【摘 要】
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随着国内以及一带一路沿线国家地下工程、隧道工程以及引水工程等基础设施建设的不断发力,全断面岩石掘进机凭借着其掘进效率高、安全性能好以及施工成本低等优点,被广泛应用于各种隧道建设中。TBM在掘进过程中主要依靠刀盘上的滚刀进行破岩,在与岩土的强烈作用下,滚刀极易磨损失效。失效的滚刀需要及时更换以保证TBM的正常掘进,然而目前TBM失效滚刀的更换几乎全部依赖人工,人工更换会带来一系列的负面问题,包括施工
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随着国内以及一带一路沿线国家地下工程、隧道工程以及引水工程等基础设施建设的不断发力,全断面岩石掘进机凭借着其掘进效率高、安全性能好以及施工成本低等优点,被广泛应用于各种隧道建设中。TBM在掘进过程中主要依靠刀盘上的滚刀进行破岩,在与岩土的强烈作用下,滚刀极易磨损失效。失效的滚刀需要及时更换以保证TBM的正常掘进,然而目前TBM失效滚刀的更换几乎全部依赖人工,人工更换会带来一系列的负面问题,包括施工人员安全、低效率以及高成本等,因此使用机器人进行失效滚刀的安全高效更换是当前研究的热点。但是现有的TBM换刀机器人末端定位误差非常大,在滚刀的识别和定位方面仍然需要人工辅助,很难进行大规模工程应用,因此对于TBM换刀机器人的末端定位研究至关重要。针对以上问题,本文主要工作内容如下:（1）针对TBM换刀机器人系统在滚刀的识别和定位仍然需要人工辅助这一问题,分析并总结了存在这一问题的原因,包括换刀机器人运动学模型不准确、由于负载大导致机器人存在较大的时变变形以及换刀环境为非结构化环境。对于这些问题,本文提出为换刀机器人系统增加双目视觉代替人眼识别刀具系统,并提供视觉反馈环节来提高机器人末端定位精度。（2）为便于进行实验验证,确定了TBM换刀机器人的缩尺比例,并对其进行了缩尺设计,机器人由原来的PPRPPR结构变为了PRPPR结构,但是整体的运动形式保持不变。然后利用改进的D-H法对其进行了正运动学建模,并利用Matlab机器人工具箱对其进行了验证。最后利用几何法对机器人进行了逆运动学建模,并验证了其正确性。（3）针对传统刀具无法直接使用机器人更换的问题,提出了一种新型一体化刀具系统,并且对该刀具系统进行了特征分析和提取。针对利用灰度处理、二值化处理以及模板匹配等方法无法快速有效提取螺栓特征的缺点,提出了一种基于YOLO-SIFT的刀具特征识别提取算法,并进行了识别实验。实验结果显示所提出的算法能够快速提取出螺栓特征点,并且所识别的螺栓像素坐标相对误差小于1.5%。（4）搭建了基于双目视觉的TBM换刀机器人末端定位系统,并且完成了双目相机的内外参标定。为了验证该系统的有效性,一套缩尺实验台被搭建,包括TBM刀具姿态模拟试验台和TBM换刀机器人缩尺试验台。通过调节5组不同的刀具位姿进行实验,实验结果表明:所提出的基于双目视觉的TBM换刀机器人末端定位系统的精度能够达到2.5mm,满足目标要求。
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