本发明属于机器人机身结构设计技术领域，根据已有的全断面硬岩掘进机内部结构，设计了一种安装于全断面硬岩掘进机内部的换刀机器人机身结构。
背景技术：
全断面硬岩掘进机(tbm)已成为国际上快速开挖隧道的主流,是国内外最先进的隧道施工方法之一。近年来，随着我国经济与科技的快速发展，以及对装备制造业的扶持，在今后相当长的一段时间内，地下空间的开发将广泛开展，tbm在我国也有着空前广泛的应用前景。当前tbm在掘进过程中的主要磨损件为盘形滚刀，因此滚刀的更换是tbm掘进过程中必不可少的工序，且滚刀的更换时间占工程总时间比例极大，目前滚刀的更换方式多采用工人手工操作更换，更换时间受工人的经验影响极大，且由于tbm长期处于恶劣的工作环境，换刀工人的人身安全也很难得到保障。因此，研制出可由工人远程操作的机器人来替代人工换刀十分必要。
当前工业机器人多采用伺服电机驱动，对于tbm滚刀来说，其重量约为200kg，这就需要利用大体积电机才能驱动，而tbm内部空间十分狭小，难以放置大体积电机。tbm内部结构多为直线式的通道，而传统工业机器人的工作空间多为球形，无法很好的适应tbm内部结构，因此，传统的六关节机器人机身结构难以安装在其内部，需要针对tbm主梁与刀盘的结构特点设计合适的机器人机身结构与驱动形式。目前针对tbm内部空间的换刀机器人机身结构在国内外专利几乎没有。
技术实现要素：
本发明是针对传统滚刀更换方式中工人工作强度大，工作环境危险，换刀效率低的问题，基于tbm主梁与刀盘的内部结构特点，发明了一种安装于tbm内部的换刀机器人机身结构。该机器人安装于tbm内部。在tbm进行掘进作业时，机器人以图16(a)的姿态处于tbm主梁后方。当tbm停机维护时，通过变换机器人机身位姿完成对tbm磨损滚刀的更换。
本发明的技术方案：
一种内置全断面岩石掘进机换刀机器人机身结构，包括丝杆座1、丝杆2、机器人基座3、丝杆马达4、机器人大臂5、机器人肘部基座6、机器人肘部7、机器人小臂8、腕部马达9、机器人腕部10、肘部马达11和基座导轨12；机器人所有关节均采用液压驱动，驱动装置主要为液压马达与液压油缸；
所述的丝杆座1包括丝杆外端盖1-1、丝杆下座1-2、丝杆上座1-3、丝杆座螺栓孔1-4和丝杆内端盖1-5；丝杆上座1-3通过其上的丝杆座螺栓孔1-4与tbm主梁上方连接，以此固定丝杆座1；丝杆下座1-2与丝杆上座1-3通过螺栓连接，二者构成“工”字型结构；丝杆外端盖1-1与丝杆内端盖1-5分别位于“工”字型结构两侧，起到密封作用，防止丝杆座1中的润滑油溢出；
所述的丝杠2的两端由丝杆座1固定，丝杆2一端设置有丝杆马达4，用来驱动丝杆2旋转；丝杆马达4上设有丝杆马达螺栓孔4-1和丝杆马达油孔4-2，丝杆马达螺栓孔4-1用于与tbm主梁上方连接，丝杆马达油孔4-2用来给丝杆马达4通液压油，以此驱动马达转动；
所述的机器人基座3与丝杆2通过螺纹配合连接，构成机器人的第一个移动副，通过丝杆2的旋转推动机器人基座3沿丝杆2移动，以此带动机器人后续机身的移动；机器人基座3两端设置有t形台，用于与基座轨道12上的t形槽配合，基座轨道12通过焊接固定在丝杆座1两端，基座导轨12用于承担机器人的机身重量，并对机器人基座3的移动进行引导；
