隧道钻孔机器人系统及其控制方法、隧道掘进机

权利要求书： 1.一种隧道钻孔机器人系统，其特征在于，包括：用于钻孔的钻机(1)；

用于安装在隧道掘进机上的机器人(2)，所述钻机(1)与所述机器人(2)的末端(22)固定连接；

控制器(3)，其与所述机器人(2)的驱动模块(21)相连，所述控制器(3)用于获取钻孔参数、所述隧道掘进机的掘进里程和掘进速度，并根据所述钻孔参数确定各个目标钻孔位置的坐标，根据所述掘进里程定位所述机器人(2)的位置，根据所述掘进速度计算所述机器人(2)的实时偏移量，进而根据各个所述目标钻孔位置的坐标、所述机器人(2)的位置和所述实时偏移量，控制所述机器人(2)动作，以使所述钻机(1)运动至各个所述目标钻孔位置进行钻孔，并在所述隧道掘进机掘进过程中，根据所述实时偏移量控制所述机器人(2)实时调整位姿，以使所述钻机(1)的轴线保持不变。

2.根据权利要求1所述的隧道钻孔机器人系统，其特征在于，所述控制器(3)与所述隧道掘进机的工业电脑相连，以获取所述掘进里程和所述掘进速度。

3.根据权利要求1所述的隧道钻孔机器人系统，其特征在于，还包括触控显示屏(4)，其与所述控制器(3)的输入端连接，以通过所述触控显示屏(4)向所述控制器(3)输入所述钻孔参数。

4.根据权利要求1?3任一项所述的隧道钻孔机器人系统，其特征在于，所述机器人(2)的末端(22)与所述钻机(1)之间设有用于检测各个方向上的力和扭矩的力传感器(5)，所述力传感器(5)与所述控制器(3)相连，以当所述力传感器(5)检测的力和/或扭矩大于预设安全阈值时，使所述控制器(3)控制所述钻机(1)停止运动，并控制所述机器人(2)动作，使所述钻机(1)退出钻孔。

5.根据权利要求4所述的隧道钻孔机器人系统，其特征在于，所述力传感器(5)分别通过连接法兰(6)与所述机器人(2)的末端(22)和所述钻机(1)相连。

6.一种隧道钻孔机器人系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的隧道钻孔机器人系统的控制器，包括：

获取钻孔参数，并根据所述钻孔参数计算各个目标钻孔位置的坐标；

获取隧道掘进机的掘进里程，并根据所述掘进里程定位所述隧道钻孔机器人系统的机器人的位置；

获取所述隧道掘进机的掘进速度，并根据所述掘进速度计算所述机器人的实时偏移量；

根据所述目标钻孔位置的坐标、所述机器人的位置和所述实时偏移量，控制所述机器人动作，以使所述钻机运动至所述目标钻孔位置，并控制所述隧道钻孔机器人系统的钻机进行钻孔；

在所述隧道掘进机掘进过程中，根据所述机器人的实时偏移量，实时调整所述机器人的位姿，以使所述钻机的轴线保持不变。

7.根据权利要求6所述的隧道钻孔机器人系统的控制方法，其特征在于，在控制所述钻机进行钻孔的过程中，还包括：

实时监测所述钻机和所述机器人受到的力和扭矩；

当所述钻机和所述机器人受到的力和/或扭矩大于预设安全阈值时，则控制所述钻机停机，并控制所述机器人动作，使所述钻机退出钻孔。

8.一种隧道掘进机，包括掘进机本体和设于所述掘进机本体的机器人系统，其特征在于，所述机器人系统为权利要求1?5任一项所述的隧道钻孔机器人系统。

9.根据权利要求8所述的隧道掘进机，其特征在于，所述隧道钻孔机器人系统固设于所述掘进机本体的设备拖车(7)上，所述隧道掘进机运行时，所述设备拖车(7)跟随所述掘进机本体移动。

