盾构智能识别检修换刀机器人及方法技术

本发明专利技术公开了盾构智能识别检修换刀机器人及方法，属于隧道掘进施工技术领域，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。该机器人结合数字摄影测量技术，对刀具磨损情况进行检测，并采用机械手换刀，实现刀具检测与更换的自动化全过程，保证操作人员安全，提高检修效率，降低施工过程成本；可以解决现有技术中刀具磨损检测耗时长、精确度低、检修不连贯、换刀风险大等问题。换刀风险大等问题。换刀风险大等问题。

【技术实现步骤摘要】
盾构智能识别检修换刀机器人及方法


[0001]本专利技术属于隧道掘进施工
，具体涉及一种盾构智能识别检修换刀机器人及方法。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]盾构法是一种采用盾构机在地层中掘进的机械化施工方法，具有自动化程度高、掘进速度快、施工效率高、安全环保等优点。随着地下空间开发规模不断扩大，盾构法施工得到了日益广泛的运用。
[0004]在掘进时盾构刀盘位于最前端，通过刀盘转动掘削土体，同时支撑开挖面，是掘进系统的关键部件。在掘进过程中，由于盾构刀具与岩土体的相互接触作用，刀具磨损时有发生。在刀具磨损后若不能及时发现或更换，会造成刀具超量磨损、断裂，甚至影响整个刀盘，造成盾构机掘进速度降低，不得不进行开舱检修，延长工期，增加施工成本。
[0005]目前，已有的刀具检测技术，如刀具磨损感应装置、异味添加剂、掘进参数分析等精确度不足，效果不佳，而开舱检测以及后续的开舱换刀主要依靠人工操作，且换刀时常为带压作业，耗时长，风险大，费用高。因此刀具磨损后进行安全、高效、经济的检修更换具有重大意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供盾构智能识别检修换刀机器人及方法，该机器人结合数字摄影测量技术，对刀具磨损情况进行检测，并采用机械手换刀，实现刀具检测与更换的自动化全过程，保证操作人员安全，提高检修效率，降低施工过程成本；可以解决现有技术中刀具磨损检测耗时长、精确度低、检修不连贯、换刀风险大等问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种盾构智能识别检修换刀机器人，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。
[0009]作为进一步的技术方案，所述图像采集装置包括摄像装置、照明设备和冲洗设备，三者独立固定于机械手。
[0010]作为进一步的技术方案，所述机械手包括机械手底座，机械手底座与末端执行器转动连接，以适应不同空间角度的刀具。
[0011]作为进一步的技术方案，所述末端执行器至少设置一个，末端执行器包括两相对的指爪，指爪之间通过夹持油缸连接，指爪和夹持油缸通过销轴连接。
[0012]作为进一步的技术方案，所述导轨水平设置，导轨内设置滚珠丝杠Ⅰ，滚珠丝杠Ⅰ和丝杠螺母块Ⅰ连接，丝杠螺母块Ⅰ和基座连接，以带动基座水平移动。
[0013]作为进一步的技术方案，所述基座端部和转向装置通过销轴Ⅰ连接，伸缩臂与转向装置通过销轴Ⅱ连接。
[0014]作为进一步的技术方案，所述销轴Ⅰ和销轴Ⅱ的设置方向相垂直。
[0015]作为进一步的技术方案，所述伸缩臂内设置滚珠丝杠Ⅱ，滚珠丝杠Ⅱ和丝杠螺母块Ⅱ连接，机械手与丝杠螺母块Ⅱ固定连接。
[0016]第二方面，本专利技术还提供了一种如上所述的盾构智能识别检修换刀机器人的工作方法，包括以下步骤：
[0017]对盾构刀盘进行点云扫描，获取其几何特征参数，构建盾构三维模型；相机标定，确定世界坐标系下三维空间点与像素平面像素点间的转换关系与成像过程中的畸变系以用于图像矫正；
[0018]采集图像，利用图像采集装置获得清晰的刀具图像；进行空间姿态解算，确定线性投影矩阵；
[0019]通过图像处理获取准确的刀具边缘信息，后完成特征提取与同名点选取；将前述模型与刀具边缘信息作对比，进行刀具磨损状况分析。
[0020]作为进一步的技术方案，刀具磨损状况分析后，确定刀具是否需要更换，需要更换时，控制换刀机器人对刀具进行更换。
[0021]上述本专利技术的有益效果如下：
[0022]本专利技术的换刀机器人，依托TBM原型机，结合刀盘滚刀布置规律和运动规律进行设计，该机器人可通过伸缩臂的旋转以及机械手沿伸缩臂滚珠丝杠的移动实现滚刀极径与极角的调整，扩大了检测与换刀范围，并通过机械手自身转动实现了对盾构刀盘上不同姿态滚刀的检测与更换。
