安装图3和图5的某一挖斗形式的同时安装有高负压工业吸尘器。方形铲斗38和抓手用来处理大量的积渣，在拱架间、附着于洞壁的粒径较小渣屑可用高负压工业吸尘器通过螺旋叶片式铲斗37进行吸附。一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人的清渣方法：包括以下步骤：①过高速相机对隧道底部渣土进行识别，高速相机将图像信息经图像采集系统传输至控制系统，控制系统对高速相机所拍摄图像进行图像分析与识别，以判断渣土的所处位置、渣量以及渣土粒径大小；②经控制系统对渣土信息的分析，控制系统根据渣土分析结果做出末端清渣执行机构的动作指令，根据渣土位置、渣量及渣土粒径智能选择清渣模式与自主规划运动路径、运动速度；③将末端清渣执行机构所清理的渣土放置到清渣储存装置中，机器人进行复位进行二次清渣。本发明通过上位机设置隧道底部清渣机器人系统的运动路径，使隧道底部清渣机器人系统与在主梁上滑动运动；高速相机对隧道底部的渣土进行拍照并上传至上位机，上位机对相机传来的照片进行分析；控制系统根据分析结果控制末端清渣执行机构动作。步骤②所述的上位机对相机传来的照片进行分析，当分析出隧道底部的渣石为粒径＞300mm的孤石时，采用抓手36进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤300mm的渣石时，采用方形铲斗38进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤60mm时的渣石时，采用高负压工业吸尘器通过螺旋叶片式铲斗37进行吸附清渣。

权利要求：1.一种适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，包括TBM主机（1）和主梁（2），主梁（2）设置在TBM主机（1）后部，其特征在于：所述的主梁（2）上设有隧道底部清渣机器人系统（3）。2.根据权利要求1所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的隧道底部清渣机器人系统（3）包括驱动系统（31）和末端清渣执行机构，驱动系统（31）和末端清渣执行机构之间设有机械臂；所述的驱动系统（31）和末端清渣执行机构均和控制系统相连，与控制系统相连还设有高速相机，高速相机与图像采集系统相连，图像采集系统与控制系统相连，高速相机设置在末端清渣执行机构上。3.根据权利要求2所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的驱动系统（31）设置在支撑架（39）上，支撑架（39）两侧设有滑槽（391）；所述的主梁（2）底部设有滑轨（4），滑轨（4）与滑槽（391）滑动配合。4.根据权利要求2所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的机械臂包括大臂（32）、中臂（33）和前臂（34），所述的大臂（32）设置在支撑架（39）下方，大臂（32）通过转轴与驱动系统（31）连接；所述的中臂（33）一端与大臂（32）连接、另一端与前臂（34）活动连接，所述的前臂（34）下部设有转台（35），所述的末端清渣执行机构与转台（35）连接。5.根据权利要求4所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的中臂（33）上部与大臂（32）铰接连接，所述的中臂（33）与大臂（32）之间还设有油缸I（331）；所述的中臂（33）内部设有轨道，所述的前臂（34）伸进中臂（33）内部，前臂（34）通过轨道与中臂（33）滑动连接。6.根据权利要求4所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的末端清渣执行机构包括抓手（36）、螺旋叶片式铲斗（37）和方形铲斗（38），抓手（36）、螺旋叶片式铲斗（37）和方形铲斗（38）均匀布置在转台（35）下方。7.根据权利要求6所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的抓手（36）包括与转台（35）铰接连接的连杆I（362），连杆I（362）下部铰接设有支撑体（363），支撑体（363）连杆I（362）之间设有油缸III（365）；支撑体（363）下方铰接设有若干个弧形板（361），弧形板（361）与支撑体（363）之间设有油缸II（364）。8.根据权利要求6所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的螺旋叶片式铲斗（37）包括与转台（35）铰接连接的连杆II（372），连杆II（372）下部铰接设有框架（371），框架（371）与连杆II（372）之间设有油缸IV（374）；所述的框架（371）后板上设有过渣孔（375），框架（371）内设有螺旋叶片（373），过渣孔（375）两侧的螺旋叶片的螺旋方向相反。9.根据权利要求6所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人，其特征在于：所述的方形铲斗（38）包括与转台（35）铰接连接的连杆III（382），连杆III（382）下部铰接设有方形框（381），方形框（381）与连杆III（382）之间设有油缸V（384）。10.根据权利要求1-9任一项所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人的清渣方法：其特征在于：包括以下步骤：①过高速相机对隧道底部渣土进行识别，高速相机将图像信息经图像采集系统传输至控制系统，控制系统对高速相机所拍摄图像进行图像分析与识别，以判断渣土的所处位置、渣量以及渣土粒径大小；②经控制系统对渣土信息的分析，控制系统根据渣土分析结果做出末端清渣执行机构的动作指令，根据渣土位置、渣量及渣土粒径智能选择清渣模式与自主规划运动路径、运动速度；③将末端清渣执行机构所清理的渣土放置到清渣储存装置中，机器人进行复位进行二次清渣。11.根据权利要求10所述的适用于TBM的多模式隧道底部清渣机器人的清渣方法：其特征在于：步骤②所述的上位机对相机传来的照片进行分析，当分析出隧道底部的渣石为粒径＞300mm的孤石时，采用抓手（36）进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤300mm的渣石时，采用方形铲斗（38）进行清渣；当隧道底部的渣石为粒径≤60mm时的渣石时，采用高负压工业吸尘器通过螺旋叶片式铲斗（37）进行吸附清渣。

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