说明书： 一种隧道钻孔机器人系统及其控制方法、隧道掘进机技术领域[0001] 本发明涉及隧道钻孔设备技术领域，更具体地说，涉及一种隧道钻孔机器人系统。此外，本发明还涉及一种上述隧道钻孔机器人系统的控制方法以及包括上述隧道钻孔机器

人系统的隧道掘进机。

背景技术[0002] 在地铁、铁路、水利等隧道工程施工过程中，需要敷设大量的水管管路和电缆线路等，因此，需要对隧道进行钻孔，以安装管线支架，便于水管管路和电缆线路的敷设。

[0003] 现有技术中，通常采用人工施工的方式进行隧道钻孔，也即，施工人员手持钻机进行钻孔施工，显然，人工钻孔的效率低，劳动强度大，且钻孔的一致性差。

[0004] 为了解决人工钻孔存在的上述技术问题，钻孔机器人逐渐得到应用。然而，现有技术中的钻孔机器人，通常是将一个作业点的所有孔钻完后，再移动到下一个作业点进行钻

孔作业，也即，钻孔施工与隧道掘进机的掘进过程是两个单独的工序，两者无法同时进行，

需要隧道掘进机掘进施工完成后，再进行钻孔施工，导致施工周期长。

[0005] 因此，如何提供一种能够使钻孔施工与隧道掘进施工同步进行的隧道钻孔机器人系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种隧道钻孔机器人系统及其控制方法，在隧道掘进机掘进过程中，可确保钻机轴线始终保持不变，以使钻孔与隧道掘进机掘进施工的同

步进行。

[0007] 本发明的另一目的是提供一种包括上述隧道钻孔机器人系统的隧道掘进机，可实现隧道掘进施工与钻孔施工的同步作业，缩短了隧道施工的整体施工周期。

[0008] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0009] 一种隧道钻孔机器人系统，包括：[0010] 用于钻孔的钻机；[0011] 用于安装在隧道掘进机上的机器人，所述钻机与所述机器人的末端固定连接；[0012] 控制器，其与所述机器人的驱动模块相连，所述控制器用于获取钻孔参数、所述隧道掘进机的掘进里程和掘进速度，并根据所述钻孔参数确定各个目标钻孔位置的坐标，根

据所述掘进里程定位所述机器人的位置，根据所述掘进速度计算所述机器人的实时偏移

量，进而根据各个所述目标钻孔位置的坐标、所述机器人的位置和所述实时偏移量，控制所

述机器人动作，以使所述钻机运动至各个所述目标钻孔位置进行钻孔，并在所述隧道掘进

机掘进过程中，根据所述实时偏移量控制所述机器人实时调整位姿，以使所述钻机的轴线

保持不变。

[0013] 优选地，所述控制器与所述隧道掘进机的工业电脑相连，以获取所述掘进里程和所述掘进速度。

[0014] 优选地，还包括触控显示屏，其与所述控制器的输入端连接，以通过所述触控显示屏向所述控制器输入所述钻孔参数。

[0015] 优选地，所述机器人的末端与所述钻机之间设有用于检测各个方向上的力和扭矩的力传感器，所述力传感器与所述控制器相连，以当所述力传感器检测的力和/或扭矩大于

预设安全阈值时，使所述控制器控制所述钻机停止运动，并控制所述机器人动作，使所述钻

机退出钻孔。

[0016] 优选地，所述力传感器分别通过连接法兰与所述机器人的末端和所述钻机相连。[0017] 一种隧道钻孔机器人系统的控制方法，应用于上述任意一种隧道钻孔机器人系统的控制器，包括：

[0018] 获取钻孔参数，并根据所述钻孔参数计算各个目标钻孔位置的坐标；[0019] 获取隧道掘进机的掘进里程，并根据所述掘进里程定位所述隧道钻孔机器人系统的机器人的位置；

[0020] 获取所述隧道掘进机的掘进速度，并根据所述掘进速度计算所述机器人的实时偏移量；

[0021] 根据所述目标钻孔位置的坐标、所述机器人的位置和所述实时偏移量，控制所述机器人动作，以使所述钻机运动至所述目标钻孔位置，并控制所述隧道钻孔机器人系统的

