一种新型TBM清渣机器人机构设计与试验

隧道底部积渣清理是TBM(tunneling boring machine)施工中钢拱架立拱前的必备环节,随着人们对支护质量、施工效率、安全性的要求越来越高,传统的人工清渣难以满足施工要求。基于此,提出一种机器人作业的清渣方法。首先,分析隧道底部积渣分布情况与环境结构特点,获得机器人设计要求,进行新型机器人机构设计;其次,基于Denavit–Hartenberg(D–H)参数法建立其连杆坐标系,进行正逆运动学计算,给出末端位姿矩阵的表达式和逆运动学最优解的选取算法,并进行工作空间计算和分析;然后,以单关节位置控制为例,进行积分分离PID控制器设计;最后,搭建了隧道底部积渣清理试验平台,并进行隧道底部积渣清理试验。结果表明:新型清渣机器人能够实现3 830 mm的作业深度和±45°的作业范围;与传统PID相比,积分分离PID将超调量降低18.7%,解决了位置误差累积引起的关节抖动问题,改善系统控制效果;该清渣机器人作业周期为53 s,可作为敞开式TBM施工过程隧道底部积渣清理的有效解决方案。

TBM清渣机器人机构及其轨迹规划方法研究

隧道底部清渣是TBM施工中钢拱架立拱前的必备环节,针对敞开式TBM智能化、自动化施工需求,为实现隧道底部积渣的高效清理,开发一种新型清渣机器人机构。首先,对其结构及工作原理进行阐述;然后,以清渣机器人铲斗臂为例进行运动学分析及工作空间计算;最后,基于多项式插值和梯形曲线提出一种混合轨迹规划方法。仿真分析结果表明:所设计的清渣机器人参数合理,工作空间能够满足施工作业需求,可作为敞开式TBM施工过程中隧道底部积渣清理的有效解决方案。