盾构换刀机器人设计与应用

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.003

摘要/Abstract

摘要：

针对盾构机施工过程中人工换刀劳动强度大、作业风险高、操作效率低等问题，提出了一种采用机器代人的换刀作业方案。设计了一种适于机器人操作的新型滚刀系统与高功率密度冗余自由度机器人机构；采用D-H参数法进行运动学建模，实现机器人位姿计算，通过快速扩展随机树（RRT）算法进行机器人换刀路径规划，实现运动过程避障路径计算，基于B样条曲线实现机器人关节运动轨迹计算；搭建了机器人换刀仿真分析平台，验证了所提方案的有效性；最后，搭建了换刀机器人试验台，构建了基于操作层、控制层、执行层的换刀机器人控制系统，通过参数标定、实验室和工程测试验证了换刀机器人系统设计方案的可行性。

关键词: 盾构机, 换刀机器人, 结构设计, 仿真分析

Abstract:

To address the problems of high labor intensity， high operational risk， and low operational efficiency in manual disc cutter changing during shield tunneling machine construction， a changing operation plan using robot instead of humans was proposed. A new type of tool system suitable for robot operation and a high-power density redundant degree of freedom robot mechanisms were designed.The D-H parameter method was used for kinematic modeling， the robot pose calculation was achieved. The rapidly-exploring random tree（RRT） algorithm was used for robot tool change path planning， the obstacle avoidance path calculation was achieved during the motion processes. Based on the B-spline curves， the robot joint motion trajectory calculation was achieved. A simulation analysis platform was built for robot tool changing， and the effectiveness of the proposed solution was verified. Finally， a tool changing robot test bench was built， and a tool changing robot control system was constructed based on the operation layer， control layer， and execution layer. The feasibility of the tool changing robot system design scheme was verified through parameter calibration， laboratory and engineering testing.

Key words: shield machine, disc cutter changing robot, structure design, simulation analysis

中图分类号:

TP24

姜礼杰, 杨航, 韩冬, 孙颜明, 王一新, 吴乾坤, 贾连辉. 盾构换刀机器人设计与应用[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1037-1044.

JIANG Lijie, YANG Hang, HAN Dong, SUN Yanming, WANG Yixin, WU Qiankun, JIA Lianhui. Design and Applications of Disc Cutter Changing Robots for Shield Machines[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(5): 1037-1044.

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图/表 22

图1 传统滚刀系统结构图

Fig.1 Structural diagram of traditional disccutter system

图2 新型滚刀系统结构设计图

Fig.2 Design diagram of new disc cutter system

图3 新型滚刀系统结构与拆卸步骤示意图1.滚刀刀轴 2.顶紧块 3.螺栓 4.螺母 5.C形块 6.刀箱

Fig.3 Schematic diagram of the structure and disassembly steps of new disc cutter system

图4 换刀机器人安装及工作空间提取

Fig.4 Installation and workspace extraction of disc cutter changing robot

图5 机器人换刀动作需求分析图解

Fig.5 Diagram of requirement analysis for robot disc cutter changing action

图6 换刀机器人最终构型示意图

Fig.6 Schematic diagram of the final configuration of the disc cutter changing robot

图7 换刀机器人结构示意图

Fig.7 Sketch of disc cutter changing robot

图8 换刀机器人连杆坐标系

Fig.8 Link coordinate system of disc cutter changing robot

图9 路径规划算法流程图

Fig.9 Flow chart of path planning algorithm

图10 换刀机器人仿真运动时序图

Fig.10 Simulation motion sequence diagram of disc cutter changing robot

图11 移动关节的变化情况

Fig.11 Change in position coordinates of prismatic joints

图12 转动关节的变化情况

Fig.12 Change in position coordinates of rotary joints

图13 换刀机器人样机

Fig.13 Prototype of disc cutter changing robot

图14 刀盘运动示意图

Fig.14 Diagram of cutterhead movement

图15 滚刀系统模拟试验台

Fig.15 Disc cutter syster simulation test bench

图16 换刀机器人控制系统示意图

Fig.16 Schematic diagram of disc cutter changing robot control system

表1 换刀机器人样机及滚刀姿态模拟试验台参数表

Tab.1 Parameter table for prototype of disc cutter changing robot and cutter posture simulation test bench