钻机进行钻孔；

[0022] 在所述隧道掘进机掘进过程中，根据所述机器人的实时偏移量，实时调整所述机器人的位姿，以使所述钻机的轴线保持不变。

[0023] 优选地，在控制所述钻机进行钻孔的过程中，还包括：[0024] 实时监测所述钻机和所述机器人受到的力和扭矩；[0025] 当所述钻机和所述机器人受到的力和/或扭矩大于预设安全阈值时，则控制所述钻机停机，并控制所述机器人动作，使所述钻机退出钻孔。

[0026] 一种隧道掘进机，包括掘进机本体和设于所述掘进机本体的机器人系统，所述机器人系统为上述任意一种隧道钻孔机器人系统。

[0027] 优选地，所述隧道钻孔机器人系统固设于所述掘进机本体的设备拖车上，所述隧道掘进机运行时，所述设备拖车跟随所述掘进机本体移动。

[0028] 本发明提供的隧道钻孔机器人系统及其控制方法，控制器根据其获取的钻孔参数，计算得到各个目标钻孔位置的坐标，由于各个目标钻孔位置与隧道掘进机之间具有确

定的相对位置关系，同时，机器人设置在隧道掘进机上，也即，各个目标钻孔位置与机器人

具有确定的相对位置关系，当控制器根据掘进里程定位机器人的位置后，即可确定机器人

末端与目标钻孔位置之间的坐标差，结合着隧道掘进机掘进过程中机器人的实时偏移量，

即可计算出机器人末端到达目标钻孔位置所需的位姿变化量，因此，控制器通过控制机器

人动作，可以使钻机运动至各个目标钻孔位置，当钻机到达目标钻孔位置时，控制器控制钻

机进行钻孔施工，在此过程中，隧道掘进机同步掘进，此时，控制器根据机器人的实时偏移

量控制机器人实时调整位姿，以使钻机的轴线保持不变，保证钻孔质量。

[0029] 由此可以看出，本发明提供的隧道钻孔机器人系统及其控制方法，在隧道掘进机掘进过程中，可以实时补偿机器人的实时偏移量，进而可确保钻机轴线始终保持不变，使钻

机轴线与钻孔轴线始终重合，确保钻孔质量，也即，在隧道掘进机掘进过程中，可同步进行

钻孔施工，因此可缩短整体施工周期。

[0030] 本发明提供的隧道掘进机，包括上述隧道钻孔机器人系统，因此可实现隧道掘进施工与钻孔施工的同步作业，缩短了隧道施工的整体施工周期。

附图说明[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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

提供的附图获得其他的附图。

[0032] 图1为本发明具体实施例所提供的隧道钻孔机器人系统设置在隧道掘进机的设备拖车上后的结构示意图；

[0033] 图2为图1所示隧道钻孔机器人系统钻孔时的示意图；[0034] 图3为图1中隧道钻孔机器人系统的机器人、钻机和力传感器的连接结构示意图；[0035] 图4为本发明具体实施例所提供的隧道钻孔机器人系统的控制方法的流程图。[0036] 图1至图3中的附图标记如下：[0037] 1为钻机、2为机器人、21为驱动模块、22为末端、3为控制器、4为触控显示屏、5为力传感器、6为连接法兰、7为设备拖车、8为轨道、9为运输机车。

具体实施方式[0038] 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做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。

[0039] 本发明的核心是提供一种隧道钻孔机器人系统及其控制方法，在隧道掘进机掘进过程中，可确保钻机轴线始终保持不变，以使钻孔与隧道掘进机掘进施工的同步进行。本发

