一种隧道清理和排障机器人及其施工方法

摘要

本发明公开了一种隧道清理和排障机器人及其施工方法，解决了现有技术中隧道清理效率低的问题。本发明隧道清理和排障机器人，包括具有排渣功能的机器人本体，机器人本体的下部设有行走机构，机器人本体的前端设有多自由度清渣机构和出渣装置，出渣装置位于多自由度清渣机构的下方，且出渣装置的出料端与机器人本体连通。本发明通过多自由度清渣机构对隧道内各方位的杂物进行灵活高效清理，清理过程中一部分渣石经出渣机构收集并通过与出渣装置相连通的且具有排渣功能的机器人本体向外排出，实现清理与出渣的同步进行，提高隧道清理效率。

权利要求

1.一种隧道清理和排障机器人，其特征在于：包括具有排渣功能的机器人本体（2），机器人本体（2）的下部设有行走机构（3），机器人本体（2）的前端设有多自由度清渣机构（1）和出渣装置（4），出渣装置（4）位于多自由度清渣机构（1）的下方，且出渣装置（4）的出料端与机器人本体（2）连通；

所述出渣装置（4）包括刮板输送机（406）和设置在机器人本体（2）下部的门型架（407），门型架（407）通过摆动机构连接有集渣机构，刮板输送机（406）的前端与集渣机构连接、另一端穿过门型架（407）伸进机器人本体（2）内；所述门型架（407）的底部设有伸缩支腿（405）。

2.根据权利要求1所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述机器人本体（2）包括内部中空的外壳（201），外壳（201）内设有螺旋输送机（202），外壳（201）的前端设有连接板（203）、后端设有端盖（204），端盖（204）上设有排渣口，多自由度清渣机构（1）设置在连接板（203）上，外壳（201）的底部设有进渣口（205），出渣装置（4）的出料端经进渣口（205）伸进外壳（201）内。

3.根据权利要求1或2所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述多自由度清渣机构（1）包括六自由度平台（101）和橘瓣式抓斗（102），六自由度平台（101）的一端与机器人本体（2）相连接、另一端与橘瓣式抓斗（102）相连接。

4.根据权利要求3所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述六自由度平台（101）包括动平台（101‑1）和静平台（101‑2），动平台（101‑1）通过驱动油缸组（101‑3）与静平台（101‑2）相连接，驱动油缸组（101‑3）中的两个相邻油缸成V型设置，橘瓣式抓斗（102）设置在动平台（101‑1）上。

5.根据权利要求4所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述橘瓣式抓斗（102）包括多角连接座（1023），多角连接座（1023）的各个角上均铰接有弧形抓斗（1021），弧形抓斗（1021）的背面通过伸缩油缸（1022）与多角连接座（1023）相连接；弧形抓斗（1021）的内弧面上设有弧面夹板（1024）。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述集渣机构包括铲斗（401），铲斗（401）上设有扒渣组件（402），铲斗（401）的后部设有渣口（408），渣口（408）处设有支撑刮板输送机（406）的机头轮。

7.根据权利要求6所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述摆动机构包括V型油缸组，V型油缸组对称连接在铲斗（401）和门型架（407）上，V型油缸组包括推进油缸（403）和调节油缸（404），调节油缸（404）与推进油缸（403）成V型并联设置。

8.根据权利要求7所述的隧道清理和排障机器人，其特征在于：所述扒渣组件（402）包括对称设置在渣口（408）两侧的扒渣轮（402‑1），扒渣轮（402‑1）与设置在铲斗（401）上的驱动件相连接带动两个扒渣轮向渣口（408）方向转动。

9.一种如权利要求2 8任一项所述的隧道清理和排障机器人的施工方法，其特征在于：~

步骤如下：S1：隧道清理：机器人控制多自由度清渣机构（1）进行六自由度摆动，对隧道内的废渣进行挖抓；

S2：对于隧道内体积大、质量大的岩石，多自由度清渣机构（1）的橘瓣式抓斗（102）将岩石抓起，并通过出渣车送出隧道；

S3：对于隧道内体积小、质量小的渣石，多自由度清渣机构（1）的橘瓣式抓斗（102）将渣石送至出渣装置（4）的铲斗（401）处，然后铲斗（401）通过刮板输送机（406）将渣石送进机器人本体（2）内，然后通过螺旋输送机（202）将渣石排出；

