盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析.pdf

1、第 54 卷第 7 期2023 年 7 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)Vol.54 No.7Jul.2023盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析赵海鸣1，黎焕强1，彭正阳2，柯威2(1.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；2.中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙，410100)摘要：针对锁钩销轴式的滚刀抓取机构，基于目前一种适用度较广的间隙接触力模型，考虑接触面摩擦力，建立由滚刀及拆装机构的重力传递至油缸夹持力的数学模型。分析水平工况和竖直工况这2种特殊工况的

2、夹持力模型，进而推导其他工况的抓取机构夹持力模型，并采用ADAMS进行仿真验证。基于换刀机器人试验台开展不同工况下的滚刀夹持状态分析，最后进行对比分析。研究结果表明：夹持力模型计算结果与仿真以及试验结果基本吻合，验证了夹持力模型的正确性，为盾构换刀抓取机构的夹持力输出提供了理论支撑。关键词：滚刀抓取；夹持力；ADAMS仿真；接触力；夹持装置中图分类号：U455.44 文献标志码：A文章编号：1672-7207（2023）07-2663-11Modeling and analysis of clamping force of cutter changing robot of shield mac

3、hineZHAO Haiming1,LI Huanqiang1,PENG Zhengyang2,KE Wei2(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.China Railway Construction Heavy Industry Co.Ltd.,Changsha 410100,China)Abstract:Aiming at the hook and pin type cutterhead grasping mechanism,ba

4、sed on a widely applicable clearance contact force model and considering the friction of contact surface,a mathematical model for the transfer of gravity from the disc cutter and disassembly mechanism to the holding force of cylinder was established.The clamping force models of horizontal and vertic

5、al working conditions were analyzed,and the clamping force models of other working conditions were deduced,and ADAMS was used for simulation verification.Based on the tool changing robot test bench,the cutterhead holding state was analyzed under different working conditions.Finally,the results betwe

6、en the calculation value of the holding force model and the 收稿日期：2022 10 11；修回日期：2022 12 10基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2018YFB1306700)；湖南省大科城“揭榜挂帅”攻关项目(2022年)(Project(2018YFB1306700)supported by the National Key Research and Development Program of China;Project(2022)supported by Hunan Province

7、Dake City Univeiled and Commanded Program)通信作者：赵海鸣，硕士，教授，从事工业机器人、深海资源探测与采掘等研究；E-mail:DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2023.07.013引用格式：赵海鸣,黎焕强,彭正阳,等.盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析J.中南大学学报(自然科学版),2023,54(7):26632673.Citation:ZHAO Haiming,LI Huanqiang,PENG Zhengyang,et al.Modeling and analysis of clamping force of c

8、utter changing robot of shield machineJ.Journal of Central South University(Science and Technology),2023,54(7):26632673.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)simulation and test results were compared.The results show that the calculation values of the holding force model are basically consistent with the simulation an

9、d test results,which verifies the correctness of the model of the holding force and provides theoretical support for the clamping force output of the shield tunneling machines tool changing gripping mechanism.Key words:cutterhead grasping;clamping force;ADAMS simulation;contact force;gripping device

10、盾构机通过安装在最前方的刀具切削前方土体后再由出碴槽排出实现掘进，由于长期在复杂地层工作，刀具会产生剧烈磨损，需要经常更换13。传统人工换刀方式效率低、风险高，难以满足安全高效施工要求，因此，采用机器人自动换刀很有必要。换刀机器人抓取机构的作用是将质量达200 kg的滚刀牢固、稳定地夹持，完成刀盘和储存舱之间的替换运输工作。滚刀抓取机构夹持滚刀所需的夹持力是抓取机构的设计依据，要求抓取机构能输出足够大的夹紧力，以防掉落。国外对换刀机器人的设计研究起步较早。2012年，德国人工智能研究中心设计了HECTOR换刀机器人，但仅用于实验室试验4；2015年，法国布衣格公司设计了库卡机械臂加末端执行器的