所述的机器人大臂5包括大臂一级缸5-1、大臂二级缸5-2和大臂法兰5-3；机器人大臂5通过螺栓与机器人基座3连接，大臂法兰5-3通过焊接与大臂二级缸5-2连接，大臂一级缸5-1上设置有大臂上油孔5-1-1与大臂下油孔5-1-2，用于控制机器人大臂5的伸缩；当大臂上油孔5-1-1进油，大臂下油孔5-1-2出油时，机器人大臂5伸展，大臂上油孔5-1-1出油，大臂下油孔5-1-2进油时，机器人大臂5收缩；
所述的机器人肘部基座6包括肘部底座6-1与肘部端盖6-2；两肘部端盖6-2固定在肘部底座6-1上；肘部底座6-1上开有多个肘部基座螺栓孔6-1-1，用于连接大臂法兰5-3与肘部马达11；肘部底座6-1上设有肘部端盖安装孔6-1-2，通过肘部端盖安装孔6-1-2与机器人肘部端盖6-2连接，起到密封作用，防止机器人肘关节中的润滑油溢出；机器人肘部基座6上设置的肘部安装孔6-1-3用来固定肘部马达11的转动轴从而连接机器人肘部7；
所述的机器人肘部7上设有肘部基座连接孔7-1和小臂连接孔7-2，肘部基座连接孔7-1与机器人肘部基座6上的肘部安装孔6-1-3配合，通过肘部马达11的转动轴连接；小臂连接孔7-2用来连接下方的机器人小臂8；
所述的机器人小臂8为升降机，通过液压油缸控制其伸缩；机器人小臂8包括升降机上板8-1、升降机一类杆8-2、升降机二类杆8-3、升降机横杆8-4和升降机下板8-5；机器人小臂8通过升降机上板8-1中的上板螺栓孔8-1-4与机器人肘部7的小臂连接孔7-2连接；
升降机上板8-1中的升降机液压一级缸8-1-3与升降机液压二级缸8-1-2共同构成升降机驱动源，其中升降机驱动源的个数由实际情况而定；升降机液压一级缸8-1-3与升降机上板8-1焊接在一起，升降机液压二级缸8-1-2的末端与升降机推杆8-1-1焊接在一起；升降机推杆8-1-1与升降机一类杆8-2焊接在一起，升降机一类杆8-2两端设有一类杆凸台8-2-1，用来连接升降机上板8-1中的上板滑轨8-1-7；升降机上板8-1设有上板凸台8-1-5，上板凸台8-1-5上开有凸台孔8-1-8，另一根升降机一类杆8-2的一类杆凸台8-2-1与升降机上板8-1中凸台孔8-1-8连接，升降机上板8-1两侧的升降机一类杆8-2通过一类杆孔8-2-2与升降机横杆8-4连接；
升降机二类杆8-3上的二类杆端孔8-3-1与一类杆凸台8-2-1相连，二类杆中孔8-3-2与横杆8-4相连；根据tbm刀盘的半径选择合适的升降机级数后进行升降机下板8-5的安装；升降机下板8-5的安装与升降机上板8-1相同，只是少了驱动油缸；升降机下板8-5上设有下板凸台8-5-1，其上设有下板导轨8-5-3，用来与升降机一类杆8-2中一类杆凸台8-2-1相配合，下板杆件安装孔8-5-4用来与另一根升降机一类杆8-2中的一类凸台8-2-1配合；升降机下板8-5背面设有下板凸台8-5-5与腕部安装孔8-5-6，用来连接机器人腕部，下板马达安装孔8-5-2用来连接腕部马达9；
机器人腕部10包括腕部一级缸10-1和腕部二级缸10-2；腕部一级缸10-1端部设有腕部孔10-1-3，用于与腕部安装孔8-5-6通过轴相连，从而利用腕部马达9驱动腕部的转动；腕部一级缸10-1上设有腕部上油孔10-1-2与腕部下油孔10-1-1，通过控制腕部上油孔10-1-2与腕部下油孔10-1-1的出油与进油实现腕部二级缸10-2的伸缩；腕部二级缸10-2的末端根据相应的机器人末端执行器设置对应的法兰盘。
