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

　　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。考慮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)：

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　　[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