针对全断面岩石隧道掘进机(TBM)施工过程中滚刀频繁失效、换刀空间狭小及人工作业困难等问题,提出一种6自由度换刀机器人,并进行换刀范围分析、关节轨迹规划及运动控制仿真.首先,基于Denavit-Hartenberg(D-H)法建立运动学模型,采用蒙特卡洛伪随机法求解末端执行器工作空间,并针对TBM刀盘实例计算机器人换刀范围;其次,通过基于多段中间点的五次多项式插值法进行换刀机器人轨迹规划,求解各关节运动参数;最后,以规划轨迹为输入参数进行运动控制仿真.结果 表明:TBM整盘滚刀的总换刀率可达84.9％;规划轨迹下的各关节运动过程没有刚性与柔性冲击;移动关节的运动控制最大误差区间为[0.005m,0.005m],相对误差为0.46％,转动关节最大误差区间为[0.35°,0.35°],相对误差仅0.19％,定位精度良好.研究成果可为TBM换刀机器人智能控制研究与工程现场应用提供借鉴.
隧道工程 TBM换刀机器人 运动学建模 换刀范围 轨迹规划 运动控制