<noframes id="ll9r9"><address id="ll9r9"><nobr id="ll9r9"></nobr></address>
<noframes id="ll9r9">
<noframes id="ll9r9"><form id="ll9r9"></form>
    <em id="ll9r9"><form id="ll9r9"><th id="ll9r9"></th></form></em>
    容易發表/成功率高的期刊
    在線客服

    咨詢客服 咨詢客服

    咨詢郵箱:hz2326495849@163.com

    科學技術論文

    TBM清渣機器人機構及其軌跡規劃方法研究

    時間:2021年09月15日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:隧道底部清渣是TBM施工中鋼拱架立拱前的必備環節,針對敞開式TBM智能化、自動化施工需求,為實現隧道底部積渣的高效清理,開發一種新型清渣機器人機構。首先,對其結構及工作原理進行闡述;然后,以清渣機器人鏟斗臂為例進行運動學分析及工作空間計算;

      摘要:隧道底部清渣是TBM施工中鋼拱架立拱前的必備環節,針對敞開式TBM智能化、自動化施工需求,為實現隧道底部積渣的高效清理,開發一種新型清渣機器人機構。首先,對其結構及工作原理進行闡述;然后,以清渣機器人鏟斗臂為例進行運動學分析及工作空間計算;最后,基于多項式插值和梯形曲線提出一種混合軌跡規劃方法。仿真分析結果表明:所設計的清渣機器人參數合理,工作空間能夠滿足施工作業需求,可作為敞開式TBM施工過程中隧道底部積渣清理的有效解決方案。

      關鍵詞:TBM;清渣機器人;結構設計;運動學分析;軌跡規劃

    機器人

      0引言

      TBM是實施《中長期鐵路網規劃》、“一帶一路”倡議等路網建設的重大核心裝備[1],高效、安全是采用TBM開展隧道施工的核心競爭優勢[2]。TBM施工中,巖爆、頂部坍塌掉塊導致渣石堆積在隧道底部拱架安裝機附近,清渣已成為鋼拱架立拱前的必備環節[3]。目前,渣石的清理主要依靠人工作業,即人工采用鐵鍬和編織袋將積渣裝袋,然后采用運渣車運輸出去。該方法作業效率低,嚴重制約隧道快速開挖。因此,提升隧道底部清渣的自動化程度,已成為提高開挖效率、加快施工進度亟需解決的問題[4-5]。但隧道底部積渣體量、位置和粒徑分布具有隨機性,給清渣裝置的設計帶來巨大挑戰。

      機器人論文范例: 堆外核探測器安裝機器人設計與底盤運動分析

      德國Herrenknecht公司采用小型裝載機實現機械化作業,但對工作空間和操作人員技能要求高。意大利SELI公司研制了提斗式清渣機,但無法進行尋渣作業,且對工作空間要求較高。美國Robbins設計了一種4自由度輔助清渣機械臂,但其運渣工作需人工完成。西安理工大學研制了一種6自由度清渣機械臂[6],但該機械臂僅具有一種末端執行器,無法滿足大范圍渣石的清理。綜上所述,目前底部清渣總體上尚未實現自動化,渣土采集與運輸自動化在機構設計上有待突破。

      針對上述實際問題,結合隧道底部積渣狀態和現有的鋼拱架施工工法,以開挖直徑6400mm的敞開式TBM為搭載對象并建立試驗臺,提出一種隧道底部積渣清理機構搭配運渣小車的清渣方案,建立其清渣機械臂的運動學模型與軌跡規劃方法,為渣石的快速清理提供條件。

      1清渣機器人機構設計

      1.1主要邊界參數

      清渣機器人系統以直徑6400mm的敞開式TBM為搭載對象。開挖隧道斷面半徑O′A=3200mm,主梁高度OO′=1062mm,主梁寬度DE=1372mm,石渣堆積位置主要為隧道底部扇形ABC區域內,∠AO′B=∠CO′B=45°,清渣范圍最近距離OB=2138mm,最遠距離OA=OC=2420mm。

      1.2本體機構設計

      清渣機器人主要由吊梁鋼軌、滑動平臺、驅動電機、回轉支承、末端執行器和工業相機等組成。機構本體可沿主梁上吊梁鋼軌進行隧道軸向移動,滑臺驅動輪組、減速電機均安裝在滑動平臺安裝板上,滑動平臺由驅動輪組驅動;回轉支承連接滑動平臺安裝板與機械臂安裝板,實現機械臂安裝板的轉動?紤]到施工現場渣石粒徑不同,清渣機器人搭載3個臂身,分別為鏟斗臂、搭配高負壓工業吸塵器的吸塵臂以及瓣型抓手機械臂,并在末端配備不同的執行器。瓣型抓手機械臂用于處理粒徑大于300mm的少量孤石,鏟斗臂用于處理60~300mm中等粒徑積渣,吸塵臂用于處理粒徑小于60mm的積渣。