S4：隧道排障：机器人多自由度清渣机构（1）与出渣装置（4）配合进行超前探测，将障碍物通过步骤S2或S3进行拆除、排出。

说明书

一种隧道清理和排障机器人及其施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种隧道清理和排障机器人及其施工方法。

背景技术

[0002] 城市隧道，是指为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的修建在地下或水下并铺设铁路供机车车辆通行的建筑物，在城市隧道内经常会存在砂石，泥土等杂物，需
要经常进行清理维护，以确保城市隧道内保持干净整洁，1、目前对于城市隧道内的杂物清
理一般都是通过人工清理，存在着不小的危险，2、不能完全清理干净，导致后续会经常清
理，加大了工作人员的工作量，3清扫装置容易损坏，降低了装置的使用寿命。隧道内部残留
大量的渣石，当采取人工清除，不仅效率低且费时费力，大大增加了用工成本。

[0003] 现有技术中如申请公布号CN111733742A的一种城市隧道清理维护装置，通过系控制将两组清扫刷转动，使两组清扫刷把灰尘从两边扫到两组清扫刷的中间，通过电机输出
端带动转动轮转动，使转动轮通过皮带带动另一组转动轮转动，使另一组转动轮带动转动
柱转动，使滚扫刷通过滚柱转动将杂物通过斜板导入到集尘箱内，通过吸尘口对清扫不了
的砂石等杂物进行清理，使吸尘口导入的杂物通过吸尘通道导入到吸尘箱内，从而使隧道
内的杂物可快速清理。但是对于质量较大渣石不易清理，且不易运出。因此，设计一种隧道
清理和排障机器人，提高隧道中碴石的清理效率，保障了隧道施工的正常进行很有必要。

发明内容

[0004] 针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种隧道清理和排障机器人及其施工方法，解决了现有技术中隧道清理效率低的问题。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道清理和排障机器人，包括具有排渣功能的机器人本体，机器人本体的下部设有行走机构，机器人本体的前端设有多自由度清渣
机构和出渣装置，出渣装置位于多自由度清渣机构的下方，且出渣装置的出料端与机器人
本体连通。

[0006] 所述机器人本体包括内部中空的外壳，外壳内设有螺旋输送机，外壳的前端设有连接板、后端设有端盖，端盖上设有排渣口，多自由度清渣机构设置在连接板上，外壳的底
部设有进渣口，出渣装置的出料端经进渣口伸进外壳内。

[0007] 所述多自由度清渣机构包括六自由度平台和橘瓣式抓斗，六自由度平台的一端与机器人本体相连接、另一端与橘瓣式抓斗相连接。所述六自由度平台包括动平台和静平台，
动平台通过驱动油缸组与静平台相连接，驱动油缸组中的两个相邻油缸成V型设置，橘瓣式
抓斗设置在动平台上。所述橘瓣式抓斗包括多角连接座，多角连接座的各个角上均铰接有
弧形抓斗，弧形抓斗的背面通过伸缩油缸与多角连接座相连接；弧形抓斗的内弧面上设有
弧面夹板。

[0008] 所述出渣装置包括刮板输送机和设置在机器人本体下部的门型架，门型架通过摆动机构连接有集渣机构，刮板输送机的前端与集渣机构连接、另一端穿过门型架伸进机器
人本体内；所述门型架的底部设有伸缩支腿。

[0009] 所述集渣机构包括铲斗，铲斗上设有扒渣组件，铲斗的后部设有渣口，渣口处设有支撑刮板输送机的机头轮。所述摆动机构包括V型油缸组，V型油缸组对称连接在铲斗和门
型架上，V型油缸组包括推进油缸和调节油缸，调节油缸与推进油缸成V型并联设置。所述扒
渣组件包括对称设置在渣口两侧的扒渣轮，扒渣轮与设置在铲斗上的驱动件相连接带动两
个扒渣轮向渣口方向转动。

