适用于狭小空间的盾构机换刀机器人设计与分析

摘要

针对盾构法施工过程中人工换刀效率低、危险性大、成本高的问题,提出一种基于机器人作业的自动化换刀方案。首先,分析换刀机器人作业环境和功能需求,设计一种新型8自由度机器人结构,并基于静力学计算和仿真,验证机器人整体结构的强度和刚度满足设计要求;然后,基于D-H参数法建立机器人连杆坐标系,获得换刀机器人正运动学模型,基于位姿分离方法、迭代法和最短行程原则获得该8自由度机器人最优逆解;其次,为避免机器人换刀作业过程的冲击,采用5次多项式进行换刀机器人轨迹规划;最后,搭建换刀机器人仿真平台,并进行机器人逆运动学算法验证、工作空间计算和运动轨迹仿真。结果表明:所提逆运动学算法的误差优于10×10^(-6),精度较高,满足换刀精度要求;换刀机器人实现某一开挖直径8960 mm土压平衡盾构机87.6%的刀盘覆盖率和82.1%滚刀的更换,满足换刀范围要求;基于5次多项式轨迹规划算法,各关节运动平稳、无冲击,机器人出舱时间为70 s,作业过程未与舱体发生碰撞,验证了方案的可行性,并为换刀机器人智能控制奠定基础。