      1.3作業流程

      工業攝像頭集成安裝于主梁導軌上,采用機器視覺對渣石進行智能識別,并將圖像信息送至上位機進行特征提取;分析獲得渣石的位置坐標、渣量以及渣石粒徑等信息,指導機器人作業模式決策;然后進行運動軌跡設計(或手動控制),上位機將運動軌跡轉換為每個關節的運動變量,將其發送給運動控制器控制清渣機器人各關節的聯動;按給定的軌跡將渣石放置于清渣儲存裝置中,重復動作,直至石渣清理完畢。

      2清渣機器人運動學分析

      以清渣機器人鏟斗臂為研究對象,建立數學模型,并對其末端鏟斗的位姿與關節變量關系進行求解。由于鏟斗臂在主梁上的滑動只改變清渣機器人的相對位置,而對末端姿態沒有影響,因此,分析時先不考慮其在吊梁鋼軌上的移動自由度。

      3機械臂工作空間計算

      工作空間表示機器人末端可以到達的幾何空間,是清渣機械臂的重要指標之一。目前,計算和描繪方法有很多,包括解析法、數值法、圖解法等。其中,數值法中最具代表性的蒙特卡洛法具有思路簡單、不受機械臂構型限制的優點。因此,本文采用該方法進行工作空間計算,其具體實現過程為:1)確定各關節變量的運動極限;2)用Matlab的rand函數生成大量關節變量的隨機值;3)將得到的隨機值代入到正運動學模型,即式(2),獲得大量空間坐標;4)用plot3函數將各散點顯示在空間中,即為鏟斗臂斗尖的可達空間范圍。

      4機械臂軌跡規劃

      在實際清渣過程中,一般是已知鏟斗臂的當前位姿、目標位姿、路徑所經過有限個節點以及關節運動的速度、加速度極限信息,然后采用數學方法計算得到鏟斗臂的時變規律,以保證清渣臂在約束范圍內快速、平穩、無沖擊地完成作業[10]。目前,常用的方法主要有多項式插值、梯形速度曲線和樣條曲線插值[11-13]等。其中,梯形速度曲線能夠保證機械臂以最大加速度運動,能夠使運動時間最短,但是加速度發生突變,導致機器人沖擊較大;多項式軌跡規劃通過對速度和加速度進行約束,能夠使機器人運動平穩、無沖擊。

      5結論與討論

      1)本文設計了一種新型的隧道底部積渣清理機器人機構,以實際的TBM為搭載對象,對其結構及作業流程進行闡述。通過正、逆運動學分析及工作空間計算最終表明,該機構滿足設定的清渣作業需求,為掘進機底部積渣清理提供了新的方案。2)為保證機械臂運動過程中其關節運動能連續、平滑、無沖擊地完成作業,基于多項式插值和梯形速度曲線,提出了一種混合插值軌跡規劃方法。根據得到的角度變化曲線、角速度變化曲線、角加速度變化曲線可知,機械臂運行過程中,關節的平滑性及平穩性良好。3)針對此清渣機構解決方案,下一步將深度融合機器視覺及智能識別技術,進行樣機搭載試驗,以滿足TBM施工清渣自動化及智能化的迫切需求。

      參考文獻(References):

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

      [2]洪開榮,陳饋,楊延棟,等.極端復雜地質新型TBM研制及工程關鍵技術應用[Z].鄭州:盾構及掘進技術國家重點實驗室,2020HONGKairong,CHENKui,YANGYandong,etal.DevelopmentofanewtypeofTBMforextremelycomplexgeologyandapplicationofkeyengineeringtechnologies[Z].Zhengzhou:StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,2020.

      [3]王雁軍,齊夢學.巖石掘進機關鍵技術展望[J].隧道建設(中英文),2018,38(9):1428.WANGYanjun,QIMengxue.Prospectsofkeytechnologiesofrocktunnelboringmachine[J].TunnelConstruction,2018,38(9):1428.

      [4]郭燦.高黎貢山隧道TBM適應性設計和掘進性能的測試分析[D].石家莊:石家莊鐵道大學,2019.GUOCan.TestandanalysisofTBMadaptabilitydesignandtunnelingperformanceinGaoligongshantunnel[D].Shijiazhuang:ShijiazhuangRailwayUniversity,2019.

      作者:原曉偉,卓興建,姜禮杰,孫顏明,楊航

    亚洲AV片劲爆在线观看