序号	参数	数值
1	机器人臂展范围/m	0~3.5
2	机器人最大负载能力/kg	500
3	机器人自由度	8
4	模拟试验台自由度	5
5	可模拟刀盘直径/m	8~15
6	机器人存储空间截面尺寸/（m×m）	0.9×0.9

图17 换刀机器人参数标定

Fig.17 Parameter calibration of disc cutter changing robot

图18 换刀机器人室内试验运动时序图

Fig.18 Motion Sequence diagram of the disc cutter changing robot during indoor experiment

图19 换刀机器人工程组装

Fig.19 Engineering assembly of the disc cutter changing robot

图20 换刀机器人换刀区域示意图

Fig.20 Schematic diagram of the tool changing area of the disc cutter changing robot

图21 实际工程中换刀机器人换刀试验

Fig.21 Disc cutter changing test of disc cutter changing robot in a real project

参考文献 22

[1]	HUANG Xing， LIU Quansheng， SHI Kai， et al. Application and Prospect of Hard Rock TBM for Deep Roadway Construction in Coal Mines［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2018， 73： 105-126.
[2]	司景钊，曾云川，刘建兵. 复杂地质铁路隧道敞开式TBM施工挑战及思考［J］. 隧道建设（中英文）， 2021， 41（3）： 433-440.
	SI Jingzhao， ZENG Yunchuan， LIU Jianbing. Challenges and Some Thoughts on Open-TBM Construction in a Railway Tunnel with Complex Geologies［J］. Tunnel Construction， 2021， 41（3）： 433-440.
[3]	贾连辉，李晓科，袁文征，等. 基于拓扑优化和Kriging模型的前中盾结构轻量化设计［J］. 中国机械工程， 2022， 33（23）： 2888-2897.
	JIA Lianhui， LI Xiaoke， YUAN Wenzheng， et al. Lightweight Design of Front and Middle Shield Structures Based on Topology Optimization and Kriging Model［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（23）： 2888-2897.
[4]	YUAN J， GUAN R， GUO D， et al. Discussion on the Robotic Approach of Disc Cutter Replacement for Shield Machine［C］∥2020 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics（RCAR）. Asahikawa， 2020： 204-209.
[5]	杜立杰. 中国TBM施工技术进展、挑战及对策［J］. 隧道建设， 2017， 37（9）： 1063-1075.
	DU Lijie. Progresses， Challenges and Countermeasures for TBM Construction Technology in China［J］. Tunnel Construction， 2017， 37（9）： 1063-1075.
[6]	CAMUS T， MOUBARAK S. Maintenance Robotics in TBM Tunnelling［C］∥32nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining （ISARC 2015）.Oulu， 2015：1-8.
[7]	DERYCKE J N， RUBRECHT S. Method for Replacing a Tunnel Boring Machine Roller Cutter， Handling Device and Roller Cutter Suited to such a Method： US20130045055［P］. 2013-02-21.
[8]	NeTTun： New Technologies for Tunnelling and Underground Works［EB/OL］. ［2025-12-02］. .
[9]	董德鹏. 盾构机换刀机器人增量式数字阀控液压伺服技术研究［D］. 沈阳：东北大学， 2020.
	DONG Depeng. Research on Incremental Digital Valve Control Hydraulic Servo Technology for TBM Cutter Changing Robot［D］. Shenyang： Northeastern University， 2020.
[10]	YANG Mei， ZENG Guiying， REN Yong， et al. Accessibility and Trajectory Planning of Cutter Changing Robot Arm for Large-diameter Slurry Shield［J］. Mechanics， 2023， 29（3）： 214-224.
[11]	DU Liang， YUAN Jianjun， BAO Sheng， et al. Robotic Replacement for Disc Cutters in Tunnel Boring Machines［J］. Automation in Construction， 2022， 140： 104369.
[12]	张海东，黄磊，霍军周. TBM换刀机器人的设计分析与运动控制［J］. 应用基础与工程科学学报， 2021， 29（5）： 1234-1244.