11、换刀机器人，并应用于香港屯门隧道工程5。在我国，杨冬建等6研究了两侧液压缸式滚刀夹持机构，张海东等7研究了一种六自由度换刀机器人，PENG等8对刀架位姿确定的视觉系统进行了研究，XIA等9提出并验证了一种四元件的刀具拆卸机构，但大多处于设计阶段。目前，关于滚刀夹持机构的夹持力分析报道很少。关于夹持力的研究主要是传统的锻造操作机构夹持力建模，如：杨晋等1011分析了工件在垂直偏转状态下钳口受力特点，建立了钳口在任意选择角度的夹持力模型；刘艳妍等12对钳口和锻件的接触面进行了简化，建立了对应的夹持力模型；王健健等13通过建立夹紧效率的数学模型对浮动式动力卡盘静态夹持特性进行了分析；陆小龙等14对双

12、V字夹持机构夹持角钢时的夹持力及其影响因素进行了探讨；吴永宏等15基于力封闭原理和弹性线接触理论对机械手夹持接触力进行了准确求解。在间隙圆柱接触力分析方面，LIU等16提出了一种使用较广的带间隙圆柱接触应力分布模型，袁英才等17分析了运动副间隙对轮转机刀式折页机构性能的影响。上述研究可为换刀机器人抓取机构的夹持力建模提供参考，但无法直接应用于间隙半圆弧面接触夹持机构结构。为此，本文对已有间隙接触模型进行改进，建立耦合工况下滚刀夹持力模型，以便为后续机械换刀中同类抓取机构的夹持力输出与机构优化提供参考。1 换刀机器人滚刀抓取机构换刀机器人抓取机构需要稳定夹持质量为 200 kg的一体式滚刀及刀座

13、，实现滚刀在刀盘和储存舱间稳定运输。为了实现滚刀自动拆装，设计一种一体式滚刀及拆装机构，如图1(a)所示。机构上有4个销轴供滚刀夹持机构夹持。滚刀抓取机构由油缸底座、左侧油缸、右侧油缸及对应相连的左右锁钩和四爪盘组成，如图1(b)所示。油缸底座下方的左右两侧分别有1个吊耳，错位布置，分别与左右油缸的缸体连接，其对应的活塞杆分别连接右侧和左侧锁钩，中间的四爪盘与油缸底座焊接连接，锁钩的旋转轴分别布置在四爪盘左右两侧。通过调节左右两侧的油缸，实现锁钩绕销轴旋转，完成对一体式滚刀抓取。左右两侧的运动杆件构型相同，因此，分析受力较大一侧即可。左侧抓取机构如图2所示，3个转动副的转动中心定为A、B和C。

14、现有机构基本参数如表1所示。2 滚刀抓取机构力学建模滚刀抓取机构从储存舱运输到前方刀盘过程中存在多种位姿工况，滚刀夹持受载情况差异较大，在此选取主要的水平和竖直工况进行分析，其余工况可基于以上工况或仿照对应工况进行推导。2.1销轴接触力模型基于接触面的应力分布，可得夹持过程中锁2664第 7 期赵海鸣，等：盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析钩所受接触力方向。在滚刀夹持机构末端，销轴与半圆锁钩接触，常用的Hertz接触应力分布并不适用于该模型。选取由LIU等16推导的误差较小的间隙圆柱接触力模型，表达式为1-223=DrE*P(1)式中：=sin(/2)；为接触半角，()；Dr为锁钩与销轴半

15、径之差，mm；E*为材料的复合弹性模量，1/E*=1/E1+1/E2，Pa；E1为锁钩材料的弹性模量，Pa；E2为销轴材料的弹性模量，Pa；P为轴线方向单位长度上的外压力，N。最大接触应力为py0，则接触应力在y向分布为py(x)=py0 1-(xl)20.5(2)式中：x为距离y轴的水平距离；l为接触半角对应的 弦 长，l=2r2sin(/2)。模 型 应 力 分 布 如 图 3所示。其假设前提条件为：1)该圆柱体等效为刚性楔，接触压力沿刚性楔廓线的y向分布为Hertz理论给出的椭球形；2)等效刚性楔体与弹性地基的接触边界满足几何关系cos()=Dr/(Dr+)(其中，为最大侵彻位移)，该公

