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一种TBM换刀 机器人本体结构

阅读：347发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种TBM换刀机器人本体结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种TBM换刀机器人本体结构，属于机器人结构设计技术领域。本发明针对目前TBM主机的结构特点，设计了一种能够使末端执行器从TBM运刀孔进入刀盘内的机器人本体结构形式，该机器人克服了在水平狭长空间突变为竖直狭窄空间的联合空间内进行作业的困难，并给出本体结构的机械臂关键尺寸的设计方法和机器人的运动形式，从而实现换刀机器人本体结构的整体设计和路径规划。，下面是一种TBM换刀机器人本体结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种TBM换刀机器人本体结构，其特征在于，所述的TBM刀机器人本体结构包括支撑梁(1)、滑座(2)、上下转向座(3)、左右转向座(4)、伸缩臂(5)和末端执行器标准安装座(6)；
支撑梁(1)用于承载机器人本体的其他部件、末端执行器以及外载的重量，滑座(2)是确定机器人工作位置的决定性部件，与支撑梁(1)通过移动副连接，该移动副运动的准确性和运动路径直接决定了机器人末端能否进入刀盘；
伸缩臂(5)是末端执行器运动的承受者，通过移动副与左右转向座(4)连接，左右转向座(4)用于调整伸缩臂在刀盘面的转角，来适应刀盘停转的随机性；末端执行器标准安装座(6)通过移动副设置在伸缩臂(5)上，用于安装可拆装刀具的末端执行器；
上下转向座(3)分别通过转动副分别与滑座(2)、左右转向座(4)连接，用于调节伸缩臂(5)的上下方向，确保伸缩臂(5)以适当的姿态进入刀盘内部，并在规避刀盘情况下，将伸缩臂(5)调整为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的TBM换刀机器人本体结构，其特征在于，所述的支撑梁(1)的长度L1是滑座(2)的行程，为完成运刀，L1大于运刀孔到刀盘面的距离H，即L1＝H+Δh1
其中，Δh1＝500～700mm。
3.根据权利要求1或2所述的TBM换刀机器人本体结构，其特征在于，所述的伸缩臂(5)的长度L5决定了其是否能进入刀盘内部，为到达半径上的所有刀具的位置，L5满足：
其中，Δh2＝100～300mm，D1为刀盘内部空间直径；
为使伸缩臂(5)能进入刀盘，L5还满足：
其中，为伸缩臂下端轨迹最大包络圆直径，为伸缩臂上端轨迹最大包络圆直径。
4.根据权利要求3所述的TBM换刀机器人结构，其特征在于，所述的伸缩臂(5)设计为多级伸缩活动式结构。

说明书全文

一种TBM换刀机器人本体结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种TBM刀机器人本体结构，属于机器人结构设计技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国经济的发展，近年来全断面岩石掘进机(TBM)广泛用于我国的水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。

[0003] 由TBM的工作原理可知，刀具在切割岩体的同时，刀具自身的磨损不可避免。并且磨损将直接改变刀具几何特性，削弱刀具的切割能力，增加掘进能耗。如果刀具因过度磨损而失效，未能及时更换，将引起刀盘的磨损，必将严重影响施工的进度和质量。并且，由于刀具承受了强冲击和强振动，刀具的还会出现刀圈断裂等故障。据统计，刀具消耗费用约占工程造价的四分之一到五分之一，地质条件不好时，高达三分之一左右，同时目前人工换刀所消耗的时间也约占工程施工时间的三分之一。因此，提高换刀效率是减少工程成本的途径之一。更重要的是受到TBM所处地下复杂恶劣的施工环境的限制，人工更换TBM刀具存在围岩坍塌，掉落以及泥水盾构的高压危害等巨大的安全隐患。基于以上情况，开发一款代替人工换刀的特种设备，对提高TBM换刀效率，减少环境和设备对施工人员的安全威胁，具有重要的意义。

[0004] 本发明针对目前TBM主机的结构特点，设计了一种能够使末端执行器从TBM运刀孔进入刀盘内的机器人本体结构形式，该机器人克服了在水平狭长空间突变为竖直狭窄空间的联合空间内进行作业的困难，并给出本体结构的机械臂关键尺寸的设计方法和机器人的运动形式，从而实现机器人本体结构的整体设计和路径规划。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种代替人工换刀设备的结构方案，利用这种机械臂的结构形式和运动方案，实现将TBM需要更换的刀具从竖直狭窄空间运送到位于水平狭长空间的运刀孔。从而减少人工换刀的安全风险，并提高换刀的效率，降低工程的工时成本。

