[发明专利]一种掘进机用机器人的电气控制系统

说明书

本发明涉及一种掘进机用机器人的电气控制系统，包括主控制系统、运动控制系统、用于控制机器人动作的操作单元及用于检测机器人各个自由度的状态参数的传感器组；所述运动控制系统包括机器人各个自由度的关节驱动机构；所述主控制系统包括用于采集传感器组中各个传感器数据的输入单元、用于将控制指令输出到关节驱动机构的输出单元以及通信单元；所述输入单元和输出单元通过通信单元连接各个传感器以采集各个自由度的状态参数，还通过通信单元连接各个关节驱动机构以实现各个关节动作的控制。本发明在复杂掘进机施工现场实现了定位精度高、抗干扰能力强、实时性强、易于布线的机器人电气控制系统。

技术领域

本发明涉及一种掘进机用机器人的电气控制系统，属于多自由度机器人控制领域，尤其涉及一种隧道施工中使用的机械臂的控制系统。

背景技术

全断面隧道掘进机集开挖、支护及出渣等功能为一体，因其高效率、高安全性以及环境友好性等特点，在我国城市地铁、跨江跨海隧道等地下工程中广泛应用。

隧道掘进机在施工过程中，工况复杂环境恶劣，为了提高自动化智能化程度、降低施工人员的安全风险，越来越多的考虑希望采用机器人进行一些相关辅助的工作，例如积渣的清理和刀具的冲洗和检测。

拿刀具的检测和更换作业来说，全断面隧道掘进机施工过程中，刀具消耗大、更换频繁，刀具检测及换刀作业时间占隧道施工周期的10％以上。目前实际施工过程中换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，作业人员经常需要在带压环境下换刀，长时间工作会对人体造成不可逆的伤害，甚至存在人员伤亡等重大安全事故的隐患。如何降低人工换刀带来的风险，提高施工效率，降低施工成本，实现“机器代人”的突破，是目前行业内亟需解决的难题，因此，研制一种代替人工换刀的换刀机器人势在必行。

换刀机器人在换刀时，即便微小的偏差都会导致机器人末端执行器无法进入滚刀刀座，偏差大时甚至会导致撞机，产生破坏性结果。而机器人换刀作业时，人员无法进入刀舱查看情况，而且刀盘与主驱动之间扭腿、搅拌棒密布，无法通过布置摄像头来监控换刀过程。因此，为了实现自动准确的换刀，换刀机器人必须具备定位精度高、抗干扰能力强、实时性强、精确视觉引导等条件，从而完成在复杂工况下高效、快速的换刀作业。

因此，由于掘进机施工现场环境狭窄、结构部件多、环境恶劣，由换刀作业应用场景可以看出，掘进机用机器人控制自由度多，还需配置有视觉系统等，连接线束复杂，相关控制系统设计难度大。

专利公布号为CN114087240A的中国发明专利申请公布文本中公开了一种掘进机用换刀机器人的液压控制系统，该方案仅涉及换刀机器人的液压系统，未涉及电气控制系统架构及设计方案。

专利公布号为CN112392499A的中国发明专利申请公布文本中公开了一种凿岩机器人电气控制系统及凿岩机器人，其中的电气控制系统设计采用无线AP模块进行数据传输，无线通信难以实现长距离传输，且在隧道掘进机施工工况强电磁干扰的恶劣环境下难以保证数据传输的稳定可靠。

专利公步号为CN114183179A的中国发明专利申请公布文本中公开了一种锚杆台车自动化控制系统及锚杆台车，其方案使用普通比例阀实现机械臂的控制，由上位机进行位置环和速度环PID运算，其算法处理难度较大，并且使用普通电磁阀需要配备大量继电器和放大器等模块，易造成系统线束复杂，故障点多，相应的控制系统设计方案不适合于在结构复杂空间较小的掘进机换刀场景下使用。

专利公布号为CN211857280U的中国实用新型专利授权公布文本中公开了一种基于CAN总线通讯的锚杆台车电气控制系统，其方案中仅将输入模块和数据显示模块与控制器之间通过CAN总线连接，其总线技术并未用于执行机构的控制，无法避免线束过多的问题，导致系统接线复杂，故障率高。

发明内容

本发明的目的是提供一种掘进机用机器人的电气控制系统，用以解决现有技术中机器人控制系统难以适用于掘进机施工场景的问题。