盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法和盾构机与流程

本发明涉及盾构，具体而言，涉及一种盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法和盾构机。

背景技术：

1、掘进机施工过程，刀盘上的刀具对地层进行切削，刀具的磨损、脱落不可避免，需要进行刀具的检测和更换。目前，刀具的检测和更换主要由人工进行，在密闭、狭小、高温、高湿、高压、缺氧等极端环境下，工人进行重量高达250kg刀具的拆卸、搬运、安装等操作，导致效率低、成本高，存在极大的安全风险，无法满足掘进机安全快速掘进的要求。随着换刀问题的日益突出，国内外进行刀盘刀具检测/换刀机器人研究，其主要功能是进行磨损刀具的检测，将磨损刀具从刀盘上拆卸，运回机器人舱，从机器人舱抓取新的刀具，并安装至刀盘上。

2、在机器人作业过程，为进行刀具检测、拆卸、运输、安装等作业，需要机器人末端执行器以特定的姿态高精度作业。由于机器人机械系统(包括末端执行器和机器臂本体等)要避开舱门、扭腿等障碍物，但为满足舱体狭小空间、大作业范围、灵活性的要求，设计的换刀机器人自由度普遍较多，而采用远程遥控操作存在作业尺度大、视野受限，导致操作难、定位精度低、施工速度慢，且作业效果依赖操作人员的技术水平和熟练程度。

3、当采用常规的控制方法时，需手动控制机器人单关节运动，要多次调整机器人各关节才能到达目标位置。

4、自动化、智能化换刀不仅能够减少人工参与，还能提高施工效率。在障碍物较多的狭窄空间内，如何智能规划一条适用于换刀机器人进行换刀作业的路径，以指导换刀机器人作业，是需要解决的一项技术难点。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种有利于提高作业效率的盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法和盾构机。

2、根据本发明实施例的一个方面，本发明提供了一种盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法，作业方法包括：

3、构建机器人的无碰撞路径的数据库；

4、获取机器人的机器臂的当前姿态和获取机器臂的目标姿态；

5、在数据库查询由当前姿态到目标姿态的无碰撞路径并对路径进行优化；以及

6、控制机器臂按照优化后的路径由当前姿态向目标姿态运动。

7、在一些实施例中，构建机器人的无碰撞路径包括：

8、构建机器臂的无碰撞空间；

9、获得机器臂的当前姿态qcur，并将当前姿态作为路径pathini的起始点；

10、随机生成机器臂的中间姿态qrand；

11、寻找pathini中距离中间qrand最近的临近姿态qnear；

12、以固定步长l在临近姿态qnear和中间姿态qrand之间生成新姿态qnew；

13、若新姿态qnew位于无碰撞的构型空间内，则将新的姿态qnew添加到路径pathini；

14、重复生成中间姿态qrand、寻找临近姿态qnear和生成新的姿态qnew直至新的姿态qnew与机器臂的目标姿态qgoal距离小于设置的阈值ξ；

15、将当前姿态qcur、目标姿态qgoal以及多个新的姿态qnew作路径。

16、在一些实施例中，

17、qcur＝[qcur_i，……qcur_n],其中qcur_i表示当前姿态的机器臂的n个关节中的第i个关节相对于其原始位置的运动量，qcur_n表示当前姿态的第n个关节相对于其原始位置的运动量，0<i<n。

18、在一些实施例中，

19、qrand＝[qrand_i，……qrand_n]，其中qrand_i表示中间姿态的机器臂的第i个关节相对于其原始位置的运动量，qrand_n表示中间姿态的第n个关节相对于其原始位置的运动量，0<i<n。

20、在一些实施例中，

21、qrand_i＝qimin+(qimax-qimin)×ti，0≤ti≤1，其中，

22、qimin表示机械臂的第i个关节的运动范围的最小值；

23、qimax表示机械臂的第i个关节的运动范围的最大值。

24、在一些实施例中，

25、qnear＝[qnear_i，……qnear_n],其中qnear_i表示临近姿态的机器臂的第i个关节相对于其原始位置的运动量，qnear_n表示临近姿态的第n个关节相对于其原始位置的运动量，0<i<n,其中，qnear为：