[0006] 本发明采用的技术方案：

[0007] 一种TBM刀机器人结构，包括支撑梁1、滑座2、上下转向座3、左右转向座4、伸缩臂5和末端执行器标准安装座6；

[0008] 支撑梁1用于承载机器人本体、末端执行器以及外载的重量，滑座2是确定机器人工作位置的决定性部件，与支撑梁1通过移动副连接，该移动副运动的准确性和运动路径直接决定了机器人末端能否进入刀盘；

[0009] 伸缩臂5是末端执行器运动的承受者，通过移动副与左右转向座4连接，左右转向座4用于调整伸缩臂在刀盘面的转角，来适应刀盘停转的随机性；末端执行器标准安装座6通过移动副设置在伸缩臂5上，用于安装可拆装刀具的末端执行器；

[0010] 上下转向座3分别通过转动副分别与滑座2、左右转向座4连接，用于调节伸缩臂5的上下方向，确保伸缩臂5以适当的姿态进入刀盘内部，并在规避刀盘情况下，将伸缩臂5调整为竖直方向。

[0011] 所述的支撑梁1的长度L1是滑座2的行程，为完成运刀，L1应大于运刀孔到刀盘面的距离H，即

[0012] L1＝H+Δh1

[0013] 其中，Δh1＝500～700mm。

[0014] 所述的伸缩臂5的长度L5决定了其是否能进入刀盘内部，为到达半径上的所有刀具的位置，L5应满足：

[0015]

[0016] 其中，Δh2＝100～300mm，D1为刀盘内部空间直径；

[0017] 为使伸缩臂5能进入刀盘，L5还满足：

[0018]

[0019] 其中，为伸缩臂下端轨迹最大包络圆直径，为伸缩臂上端轨迹最大包络圆直径；

[0020] 所述的伸缩臂5可设计为多级伸缩活动式结构。

[0021] 本发明的有益效果：适应了主梁前段水平狭长空间的特点，机器人的停机状态以及拆刀和运刀的过渡状态的长度方向应该沿着水平方向；同时，机器人换刀时末端执行器应该的工作空间应该属于竖直状态。所以本发明结合转动副和移动副的优势，设计出一种TBM换刀机器人本体结构方案，其核心是伸缩臂在不同的位置可以保持不同的姿态以适应外界的边界约束，使机器人末端巧妙地进入刀盘内。

[0022] 该换刀机器人本体结构是有六个部件组成，共有五个关节，属于五自由度机器人范畴，并且本体结构不考虑换刀动作，只负责预定位置的到达功能，拆装TBM刀具的动作由相应的末端执行器负责。由于TBM的滚刀公转速度方向都是与半径方向垂直，所以，末端执行器无需自转，故可减少机器人本体的自由度数，即五自由度就可完成所需功能。附图说明

[0023] 图1是TBM换刀机器人总体结构。

[0024] 图2是机器人工作空间示意图。

[0025] 图3是机器人进入刀盘前的本体状态图。

[0026] 图4是机器人拆刀时本体状态图。

[0027] 图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是机器人拆刀时调整不同角度的本体状态图。

[0028] 图6是机器人刀具运送到运刀孔的本体状态图。

[0029] 图中：1支撑梁；2滑座；3上下转向座；4左右转向座；5伸缩臂；

[0030] 6末端执行器标准安装座；D1刀盘内部空间直径；D2主轴承内径；

[0031] D3主梁高度；L1机器人支撑梁的长度；L5机器人伸缩臂的长度；

[0032] T刀盘内部空间的厚度；p1主梁高度上限位点；p2主梁高度下限位点；

[0033] 伸缩臂下端轨迹最大包络圆直径；伸缩臂上端轨迹最大包络圆直径；

[0034] 双点划线构成的区域为机器人所受TBM主机内部的约束空间。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

[0036] 一种能从TBM主梁进入刀盘内的换刀机器人本体结构。

[0037] (1)在机器人不工作时，机器人各部件状态如说明书附图1，伸缩臂5处于水平位置；(2)当TBM停机后，机器人进入换刀程序，滑座2和上下转向座3联动，将伸缩臂调整到如说明书附图3的状态，并且使伸缩臂下端接近主梁高度下限位点p2，然后，保持该姿态将伸缩臂深入刀盘，并使伸缩臂进入轨迹最大包络圆内，然后以p2为圆心顺时针旋转伸缩臂，使伸缩臂进入说明书附图4，该状态就是机器人的工作状态，此时末端执行器就可以更换刀具了。如果刀具不在竖直方向，动作左右转向座4，调整伸缩臂在刀盘面的转向，如说明书附图5；(3)当拆刀结束后，进入运刀程序，运刀程序是伸缩臂进入刀盘的反过程，将伸缩臂调整到说明书附图6的状态，动作末端执行器，将刀具运出运刀孔。

[0038] 上述(1)(2)(3)就是换刀的一套流程，如需更换其他刀具，重复上述步骤即可。

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