16、式来自于Persson18的理论模型；3)圆柱所在平面模型为温克勒弹性地基模型，并受刚性楔块压缩。该模型只给出了y向的接触应力分布，没有给出销轴的x方向受力。因此，基于条件2)，将条件3)的楔形块与温克勒的水平地基模型分别替换为圆柱与垂直于接触面的弹性模型，即可得到含x向分力的接触力。2.2夹持力模型2.2.1竖直向下工况已知油缸、锁钩上部和锁钩下部对应的重力G1、G2、G3和滚刀重力G，滚刀抓取机构受力如(a)一体式滚刀；(b)滚刀抓取机构图1换刀机器人抓取机构结构示意图Fig.1Schematic diagrams of cutter changing robot grasping mec

17、hanism1油缸；2锁钩上构件；3锁钩下构件；4机架；R1油缸1的长度；R2上构件的长度；R3下构件的长度；R4水平偏置距离；R5竖直偏置距离；1水平方向与R1的夹角；2锁钩上构件2和锁钩下构件3的夹角；0锁钩下构件3与竖直方向的夹角图2滚刀抓取机构示意图Fig.2Schematic diagram of hob grasping mechanism表1滚刀抓取机构参数Table 1Parameters of hob grabbing mechanismR1/mm313.4R2/mm68.4R3/mm68.2R4/mm292.8R5/mm651/()02/()107.740/()20图3模型

18、中的圆柱接触应力分布Fig.3Contact stress distribution of cylinder in model2665第 54 卷中南大学学报(自然科学版)图4(a)所示，销轴接触力如图4(b)所示。图4中，Fc为接触力合力，Ff为摩擦力，为接触力Fc方向与竖直方向所成的夹角。在竖直工况下，轴向单位长度载荷p可表达为p=0.5Gh(3)式中：h为销轴受力接触线长度。销轴受力分析如图4(b)所示，Fc相对于Q点的距离lQ为lQ=0lpz0(1-(xl)2)0.5dx0lpz0(1-(xl)2)0.5dx=8l3(4)=arcsin(83-12)lr2(5)锁钩和销轴间存在较小位移

19、，但摩擦因数不影响接触力分布19，因此，Fc和Ff的合力的反力在x向和y向的作用力Fvx、Fvy及其相对转动中心C的力臂lb1和lb2分别为：Fvx=Fcsin(2+)-Ffcos(2+)(6)Fvy=Fccos(2+)+Ffsin(2+)(7)lb1=R3cos0+r2cos(+2)(8)lb2=R3sin0+r2sin(+2)(9)力臂与力示意图如图5所示。由销轴受力平衡可知，Fvy=G/4，但Fvy中摩擦力的影响无法确定，仍无法求解夹持装置的夹持力Fout。Fout的水平分力(Foutx和Fouty)与竖直分力(Fvx和Fvy)为相互作用力。垂直工况下抓取机构受力示意图如图6所示。对图6

20、中的锁钩和油缸进行分析得：MC=F12xR2sin2-12G2R2cos2+12G3R3sin0-2Foutxlb 1+2Foutylb2+F12yR2cos2=0(10)MA=12G1R1cos1+F21yR1cos1=0(11)(a)抓取机构整体静力平衡示意图；(b)夹持油缸受力示意图图6竖直工况下抓取机构受力示意图Fig.6Stress diagram of grasping mechanism under vertical working condition(a)总体受力示意图；(b)销轴受力简图图4滚刀竖直向下工况示意图Fig.4Schematic diagrams of hob v

21、ertical downward working condition图5力臂与力示意图Fig.5Schematic diagram of moment arm and force2666第 7 期赵海鸣，等：盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析F12x=Fincos1(12)式中：Fijx为构件i对构件j在x方向的作用力，其余依此类推。F12x、F12y和Foutx未知，无法求解。根据式(10)可知，Foutx和F12x之和不变，又由式(6)可知Foutx与摩擦力Ff和接触力Fc有关。建立如图7所示的力学矢量图，并对受力模型进行分类讨论。1)当F12x恰好为0时，销轴和锁钩接触间无摩擦力。定