	ZHANG Haidong， HUANG Lei， HUO Junzhou. Design and Motion Control of Disc Cutter Changing Robot for TBM［J］. Journal of Basic Science and Engineering， 2021， 29（5）： 1234-1244.
[13]	吕浩伟. 盾构机辅助换刀机器人机构设计及其定位精度分析［D］. 济南：山东大学， 2023.
	Haowei LYU. Mechanism Design and Positioning Accuracy Analysis of Shield Assisted Tool Change Robot［D］. Jinan： Shandong University， 2023.
[14]	钱文学，宋帅，李昊，等. 基于混合样条曲线的换刀机器人换刀轨迹规划研究［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2021， 42（10）： 1427-1434.
	QIAN Wenxue， SONG Shuai， LI Hao， et al. Research on Tool-changing Trajectory Planning of Tool-changing Robots Based on Hybrid Spline Curves［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2021， 42（10）： 1427-1434.
[15]	陶治同，陶建峰，覃程锦，等. 基于时间冲击最优的TBM换刀机器人轨迹规划［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2023， 57（1）： 1-9.
	TAO Zhitong， TAO Jianfeng， QIN Chengjin， et al. Trajectory Planning of TBM Disc Cutter Changing Robot Based on Time-jerk Optimization［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2023， 57（1）： 1-9.
[16]	殷光淼，朱国力，谢哲，等. 基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统［J］. 计算机集成制造系统， 2024， 30（3）： 811-824.
	YIN Guangmiao， ZHU Guoli， XIE Zhe， et al. Monitoring System for Shield Machine Tool Changing Robot Based on Digital Twin［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2024， 30（3）： 811-824.
[17]	刘四进，马浴阳，王华伟，等. TBM换刀机器人新型刀具系统设计分析［J］. 隧道建设（中英文）， 2024， 44（10）： 2094-2102.
	LIU Sijin， MA Yuyang， WANG Huawei， et al. Design and Analysis of a Novel Cutter System for a Cutter-changing Robot in Tunnel Boring Machines［J］. Tunnel Construction， 2024， 44（10）： 2094-2102.
[18]	MENG Z， YANG D， HUO J， et al. Development and Performance Evaluation of an Integrated Disc Cutter System for TBMS［J］. Applied Sciences， 2021， 11（2）： 644.
[19]	杨冬建. 基于双目视觉的TBM换刀机器人末端定位研究［D］. 大连：大连理工大学， 2021.
	YANG Dongjian. Study on End Positioning of TBM Cutter Changing Robot Based on Binocular Vision［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2021.
[20]	郭俊可，王杜娟. 基于视觉导航定位的盾构机器人换刀技术研究［J］. 隧道建设（中英文）， 2021， 41（2）： 300-307.
	GUO Junke， WANG Dujuan. Research on Cutter-replacement Technology for Shield Machine Using Robot Based on Visual Navigation Positioning［J］. Tunnel Construction， 2021， 41（2）： 300-307.
[21]	张意龙. 狭窄空间下的盾构机刀盘缺陷检测与换刀机器人路径规划研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2025.
	ZHANG Yilong. Defect Detection of Shield Cutter Plate and Path Planning of Tool-changing Robot in Narrow Space［D］. Harbin： Harbin University of Science and Technology， 2025.
[22]	张志文，刘伯威，张继园，等. 麻雀搜索算法-粒子群算法与快速扩展随机树算法协同优化的智能车辆路径规划［J］. 中国机械工程， 2024， 35（6）： 993-999.
	ZHANG Zhiwen， LIU Bowei， ZHANG Jiyuan， et al. Cooperative Optimization of Intelligent Vehicle Path Planning Based on PSO-SSA and RRT［J］. China Mechanical Engineering， 2024， 35（6）： 993-999.