[0010] 一种所述的隧道清理和排障机器人的施工方法，步骤如下：S1：隧道清理：机器人控制多自由度清渣机构进行六自由度摆动，对隧道内的废渣进行挖抓；

[0011] S2：对于隧道内体积大、质量大的岩石，多自由度清渣机构的橘瓣式抓斗将岩石抓起，并通过出渣车送出隧道；

[0012] S3：对于隧道内体积小、质量小的渣石，多自由度清渣机构的橘瓣式抓斗将渣石送至出渣装置的铲斗处，然后铲斗通过刮板输送机将渣石送进机器人本体内，然后通过螺旋
输送机将渣石排出；

[0013] S4：隧道排障：机器人多自由度清渣机构与出渣装置配合进行超前探测，将障碍物通过步骤S2或S3进行拆除、排出。

[0014] 本发明通过多自由度清渣机构对隧道内各方位的杂物进行灵活高效清理，清理过程中一部分渣石经出渣机构收集并通过与出渣装置相连通的且具有排渣功能的机器人本
体向外排出，实现清理与出渣的同步进行，提高隧道清理效率。多自由度清渣机构的橘瓣式
抓斗在六自由度平台的作用下能进行伸出长度、高度和倾斜角度的调节，对隧道内各个位
置的障碍物进行灵活精确清理。出渣装置的集渣机构在摆动机构的作用下进行上下、左右
和小范围前后移动，对隧道内各个方位上的渣石进行快速清理，提高出渣效率。本发明设计
巧妙，结构紧凑，清理和排障动作易于调节和控制，方便灵活，适用于不同隧道施工，提高施
工效率的同时确保施工安全性，具有较高的推广价值。

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技
术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016] 图1为本发明整体结构示意图。

[0017] 图2为本发明出渣装置与机器人本体连接状态示意图。

[0018] 图3为本发明多自由度清渣机构示意图。

[0019] 图4为本发明橘瓣式抓斗示意图。

[0020] 图5为出渣装置示意图。

具体实施方式

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 如图1所示，实施例1，一种隧道清理和排障机器人，包括具有排渣功能的机器人本体2，清理过程中的渣石可经机器人本体向外排出。机器人本体2的下部设有行走机构3，行
走机构根据需要可设置为履带式行走机构或轮式行走机构，行走机构为整个机器人的移动
提供支撑和动力。机器人本体2的前端设有多自由度清渣机构1和出渣装置4，出渣装置4位
于多自由度清渣机构1的下方，多自由度清渣机构用于对隧道内杂物的清理，清理过程中一
部分渣石经出渣机构收集并通过与出渣装置4相连通的机器人本体2向外排出，实现清理与
出渣的同步进行，提高隧道清理效率。

[0023] 进一步，如图2所示，所述机器人本体2包括内部中空的外壳201，外壳201内设有螺旋输送机202，外壳和螺旋输送机的长度、大小相匹配，确保顺利出渣。外壳201的前端设有
连接板203，用于与多自由度清渣机构的连接，外壳的后端设有端盖204，端盖204上设有排
渣口，排渣口根据需要可设置闸门，控制其开合。多自由度清渣机构1设置在连接板203上，
形成以连接板支撑点的多自由度摆动机构，对隧道进行灵活清理。外壳201的底部设有进渣
口205，出渣装置4的出料端经进渣口205伸进外壳201内，出渣装置将渣料送入外壳内，然后
经外壳内的螺旋输送机向后运送。

[0024] 进一步，所述多自由度清渣机构1包括六自由度平台101和橘瓣式抓斗102，六自由度平台101的一端与机器人本体2的连接板203相连接、另一端与橘瓣式抓斗102相连接。橘
瓣式抓斗102在六自由度平台101的作用下能进行伸出长度、高度和倾斜角度的调节，对隧
道内各个位置的障碍物进行灵活精确清理。