[0023]本专利技术的换刀机器人，通过图像采集装置对刀具进行观察，借助冲洗设备冲刷刀具脏污，照明设备调整亮度，从而获得清晰图像，经数据分析后，获取刀具磨损信息，进而判定刀具使用寿命并利用机械手实施刀具更换作业。本专利技术突出优点在于全过程可视化，检测更换一体进行，可替代人工对盾构刀具的检测与更换，实现对刀具磨损状况的高效、精准检测，提高换刀安全系数。
[0024]本专利技术换刀机器人的工作方法，借助固定在机械臂上的图像采集装置，利用相机和光源对盾构刀具图像进行采集，采用机器视觉技术对得到的图像数据进行分析，提取刀具磨损特征，再通过计算误差与阈值比较，判定刀具磨损状况以及是否需要更换刀具。随后利用机械手，对待更换刀具进行自动化换刀操作。
附图说明
[0025]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0026]图1为本专利技术盾构智能识别检修换刀机器人整体结构示意图；
[0027]图2为本专利技术导轨结构示意图；
[0028]图3为本专利技术基座与转向装置结构示意图；
[0029]图4为本专利技术伸缩臂结构示意图；
[0030]图5为本专利技术机械手结构示意图；
[0031]图6为本专利技术基于机器视觉的刀具磨损识别检测流程图；
[0032]图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
[0033]其中，1为导轨，2为基座，3为转向装置，4为伸缩臂，5为摄像装置，6为照明设备，7为冲洗设备，8为机械手，1
‑
1为丝杠螺母块Ⅰ，1
‑
2为滚珠丝杠Ⅰ，1
‑
3为固定螺栓，1
‑
4为固定螺栓，3
‑
1为销轴Ⅰ，3
‑
2为销轴Ⅱ，4
‑
1为滚珠丝杠Ⅱ，4
‑
2为丝杠螺母块Ⅱ，4
‑
3为固定螺栓，8
‑
1为机械手底座，8
‑
2为销轴Ⅲ，8
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3为末端执行器，8
‑
4为销轴Ⅳ，8
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5为夹持油缸。
具体实施方式
[0034]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0035]本专利技术的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种盾构智能识别检修换刀机器人，将导轨1固定于收纳区内，依靠基座2在导轨上的前后位移实现机器人从收纳区至开挖舱的纵向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，包括固定设置的导轨，导轨顶部和基座滑动连接，基座端部与转向装置转动连接，转向装置与伸缩臂转动连接，以带动伸缩臂在竖直与平行刀盘平面内转动；所述伸缩臂与机械手滑动连接，机械手可夹持刀具，且机械手固定设置图像采集装置以采集刀具图像，以对刀具磨损状况进行分析。2.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述图像采集装置包括摄像装置、照明设备和冲洗设备，三者独立固定于机械手。3.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述机械手包括机械手底座，机械手底座与末端执行器转动连接，以适应不同空间角度的刀具。4.如权利要求3所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述末端执行器至少设置一个，末端执行器包括两相对的指爪，指爪之间通过夹持油缸连接，指爪和夹持油缸通过销轴连接。5.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换刀机器人，其特征是，所述导轨水平设置，导轨内设置滚珠丝杠Ⅰ，滚珠丝杠Ⅰ和丝杠螺母块Ⅰ连接，丝杠螺母块Ⅰ和基座连接，以带动基座水平移动。6.如权利要求1所述的盾构智能识别检修换...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旌，于啸，房忠栋，张延欢，刘洪亮，巴兴之，张益杰，韩义哲，张雅铭，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：