22、义coutx为恰好平衡重力矩时的Foutx，联立式(10)和式(11)可得coutx=-12G2R2cos2+12G3R3sin0-12G1R2cos2+214G(R3sin0+r2cos(+2)/2(R3cos0+r2sin(+2)(13)由图7可知Fc与重力夹角1为arctan(4coutx/G)，联立式(1)、(2)、(5)和(13)求解coutx。2)当F12x为0时，所需摩擦力最大，定义此时摩擦力为Fftx=Fccos，其中，为摩擦因数，得2=arcsin FftxcosFftx2+Fc2-2FftxFcsin(14)3)当F12x不为0时，Foutx中含有油缸主动夹持力Fj为Fj=

23、-F12xR2cos2R3cos0+r2sin(+2)(15)综上所述，对竖直向下工况进行分析时，需先对Fc和重力夹角进行分析。当Fc与重力方向夹角小于1时，对应的Foutx较小，摩擦力为0 N，机构产生顺时针力矩，由限位面平衡Fin为0 N；当夹角介于1和2时，摩擦力和接触力共同平衡力矩，油缸输出压力Fin为0 N；当夹角大于2时，油缸需输出压力Find为Find=2(Fvy-coutx)R3cos0+r2sin(+2)cos1()-R2cos2 (16)基于表 1 中参数，结合式(12)、(13)求解得coutx=231 N，1=18.1，2=8.56。Fc与重力夹角为/2+=15.5，小

24、于1；此外，Find=0。2.2.2竖直向上工况工况受力如图8所示。销轴受力弧面为1/2圆弧，当锁钩与销轴相对运动时，不存在摩擦滑移，此时，载荷p为p=0.25Gh(17)结合式(1)、(2)、(5)和(16)，求得该工况的Fc在x向和y向的作用力Fvx和Fvy分别为Fvy=0.125G(18)Fvx=0.125Gtan(2)(19)该工况油缸输出压力Finu为Finu=-12G2R2cos2+12G3R3sin0+2Foutx(R3cos0-r2cos(+2)+2Foutylb2+F12yR2cos2/-R2sin2cos1(20)2.2.3水平工况重力在z向时，受力如图9所示。重力由摩擦力

25、平衡。销轴z向受力作用点简化为接触线中点，图7竖直工况下夹持力学矢量图Fig.7Vector diagram of clamping mechanics in vertical working condition图8滚刀竖直工况二示意图Fig.8Schematic diagram of vertical hob working condition II2667第 54 卷中南大学学报(自然科学版)所 以，图 9(a)中 的 力 臂 d1=d2=d3=107 mm，d3=167 mm。定义FN为x和y方向的合力，FN=F235urx+F235ury(21)为简化分析，认为Ff35ur和Ff35d

26、r关于销轴中心线对称。由滚刀y向平衡可知F35dry=F35ury，同一锁钩在销轴x方向的压力相等，F35drx=F35urx。同理，销轴的竖直向上的摩擦力均相等。Ff35dr=FN=G4(22)锁钩与销轴接触形状为1/4圆，下销轴y向受力F35dry来自于锁钩与四爪盘的2个1/4圆，如图10所示，经简化分析得F53dry=-12F35dry。锁钩受力如图11所示。销轴受力合力图如图 12 所示。由图 12 可知F35urx和F35ury夹角为tan=F35urxF35ury(23)在水平工况下，将油缸输出力Fin定义为Finh，结合图11和图12对力矩进行分析，可得Finh=F53urx2R

27、3cos0-12F53uryR3sin0+r2cos()cos1(-R2)cos2(24)将表1中参数值代入式(21)、(24)。由式(21)知FN=4 713 N；由式(24)知Finh=9 373 N。F53urx=F53drx=4 582 N，F53ury=1103 N，F53dry=552 N。2.2.4合成工况在运输中，当滚刀重力G与Finh夹角为k时，位姿如图13所示，此时，夹持力Fin为水平工况夹持力和竖直工况夹持力的合成。(a)正视图；(b)侧视图图9四销轴受力示意图Fig.9Schematic diagrams of force on four pin shafts图10销轴