[0025] 如图3所示，实施例1，一种隧道清理和排障机器人，所述六自由度平台101包括动平台101‑1和静平台101‑2，动平台101‑1通过驱动油缸组101‑3与静平台101‑2相连接，驱动
油缸组101‑3中的两个相邻油缸成V型设置，驱动油缸组101‑3优选包括3组6个驱动油缸，橘
瓣式抓斗102设置在动平台101‑1上。优选地，如图4所示，所述橘瓣式抓斗102包括多角连接
座1023，同组的两个驱动油缸程V型设置，配合伸缩通过动平台实现橘瓣式抓斗102角度和
位姿的调节，摆动更加灵活且易于控制。多角连接座1023的各个角上均铰接有弧形抓斗
1021，多角连接座可采用5角座或6角座，弧形抓斗与多角连接座的连接角一一对应，弧形抓
斗1021的背面通过伸缩油缸1022与多角连接座1023相连接，在伸缩油缸的作用下，弧形抓
斗上下摆动，实现橘瓣式抓斗的张合，对障碍物进行抓取。为提高橘瓣式抓斗的抓握力，弧
形抓斗1021的内弧面上设有弧面夹板1024，既能提高抓握面积，又能保证在转运渣石过程
中，渣石不掉落，提高施工效率和施工安全系数。

[0026] 进一步，如图5所示，所述出渣装置4包括刮板输送机406和设置在机器人本体2下部的门型架407，门型架位于连接板203的下方，为刮板输送机提供支撑。门型架407通过摆
动机构连接有集渣机构，集渣机构用于对渣石的铲起收集，集渣机构在摆动机构的作用下
进行上下、左右和小范围前后移动，对隧道内各个方位上的渣石进行快速清理。刮板输送机
406的前端与集渣机构连接、另一端穿过门型架407伸进机器人本体2内，集渣机构铲集的渣
石或废物经刮板输送机运送至机器人外壳内，实现连续、快速出渣。所述门型架407的底部
设有伸缩支腿405，提高装置的稳定性。优选地，所述集渣机构包括铲斗401，铲斗401上设有
扒渣组件402，铲斗401的后部设有渣口408，渣口408处设有支撑刮板输送机406的机头轮，
实现刮板输送机的进料端与铲斗的随动，实现灵活高效出渣。

[0027] 进一步，所述摆动机构包括V型油缸组，V型油缸组对称连接在铲斗401和门型架407上，在V型油缸组的作用下，铲斗可进行位姿的调节。V型油缸组包括推进油缸403和调节
油缸404，推进油缸位于调节油缸的下方，调节油缸404与推进油缸403成V型并联设置，配合
伸缩可用于调节铲斗的高度和摆动角度。所述扒渣组件402包括对称设置在渣口408两侧的
扒渣轮402‑1，扒渣轮402‑1与设置在铲斗401上的驱动件相连接带动两个扒渣轮向渣口408
方向转动，用于快速将铲斗内的渣土拨送到刮板输送机上，防止发生堵塞，提高出渣效率。

[0028] 实施例3：一种如实施例2所述的隧道清理和排障机器人的施工方法，步骤如下：S1：隧道清理：机器人的控制器控制多自由度清渣机构1进行六自由度摆动，对隧道内的废
渣进行挖抓，挖抓点可通过六自由度平台的驱动油缸组进行调节，进行上下左右前后运动，
挖抓范围大，提高清理效率；

[0029] S2：对于隧道内体积大、质量大的岩石，多自由度清渣机构1的橘瓣式抓斗102将岩石抓起，并通过出渣车送出隧道；虽然橘瓣式抓斗102具有一定的破碎能力，但是对于较硬
的大石块，可直接通过出渣车进行出渣。

[0030] S3：对于隧道内体积小、质量小的渣石，多自由度清渣机构1的橘瓣式抓斗102将渣石送至出渣装置4的铲斗401处，然后铲斗401通过刮板输送机406将渣石送进机器人本体2
内，然后通过螺旋输送机202将渣石排出；实现清理与出渣的同步进行，提高隧道清理效率。

[0031] S4：隧道排障：机器人多自由度清渣机构1与出渣装置4配合进行超前探测，将障碍物通过步骤S2或S3进行拆除、排出，实现清渣排障一体，提高工作效率。

[0032] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。