[发明专利]一种TBM换刀机器人本体结构

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明采用的技术方案：

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；

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；

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。

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

L1＝H+Δh1

其中，Δh1＝500～700mm。

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：

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：