28、受力包络示意图Fig.10Schematic diagram of stress envelope of pin shaft(a)上方销轴与锁钩；(b)下方销轴与锁钩图11右侧锁钩在不同销轴受力示意图Fig.11Stress diagrams of right lock hook on different pin shafts图12销轴受力合力图Fig.12Diagram of force on pin shaft2668第 7 期赵海鸣，等：盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析则夹持力Fin为Fin=Finhcosk+Findsink 0k90(25)Fin=Finhcosk+Finu|s

29、ink -90k0(26)理论夹持力曲线如图14所示。由图14可知：随着摆动角度k从50逐渐增加至50，夹持力呈现先增大后减小趋势；在0时夹持力达到最大，为8.95 kN，随后减小。这是由于Finh相对Find和Finu较大，且Finh在Fin的系数为cosk，因此，夹持力理论值曲线随着摆动角度k增大先上升后下降。此外，当摆动角度为50时，夹持力理论值为5.76 kN；当摆动角度为50时，夹持力理论值为6.01 kN；即摆动角度为50到0时的夹持力比0到50对应的夹持力小。由式(25)和(26)可知，Finh与Fin的系数均为cosk，但式(26)中的Finu比式(25)中Find的大，因此，

30、曲线不对称。3 滚刀抓取机构仿真分析3.1滚刀抓取机构仿真模型将滚刀抓取机构模型导入ADAMS中，设置机构的约束关系，根据夹持机构抓取滚刀的过程在ADAMS设置对应运动约束。2种工况下的滚刀抓取机构最终约束模型如图15所示。仿真接触参数设置如表2所示。3.2夹持力结果分析3.2.1竖直工况由竖直工况理论推导可知，竖直工况下油缸所需输出力为0 N，因此，不对该工况仿真设置驱动，在重力下对比验证临界角1或2即可，仿真结果如图16所示。除去冲击位移外，滚刀在重力中的作用下位移基本为0 N，F53x=257 N，F53y=709 N。理论夹角1对应的仿真夹角1p为1p=arctan(F53xF53y)

31、=19.92(27)竖直工况下仿真值与理论值对比如表3所示。理论值和仿真值存在一定误差，该误差来源于：1)将销轴考虑为楔形刚体，理论接触面与实际接触面不同；2)仿真刚开始时，在重力作用下表2接触参数Table 2Contact parameters刚度/(Nm1)1108力指数1.5阻尼/(Nsm1)5104穿透量/m110-4(a)竖直工况；(b)水平工况图15最终约束模型Fig 15Final constraint models图13工况示意图Fig.13Schematic diagram of working conditions图14理论夹持力图Fig.14Theoretical cl

32、amping diagram2669第 54 卷中南大学学报(自然科学版)对锁钩存在刚性冲击，冲击力远大于理论值。竖直工况理论模型解释了摩擦力与接触力之间的关系。3.2.2水平工况据水平工况的理论推导可知，水平工况由摩擦力平衡，仿真过程只能设置油缸推杆的推力。在此仿真驱动设置为：在油缸处沿推杆方向设置单向力，通过不断调试推杆推力，直至达到临界平衡。考虑到夹持机构从力的加载到稳定夹持需要一定时间，在此时间内销轴会发生位移，影响夹持，因此，设定滚刀前2 s固定，待锁钩与销轴接触后，取消滚刀固定约束，再据仿真结果判断是否稳定。取夹持力 Fin分别为 9 650、9 850 和 100 50 N，得到

33、一体式滚刀的质心加速度变化，如图17所示。前2 s滚刀机构固定，因此，只分析2 s后的加速度。从图17可知：相比于100 50 N和9 650 N，当夹持力为9 850 N时，滚刀加速度峰值减小，且与100 50 N时的滚刀加速度变化幅度相同，由此可知水平工况夹持力为9 850 N。销轴受力结果如表4所示。由表4可知在水平工况下，理论与仿真结果存在一定误差，其主要原因是简化了模型接触点位置，认为接触点在y向关于销轴对称，没有得到F53ur和F53dr相对O点较准确的力矩；F53dry接触面压力存在简化，没有考虑变形和锁钩压力的影响，造成理论值偏低。1F53x；2F53y。(a)位移与时间的关系