工作原理：机器人机身均采用液压控制，且机器人大臂5与机器人小臂8具有可伸缩性，使机器人在tbm掘进时能以一种很小的体积处于tbm主梁后方，通过控制不同关节处的动力源可实现机器人不同姿态的变化，从而实现滚刀的更换。通过控制丝杆马达4的转动，可实现整个机器人在丝杆方向上的移动，通过控制机大臂一级缸5-1中上油孔5-1-1与下油孔5-1-2的进出油可实现机器人大臂5的伸缩，完成不同高度中心滚刀的更换。通过控制肘部马达11的旋转，可实现机器人肘部的姿态变化，实现不同角度滚刀的更换。通过控制升降机液压一级缸8-1-3中升降机控制油孔8-1-6的进出油可实现升降机的伸缩。通过控制腕部马达9与腕部一级缸10-1、腕部二级缸10-2可实现机器人腕部10姿态的变化，实现不同角度正滚刀与边滚刀的更换。
本发明的有益效果：本发明针对tbm主梁与刀盘的结构特点，设计了一种关节形式不同于传统六自由度工业机器人的tbm换刀机器人机身结构，由于关节的特殊性，其能实现机器人体积的收缩，通过控制各驱动源能实现自身位姿的变化，从而完成刀盘上不同位置滚刀的更换，利用此机器人替代传统的人工换刀，可提高工人在换刀过程中的人身安全性，减少滚刀更换时间，进而提高tbm的掘进效率，缩短掘进工期。
附图说明
图1是换刀机器人整体示意图。
图2是换刀机器人后视图。
图3是机器人大臂5示意图。
图4是肘部底座6-1示意图。
图5是机器人肘部7示意图。
图6是升降机上板8-1下视图。
图7是升降机上板8-1正视剖面图。
图8是升降机下板8-5上视图。
图9是升降机下板8-5正视剖面图。
图10是升降机下板8-5左视图。
图11是升降机一类杆8-2示意图。
图12是升降机二类杆8-3示意图。
图13与图14是升降机装配完成示意图。
图15是机器人腕部10示意图。
图16(a)是机器人工作前的初始位姿示意图。
图16(b)是机器人更换tbm中心滚刀第一步时的位姿示意图。
图16(c)是机器人拆卸中心滚刀时的位姿示意图。
图16(d)是机器人将磨损滚刀运出tbm运刀孔时的位姿示意图。
图16(e)是机器人更换正滚刀与边滚刀第一步时的位姿示意图。
图16(f)是机器人拆卸正滚刀与边滚刀时调节腕部姿态时的位姿示意图。
图16(g)是机器人拆卸正滚刀与边滚刀时的位姿示意图。
图中：1丝杆座；2丝杆；3机器人基座；4丝杆马达；5机器人大臂；6机器人肘部基座；7机器人肘部；8机器人小臂；9腕部马达；10机器人腕部；11肘部马达；12基座导轨；1-1丝杆外端盖；1-2丝杆下座；1-3丝杆上座；1-4丝杆座螺栓孔；1-5丝杆内端盖；4-1丝杆马达螺栓孔；4-2丝杆马达油孔；5-1大臂一级缸；5-2大臂二级缸；5-3大臂法兰；6-1肘部底座；6-2肘部端盖；7-1肘部基座连接孔；7-2小臂连接孔；8-1升降机上板；8-2升降机一类杆；8-3升降机二类杆；8-4升降机横杆；8-5升降机下板；10-1腕部一级缸；10-2腕部二级缸；5-1-1大臂上油孔；5-1-2大臂下油孔；6-1-1肘部基座螺栓孔；6-1-2肘部端盖安装孔；6-1-3肘部安装孔；8-1-