一种新型TBM清渣机器人机构设计与试验

贺飞; 卓兴建; 孙颜明; 原晓伟; 姜礼杰

doi:10.15961/j.jsuese.202101044

工程科学与技术 ›› 2022, Vol. 54 ›› Issue (04) : 12 -19. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101044

一种新型TBM清渣机器人机构设计与试验

贺飞, 卓兴建, 孙颜明, 原晓伟, 姜礼杰

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摘要

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。