34、；(b)力与时间的关系图16ADAMS竖直向下工况仿真图Fig.16Simulation diagram of ADAMS vertical downward working condition表3竖直工况下理论值和仿真值Table 3Theoretical and simulation results of vertical working condition类别理论值仿真值参数1/()18.10019.9202/()8.563coutx/N231257F53y/N707709图17滚刀质心加速度Fig.17Acceleration of hob centroid表4水平工况下销轴受力理论值

35、和仿真值Table 4Theory and simulation results of force on pin shaft in horizontal working condition类别理论值仿真值参数F53urx/N1 1031092F53ury/N4 5825 044F53drx/N552809F53dry/N4 5824 7532670第 7 期赵海鸣，等：盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析4 滚刀抓取机构实验4.1滚刀抓取机构实验装置与实验过程依托铁建重工的换刀机器人工况模拟试验台开展试验研究，结构如图18所示。拆装机构将滚刀与刀箱分离后，夹持机构伸入刀箱内抓取滚刀后平移抽出

36、，将机械臂关节均调节至水平初始位姿，对滚刀抓取机构11种位姿进行模拟，回转关节角为0，摆动关节摆至50，其位姿如图19(a)所示；以10为间隔逐渐增大至50，其位姿如图19(b)所示。4.2滚刀抓取实验结果分析通过油压传感器可读取抓取油缸在不同工况下的压力，结合油缸尺寸，将油缸压力T换算成油缸推杆推力F。F=DTD24(28)式中：F为推力，N；DT为油缸压力差，MPa；D为油缸内径，油缸内径为40 mm。对由2种位姿耦合而成的11种工况进行测试，得到对应油缸输出力，如表5所示。根据表5中的不同工况条件进行仿真，将仿真值、实验组分理论夹持力进行对比，结果如图20所示。由图20(a)可知：夹持力

37、实验值曲线在仿真值曲线和理论值曲线上方，数据在1014 kN之间波动，但基本稳定在10.2 kN。在实验过程中，由于机构末端负载无法反馈给油缸，为保证安全，油缸压力设置为略大于仿真最大值。因此，实验值与仿真值和理论值并不相同，而是基本稳定在10.2 kN附近。(a)换刀机器人试验台组成示意图；(b)换刀机械手组成示意图图18换刀机器人工况模拟试验台Fig.18Working condition simulation test benchs of tool changing robot(a)抓取机构50位姿；(b)抓取机构50位姿图19滚刀抓取机构多工况实验图Fig.19Multi-workin

38、g experimental diagrams of hob clamping mechanism2671第 54 卷中南大学学报(自然科学版)而夹持力理论曲线与仿真曲线贴合程度高，且变化趋势相同，说明了理论模型的可靠性，如图20(a)所示。夹持力理论值与仿真值的相对误差如图20(b)所示。从图20(b)可见：随着摆动角度不断增大，夹持力仿真值与理论值的相对误差先增大后减小。结合式(25)、(26)及前述理论分析可知，在0附近时，相对误差最大，此时，理论模型的误差主要来源于Finh；而在50和50时，误差主要来源于采用小间隙销轴接触理论部分推导的Find和Finu，相对误差最小；模型整体相对误

39、差均在10%以内，证明了夹持力模型的准确性。5 结论1)基于小间隙圆柱接触模型，建立了换刀机器人抓取机构在竖直和水平这2种典型工况下的夹持力数学模型，并得到不同摆动角度下所需的最小夹持力，为夹持机构夹持力输出和优化提供了依据。2)通过ADAMS软件对11种由竖直工况和水平位姿耦合的工况进行仿真分析，夹持力仿真结果与理论结果的相对误差在10%以内，验证了夹持力模型的准确性。参考文献：1YANG Mei,XIA Yimin,LIN Laikuang,et al.Optimization design of ballast groove layout based on analysis of cut

40、ting head of rock boring machineJ.Journal of Central South University,2020,27(6):17291741.2杨延栋,孙振川,张兵,等.基于多个隧道掘进机工程数据回归分析的滚刀磨损评价方法J.中国机械工程,2021,32(11):13701376.YANG Yandong,SUN Zhenchuan,ZHANG Bing,et al.Disc cutter wear evaluation method based on regression analysis of multiple TBM engineering data

