TBM清渣机器人机构及其轨迹规划方法研究

　　摘要：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。

　　关键词：TBM;清渣机器人;结构设计;运动学分析;轨迹规划

　　0引言

　　TBM是实施《中长期铁路网规划》、“一带一路”倡议等路网建设的重大核心装备[1]，高效、安全是采用TBM开展隧道施工的核心竞争优势[2]。TBM施工中，岩爆、顶部坍塌掉块导致渣石堆积在隧道底部拱架安装机附近，清渣已成为钢拱架立拱前的必备环节[3]。目前，渣石的清理主要依靠人工作业，即人工采用铁锹和编织袋将积渣装袋，然后采用运渣车运输出去。该方法作业效率低，严重制约隧道快速开挖。因此，提升隧道底部清渣的自动化程度，已成为提高开挖效率、加快施工进度亟需解决的问题[4-5]。但隧道底部积渣体量、位置和粒径分布具有随机性，给清渣装置的设计带来巨大挑战。

　　机器人论文范例： 堆外核探测器安装机器人设计与底盘运动分析

　　德国Herrenknecht公司采用小型装载机实现机械化作业，但对工作空间和操作人员技能要求高。意大利SELI公司研制了提斗式清渣机，但无法进行寻渣作业，且对工作空间要求较高。美国Robbins设计了一种4自由度辅助清渣机械臂，但其运渣工作需人工完成。西安理工大学研制了一种6自由度清渣机械臂[6]，但该机械臂仅具有一种末端执行器，无法满足大范围渣石的清理。综上所述，目前底部清渣总体上尚未实现自动化，渣土采集与运输自动化在机构设计上有待突破。

　　针对上述实际问题，结合隧道底部积渣状态和现有的钢拱架施工工法，以开挖直径6400mm的敞开式TBM为搭载对象并建立试验台，提出一种隧道底部积渣清理机构搭配运渣小车的清渣方案，建立其清渣机械臂的运动学模型与轨迹规划方法，为渣石的快速清理提供条件。

　　1清渣机器人机构设计

　　1.1主要边界参数

　　清渣机器人系统以直径6400mm的敞开式TBM为搭载对象。开挖隧道断面半径O′A=3200mm，主梁高度OO′=1062mm，主梁宽度DE=1372mm，石渣堆积位置主要为隧道底部扇形ABC区域内，∠AO′B=∠CO′B=45°，清渣范围最近距离OB=2138mm，最远距离OA=OC=2420mm。

　　1.2本体机构设计

　　清渣机器人主要由吊梁钢轨、滑动平台、驱动电机、回转支承、末端执行器和工业相机等组成。机构本体可沿主梁上吊梁钢轨进行隧道轴向移动，滑台驱动轮组、减速电机均安装在滑动平台安装板上，滑动平台由驱动轮组驱动;回转支承连接滑动平台安装板与机械臂安装板，实现机械臂安装板的转动。考虑到施工现场渣石粒径不同，清渣机器人搭载3个臂身，分别为铲斗臂、搭配高负压工业吸尘器的吸尘臂以及瓣型抓手机械臂，并在末端配备不同的执行器。瓣型抓手机械臂用于处理粒径大于300mm的少量孤石，铲斗臂用于处理60～300mm中等粒径积渣，吸尘臂用于处理粒径小于60mm的积渣。

　　1.3作业流程

　　工业摄像头集成安装于主梁导轨上，采用机器视觉对渣石进行智能识别，并将图像信息送至上位机进行特征提取;分析获得渣石的位置坐标、渣量以及渣石粒径等信息，指导机器人作业模式决策;然后进行运动轨迹设计(或手动控制)，上位机将运动轨迹转换为每个关节的运动变量，将其发送给运动控制器控制清渣机器人各关节的联动;按给定的轨迹将渣石放置于清渣储存装置中，重复动作，直至石渣清理完毕。

