无需带压进舱，实现远程换刀
——NFM开发TBM换刀机器人NeTTUN

1 开发背景

在TBM掘进过程中刀具会出现磨损，在遭遇坚硬与磨蚀地层时尤为显著。然而，为TBM更换刀具并非易事，整个换刀过程中存在着安全风险与效率问题。为此，TBM制造商NFM开发了NeTTUN机器人系统，旨在提高TBM换刀的效率与安全性。

2 设计理念

NeTTUN机器人的目标是大幅减少TBM换刀过程中的人工操作： 目前人工带压进舱更换单把刀具需要1 h，而TBM的维护时间占据了整个施工时间的15%～25%。机器人将通过自动或通过远程操作方式完成80%换刀作业，缩短维护时间，降低工人发生安全事故的概率。

3 NeTTUN机器人系统

机器人专为直径超过8.5 m的TBM设计，适用于泥水与土压TBM，对刀盘重新设计后也适用于硬岩TBM： 1)可以承受1 MPa气压、10～50 ℃的工作温度和100%湿度。2)采用液压传动，与电动技术相比可实现更好的紧凑性和更高的功率质量比。3)机器人可适应直径8.5～16 m的TBM，无需硬件改动，仅需调整软件参数。4)对主流的43.18 cm(17英寸)和48.26 cm(19英寸)滚刀、刮刀均适用。

3.1 硬件构造

机器人由收纳区、刀具运输系统、基座、关节臂和机械手5个主要部分组成。

1)基座用于在开挖舱中展开并定位关节臂，具有3个自由度： 向前/向后、向上/向下、向左/向右。

2)关节臂用于将机械手定位至需要更换的刀具处，在开挖舱内展开并对准适当方向。关节臂需要2个额外自由度，1个用于补偿定位误差，1个用于延伸至刀具附近。考虑到刀具和机械手本身质量，第2个旋转关节需要具备超过12 000 N·m的转矩。

3)2种机械手分别应对滚刀与刮刀更换，主要用于拆卸、安装刀具，并通过高压水枪清洗刀具。

3.2 作业区域

机器人存放在TBM上部一个与护盾相连的收纳区，通过自动控制的舱门进入开挖舱，沿刀盘上部垂直半径运行。通过适当移动，机器人可以覆盖刀盘半径靠外部分的所有刀具(半径的50%～60%，取决于TBM直径)。

然而，机器人无法触及刀盘中央的刀具，这些刀具在掘进过程中行进距离相对较短，磨损较小；这部分刀具更换占总维护操作的15%左右。

换刀机器人不负责更换该部分刀具，因为与增加的复杂性相比，使用机器人维护这部分刀具带来的优势很小。

4 自动化换刀

自动化换刀流程如图1所示。循环1为部分刀具换刀；循环2为单把刀具换刀；循环3为刀盘全部换刀。循环1的平均时间为15 min，仅为人工操作时长的25%。TBM掘进期间，机器人的清洁、维护和维修操作均在常压下由工人在收纳舱内手动进行。

图1 自动化换刀流程

在下一步的研究中，机器人将配备视觉与触觉反馈系统，为远程操作员提供更多信息； 同时，开发一个自动系统，用于更换收纳区中的机械手(切换、更换滚刀/刮刀)； 最终目标是实现在膨润土环境下换刀。