一种新型TBM清渣机器人机构设计与试验.pdf

第54卷第4期工程科学与技术Vol.54No.4

2022年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJuly2022

•川藏铁路工程与环境•

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

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州450016)

摘要:隧道底部积渣清理是TBM（tunnelingboringmachine）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3830mm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53s，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。

关键词:TBM；清渣机器人；机构设计；控制；试验

中图分类号:U45文献标志码:A文章编号:2096-3246（2022）04-0012-08

DesignandExperimentofMuckRemovalRobotforTunnelingBoringMachine

HEFei，ZHUOXingjian，SUNYanming，YUANXiaowei，JIANGLijie

(ChinaRailwayEng.EquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,China)

Abstract:Muckremovalatthebottomoftunnelisrequiredbeforesteelarcherectionintunnelingboringmachine(TBM)construction.Withthe

increasingrequirementsforquality,efficiencyandsafety,thetraditionalmanualmuckremovalisdifficulttomeettheconstructionrequirements.

Amuckremovalmethodfortherobotwasproposed.Firstly,thedistributionofmuckatthebottomofthetunnelandthecharacteristicsoftheen-

vironmentalstructurewereanalyzed,thedesignrequirementsoftherobotwereobtained,andthenewrobotstructurewasdesig