41、J.China Mechanical Engineering,2021,32(11):13701376.3YANG Jihua,ZHANG Xiaoping,JI Peiqi,et al.Analysis of disc cutter damage and consumption of TBM1 section on water conveyance tunnel at Lanzhou water source construction engineeringJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2019,85(3):6775.4CAMUS

42、 T,MOUBARAK S.Maintenance robotics in TBM tunnellingC/Proceedings of the 32nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining.Oulu,Finland:IAARC,2015:185MANSARD N,KHATIB O,KHEDDAR A.A unified approach to integrate unilateral constraints in the stack of(a)夹持力理论值、仿真值和实验值对

43、比；(b)夹持力理论值与仿真值的相对误差图20滚刀抓取机构不同摆动角度的夹持力对比Fig.20Comparison of holding force of hob clamping mechanism at different swing angles表5不同位姿下抓取油缸推力Table 5Grasping cylinder thrust forces under different poseskN位姿/()5010.44013.93010.82012.81010.4011.41010.22010.23010.24010.35010.22672第 7 期赵海鸣，等：盾构机换刀机器人抓取机构夹持

44、力建模分析tasksJ.IEEE Transactions on Robotics,2009,25(3):670685.6杨冬建,卓普周,郭正刚,等.基于机器操作的TBM一体化刀具系统设计及试验研究J.隧道建设(中英文),2020,40(8):12361242.YANG Dongjian,ZHUO Puzhou,GUO Zhenggang,et al.Design and experimental research of TBM integrated cutter system based on robot operationJ.Tunnel Construction,2020,40(8):1

45、2361242.7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):12341244.ZHANG Haidong,HUANG Lei,HUO Junzhou.Design analysis and motion control of TBM changing robotJ.Journal of Basic Science and Engineering,2021,29(5):12341244.8PENG Dandan,ZHU Guoli,ZHANG Dailin,et al.Pose determination of the disc

46、cutter holder of shield machine based on monocular visionJ.Sensors,2022,22(2):467.9XIA Yimin,YANG Mei,JI Zhiyong,et al.Design and dimension optimization of cutter disassembly mechanism for shield tunneling machineJ.Journal of Mechanical Science and Technology,2021,35(7):30053018.10 杨晋,张文波,姜峰.锻造操作机夹持

47、状态分析与夹持力研究J.四川大学学报(工程科学版),2014,46(3):187192.YANG Jin,ZHANG Wenbo,JIANG Feng.Analysis of clamping state and research on clamping force of forging manipulatorJ.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2014,46(3):187192.11 杨晋,朱学亮,张起樑,等.近恒力输出的锻造操作机夹持装置研究J.机械工程学报,2017,53(22):5056YANG Ji

48、n,ZHU Xueliang,ZHANG Qiliang,et al.Clamping device study of the approximate constant force output forging manipulatorJ.Journal of Mechanical Engineering,2017,53(22):5056.12 刘艳妍,杨晋,陈超,等.重载锻造操作机夹持力研究J.机械工程学报,2012,48(4):6671LIU Yanyan,YANG Jin,CHEN Chao,et al.Research of the chucking power of the heavy

49、-loaded forging manipulatorJ.Journal of Mechanical Engineering,2012,48(4):6671.13 王健健,张建富,冯平法,等.浮动式动力卡盘静态夹持特性分析J.中南大学学报(自然科学版),2014,45(6):18471853.WANG Jianjian,ZHANG Jianfu,FENG Pingfa,et al.Analysis of static clamping characteristics of floating power chuckJ.Journal of Central South University(Sci

50、ence and Technology),2014,45(6):18471853.14 陆小龙,赵世平,廖俊必,等.电力铁塔攀爬机器人夹持机构设计与分析J.四川大学学报(工程科学版),2010,42(6):239243,250.LU Xiaolong,ZHAO Shiping,LIAO Junbi,et al.Design and analysis of clamping mechanism for power tower climbing robotJ.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2010,42(6):