26、pathini_h表示pathini中当前已有的第h个路径数据，fi表示机器臂的第i个关节的运动代价权重，且满足

27、在一些实施例中，

28、qnew＝[qnew_i，……qnew_n]，其中qnew_i表示新的姿态的机器臂的第i个关节相对于其原始位置的运动量，qnew_n表示临近姿态的第n个关节相对于其原始位置的运动量，0<i<n,其中，

29、

30、

31、max[qnear-qrand]表示机器臂的多个关节的中间姿态和临近姿态距离中的最大值。

32、在一些实施例中，生成中间姿态qrand包括将目标姿态qgoal作为中间姿态qrand。

33、在一些实施例中，对路径进行优化包括：

34、路径的起始点为np1+0,路径的起始点后的第m个节点为np1+m，优化后的路径上的节点为np1+k,其中：

35、

36、在一些实施例中，构建机器臂的无碰撞空间包括：

37、建立机器人的工作环境的数学模型和机器臂的数学模型；

38、随机生成机器臂的一个姿态下的构型；

39、判断该姿态的机器臂是否与工作环境内的障碍碰撞；

40、若该姿态的机器臂与障碍物无碰撞，则将该姿态的加入到无碰撞空间。

41、在一些实施例中，

42、建立机器人的工作环境的数学模型包括建立包含障碍物的规则形状的数学模型。

43、在一些实施例中，规则形状包括球体、圆柱体、长方体、棱柱、半球体中的至少一个。

44、在一些实施例中，判断该姿态的机器臂是否与工作环境内的障碍碰撞包括判断机器人的数学模型和障碍物的数学模型是否有交集，若无交集则机器人和障碍物无碰撞。

45、根据本发明的另一方面，还提供了一种盾构机，盾构机包括执行上述的作业方法的处理器。

46、应用本申请的技术方案，在盾构机的非作业状态下预先离线建立机器人无碰撞路径数据库，在需要机器人进行换刀或检测作业时，可调用数据库中的路径，因此本实施例的作业方法可以有效地提高机器人的作业效率。

47、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的作业方法，其特征在于，所述构建机器人(3)的无碰撞路径包括：

3.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的作业方法，其特征在于，

6.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，

7.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，

8.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，所述生成中间姿态qrand包括将所述目标姿态qgoal作为所述中间姿态qrand。

9.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，对所述路径进行优化包括：

10.根据权利要求2所述的作业方法，其特征在于，所述构建所述机器臂的无碰撞空间包括：

11.根据权利要求10所述的作业方法，其特征在于，

12.根据权利要求11所述的作业方法，其特征在于，所述规则形状包括球体、圆柱体、长方体、棱柱、半球体中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的作业方法，其特征在于，判断该姿态的机器臂是否与所述工作环境内的障碍碰撞包括判断所述机器人的数学模型和所述障碍物的数学模型是否有交集，若无交集则所述机器人和所述障碍物无碰撞。

14.一种盾构机，其特征在于，包括执行权利要求1至13中任一项所述的作业方法的处理器。

技术总结
本发明涉及一种盾构机的检测或更换刀盘刀具的机器人的作业方法和盾构机，作业方法包括：构建所述机器人(3)的无碰撞路径的数据库；获取所述机器人(3)的机器臂的当前姿态和获取所述机器臂的目标姿态；在所述数据库查询由所述当前姿态到所述目标姿态的无碰撞路径并对所述路径进行优化；控制所述机器臂按照优化后的所述路径由所述当前姿态向所述目标姿态运动。

技术研发人员：孙颜明,姜礼杰,原晓伟,杨航,文勇亮,王一新,吴乾坤,李正道,钱豪,彭飞虎,王若愚,张培,李明泽,王珩,张洪雷,张凯
受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14