1升降机推杆；8-1-2升降机液压二级缸；8-1-3升降机液压一级缸；8-1-4上板螺栓孔；8-1-5上板凸台；8-1-6升降机控制油孔；8-1-7上板滑轨；8-1-8凸台孔；8-2-1一类杆凸台；8-2-2一类杆孔；8-3-1二类杆端孔；8-3-2二类杆中孔；8-5-1下板凸台；8-5-2下板马达安装孔；8-5-3下板滑轨；8-5-4下板杆件安装孔；8-5-5下板凸台；8-5-6腕部安装孔；10-1-1腕部下油孔；10-1-2腕部上油孔；10-1-3腕部孔。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
tbm掘进时，机器人以姿态图16(a)处于tbm主梁后方，当tbm停机维护时，开始进行换刀，首先进行中心滚刀的更换，随后进行其他正滚刀与边滚刀的更换，中心滚刀的更换步骤为：
(1)通过控制机器人肘部7的角度来调节机器人末端执行器的姿态，使末端执行器垂直于中心滚刀刀座，根据tbm中心滚刀的高度调节机器人小臂5的高度，使其位姿如图16(b)。
(2)驱动丝杆马达4，使机器人以姿态图16(b)沿丝杆2向前移动，直至到达中心滚刀位置后停下，其完成后的位姿如图16(c)所示。
(3)完成中心滚刀的更换后，驱动丝杆马达4，使机器人带着磨损的中心滚刀沿丝杆2向后退，在到达tbm运刀孔位置后停下，调节机器人肘部7、机器人小臂8与机器人腕部10，使其位姿如图16(d)所示，以此卸下旧中心滚刀。
(4)完成旧中心滚刀拆卸后，将新中心滚刀安装在末端执行器上，通过调节机器人肘部7、机器人小臂8与机器人腕部10，使机器人的位姿回到图16(c)，随后进行新中心滚刀的安装。
完成中心滚刀更换后，继续进行其他正滚刀与边滚刀(以下简称滚刀)的更换，其他正滚刀与边滚刀的更换步骤为：
(1)调节机器人肘部7、机器人大臂5、机器人小臂8、机器人腕部10以及丝杆马达4，使机器人的位姿回到图16(a)的初始位姿。
(2)调节丝杆马达4，使机器人沿丝杆2向前移动，满行程后停止，其完成后位姿如图16(e)所示。
(3)根据目标滚刀所处的位置调节机器人大臂5与机器人小臂8，使机器人末端执行器到达合适的位置，这里优先调节机器人大臂5，当机器人大臂5的行程不够时，再调节机器人小臂8，其完成后的机器人位姿如图16(f)所示。
(4)根据目标滚刀的姿态调节机器人腕部10，使机器人末端执行器的姿态与目标滚刀姿态匹配，完成后的机器人位姿如图16(g)所示，随后进行旧滚刀的拆卸。
(5)完成旧滚刀拆卸后，调节机器人腕部10，使其回到位姿图16(f)，收缩机器人小臂8与机器人大臂5，使其回到图16(e)的位姿。
(6)驱动丝杆马达4，使机器人带着磨损的滚刀沿丝杆2向后退，在到达tbm运刀孔位置后停下，调节机器人小臂8与机器人大臂5，使其位姿如图16(d)所示，以此卸下旧滚刀。
(7)完成旧滚刀拆卸后，将新滚刀安装在末端执行器上，通过调节丝杆马达4、机器人小臂8与机器人大臂5，使机器人的位姿回到图16(e)，根据下一目标滚刀的位置调节机器人大臂5、机器人小臂8与机器人腕部10，使其姿态如图16(g)所示，进行下一把滚刀的更换。
在完成所有中心滚刀、正滚刀、边滚刀的更换后，调节机器人各关节，使机器人回到工作前初始位姿图16(a)。