　　2清渣机器人运动学分析

　　以清渣机器人铲斗臂为研究对象，建立数学模型，并对其末端铲斗的位姿与关节变量关系进行求解。由于铲斗臂在主梁上的滑动只改变清渣机器人的相对位置，而对末端姿态没有影响，因此，分析时先不考虑其在吊梁钢轨上的移动自由度。

　　3机械臂工作空间计算

　　工作空间表示机器人末端可以到达的几何空间，是清渣机械臂的重要指标之一。目前，计算和描绘方法有很多，包括解析法、数值法、图解法等。其中，数值法中最具代表性的蒙特卡洛法具有思路简单、不受机械臂构型限制的优点。因此，本文采用该方法进行工作空间计算，其具体实现过程为：1)确定各关节变量的运动极限;2)用Matlab的rand函数生成大量关节变量的随机值;3)将得到的随机值代入到正运动学模型，即式(2)，获得大量空间坐标;4)用plot3函数将各散点显示在空间中，即为铲斗臂斗尖的可达空间范围。

　　4机械臂轨迹规划

　　在实际清渣过程中，一般是已知铲斗臂的当前位姿、目标位姿、路径所经过有限个节点以及关节运动的速度、加速度极限信息，然后采用数学方法计算得到铲斗臂的时变规律，以保证清渣臂在约束范围内快速、平稳、无冲击地完成作业[10]。目前，常用的方法主要有多项式插值、梯形速度曲线和样条曲线插值[11-13]等。其中，梯形速度曲线能够保证机械臂以最大加速度运动，能够使运动时间最短，但是加速度发生突变，导致机器人冲击较大;多项式轨迹规划通过对速度和加速度进行约束，能够使机器人运动平稳、无冲击。

　　5结论与讨论

　　1)本文设计了一种新型的隧道底部积渣清理机器人机构，以实际的TBM为搭载对象，对其结构及作业流程进行阐述。通过正、逆运动学分析及工作空间计算最终表明，该机构满足设定的清渣作业需求，为掘进机底部积渣清理提供了新的方案。2)为保证机械臂运动过程中其关节运动能连续、平滑、无冲击地完成作业，基于多项式插值和梯形速度曲线，提出了一种混合插值轨迹规划方法。根据得到的角度变化曲线、角速度变化曲线、角加速度变化曲线可知，机械臂运行过程中，关节的平滑性及平稳性良好。3)针对此清渣机构解决方案，下一步将深度融合机器视觉及智能识别技术，进行样机搭载试验，以满足TBM施工清渣自动化及智能化的迫切需求。

　　参考文献(References)：

　　[1]HUANGXing，LIUQuansheng，SHIKai，etal.ApplicationandprospectofhardrockTBMfordeeproadwayconstructionincoalmines[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2018，73：105.

　　[2]洪开荣，陈馈，杨延栋，等.极端复杂地质新型TBM研制及工程关键技术应用[Z].郑州：盾构及掘进技术国家重点实验室，2020HONGKairong，CHENKui，YANGYandong，etal.DevelopmentofanewtypeofTBMforextremelycomplexgeologyandapplicationofkeyengineeringtechnologies[Z].Zhengzhou：StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology，2020.

　　[3]王雁军，齐梦学.岩石掘进机关键技术展望[J].隧道建设(中英文)，2018，38(9)：1428.WANGYanjun，QIMengxue.Prospectsofkeytechnologiesofrocktunnelboringmachine[J].TunnelConstruction，2018，38(9)：1428.

　　[4]郭灿.高黎贡山隧道TBM适应性设计和掘进性能的测试分析[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.GUOCan.TestandanalysisofTBMadaptabilitydesignandtunnelingperformanceinGaoligongshantunnel[D].Shijiazhuang：ShijiazhuangRailwayUniversity，2019.

　　作者：原晓伟，卓兴建，姜礼杰，孙颜明，杨航