明的另一核心是提供一种包括上述隧道钻孔机器人系统的隧道掘进机，可实现隧道掘进施

工与钻孔施工的同步作业，缩短了隧道施工的整体施工周期。

[0040] 请参考图1?图3，图1为本发明具体实施例所提供的隧道钻孔机器人系统设置在隧道掘进机的设备拖车上后的结构示意图；图2为图1所示隧道钻孔机器人系统钻孔时的示意

图；图3为图1中隧道钻孔机器人系统的机器人、钻机和力传感器的连接结构示意图。

[0041] 本发明提供一种隧道钻孔机器人系统，主要包括钻机1、机器人2和控制器3等。[0042] 具体地，钻机1用于对隧道进行钻孔，钻机1的主体结构及其工作原理与现有技术中常规钻机1的结构及其工作原理对应相同，本文不再赘述。

[0043] 钻机1固设于机器人2的末端22，以随着机器人2末端22的运动而运动，也即，本发明利用机器人2的运动，控制钻机1的位置，以使钻机1达到所需的钻孔位置。

[0044] 需要说明的是，机器人2用于安装在隧道掘进机上，以随着隧道掘进机的掘进而同步移动。

[0045] 本发明对机器人2的具体实现形式不做限定，只要能够通过控制机器人2的动作来调整钻机1的位置即可。例如，机器人2可以优选为六轴机器人2，钻机1固设于六轴机器人2

的第六轴的自由端。

[0046] 另外，控制器3与机器人2的驱动模块相连，以通过向驱动模块发送控制指令，控制机器人2的动作。

[0047] 具体地，控制器3用于获取钻孔参数、隧道掘进机的掘进里程和掘进速度；并根据钻孔参数确定各个目标钻孔位置的坐标，根据掘进里程定位机器人2的位置，根据掘进速度

计算机器人2的实时偏移量；进而根据各个目标钻孔位置的坐标、机器人2的位置和机器人2

的实时偏移量，控制机器人2动作，以使钻机1运动至目标钻孔位置并控制钻机1进行钻孔，

同时，在隧道掘进机掘进过程中，控制器3根据机器人2的实时偏移量控制机器人2实时调整

位姿，以使钻机1的轴线保持不变。

[0048] 需要说明的是，通常沿隧道掘进机的掘进方向在不同的隧道截面上间隔设置钻孔，且同一隧道截面上通常需要钻多个孔，因此钻孔参数包括不同隧道截面的钻孔间距、同

一隧道截面上第一个目标钻孔位置的钻孔角度、同一隧道截面上的钻孔数量以及钻孔深度

等信息。

[0049] 优选地，设定隧道掘进机开始掘进时的当前位置为钻孔的基准位置，以该基准位置处的隧道截面为准，根据钻孔间距，可以确定各个待钻孔的隧道截面。

[0050] 同时，根据隧道截面的整体角度和钻孔数量，可以计算得到同一隧道截面上相邻两个钻孔之间的角度差，根据该角度差和同一隧道截面上第一个目标钻孔位置的钻孔角

度，可以确定同一隧道截面上各个目标钻孔位置坐标。

[0051] 也即，控制器3根据其获取的钻孔参数，可计算得到各个目标钻孔位置的坐标。[0052] 可以理解的是，各个目标钻孔位置与隧道掘进机之间具有确定的相对位置关系，同时，机器人2设置在隧道掘进机上，也即，各个目标钻孔位置与机器人2具有确定的相对位

置关系，当根据掘进里程定位机器人2的位置后，即可确定机器人2末端22与目标钻孔位置

之间的坐标差，结合着隧道掘进机掘进过程中机器人2的实时偏移量，即可计算出机器人2

末端22到达目标钻孔位置所需的位姿变化量，因此，控制器3通过控制机器人2动作，可以使

钻机1运动至各个目标钻孔位置，当钻进到达目标钻孔位置时，控制器3控制钻机1进行钻孔

施工，在此过程中，隧道掘进机同步掘进，此时，控制器3根据机器人2的实时偏移量控制机

器人2实时调整位姿，以使钻机1的轴线保持不变，保证钻孔质量。

[0053] 由此可以看出，本发明提供的隧道钻孔机器人系统，在隧道掘进机掘进过程中，可以实时补偿机器人2的实时偏移量，进而可确保钻机1轴线始终保持不变，与钻孔轴线重合，

确保钻孔质量，也即，在隧道掘进机掘进过程中，可同步进行钻孔施工，因此可缩短整体施

工周期。

[0054] 需要说明的是，本发明对控制器3获取隧道掘进机的掘进里程和掘进速度的具体方式不做限定，例如，可以通过设置里程计来实时检测隧道掘进机的掘进里程，并通过计时

器计时，利用里程计和计时器的检测数据，计算隧道掘进机的掘进速度。

[0055] 当然，考虑到隧道掘进机的掘进里程和掘进速度获取的方便性，在上述实施例的基础之上，控制器3与隧道掘进机的工业电脑相连，以获取隧道掘进机的掘进里程和掘进速

度。

[0056] 也就是说，本实施例中的控制器3与隧道掘进机的工业电脑电连接或通信连接，以通过隧道掘进机的工业电脑将隧道掘进机的掘进里程和掘进速度发送至控制器3。

[0057] 可以理解的是，通常情况下，隧道掘进机的掘进里程由隧道导向系统通过测量得到，也即，使用专业测量仪器如全站仪等设备周期性测量，再通过计算得出，属于隧道掘进

机的常规参数，也即，为已知量。

[0058] 掘进速度由隧道掘进机工作时的推进油缸行程传感器给出，也即，由推进油缸行程传感器检测的油缸伸出长度，除以单位时间，得出的平均速度，属于隧道掘进机的常规参

数，为已知量。

[0059] 因此，考虑到控制器3获取掘进里程和掘进速度获取的方便性，只需要在控制器3与隧道掘进机的工业电脑之间建立通讯，即可使控制器3获得隧道掘进机的掘进里程和掘

进速度。

[0060] 需要说明的是，本发明对控制器3获取钻孔参数的具体方式不做限定，钻孔参数可以预先设置在控制器3的程序内。

[0061] 考虑到钻孔参数更改的方便性，在上述实施例的基础之上，还包括触控显示屏4，其与控制器3的输入端连接，以通过触控显示屏4向控制器3输入钻孔参数。

[0062] 也就是说，在钻孔施工之前，施工操作员可根据实际施工需要向触控显示屏4输入钻孔参数，使触控显示屏4将该钻孔参数传送至控制器3，以便于随时更改钻孔参数。

[0063] 当然，有些钻孔参数可预先设置在控制器3的控制程序内，例如，预先在控制器3内设定隧道掘进机开始掘进时的当前位置为钻孔的基准位置，也即，以该基准位置处的隧道

截面为准，根据输入的不同隧道截面的钻孔间距，可确定出待钻孔的各个隧道截面的位置。

[0064] 可以理解的是，在钻孔施工过程中，机器人2和钻机1会受到基于空间直角坐标系X、Y、Z三个方向的力和扭矩，当机器人2和钻机1受到的力和/或扭矩过大时，将对机器人2和

钻机1造成损坏，为了避免对机器人2和钻机1造成损坏，在上述实施例的基础之上，机器人2

的末端22与钻机1之间设有用于检测各个方向上的力和扭矩的力传感器5，力传感器5与控

制器3相连，以当力传感器5检测的力和/或扭矩大于预设安全阈值时，使控制器3控制钻机1

停止运动，并控制机器人2动作，使钻机1退出钻孔。

[0065] 也就是说，本实施例通过力传感器5来检测机器人2和钻机1受到的力和扭矩，以此来判断是否存在钻孔障碍，预设安全阈值预先设定好，当力传感器5检测的力和/或扭矩大

于预设安全阈值时，则表明存在钻孔障碍，此时，通过控制钻机1停机，并使机器人2动作，带

动钻机1退回，来保护钻机1和机器人2免受损坏。

[0066] 此时，施工操作员可通过在触控显示屏4上更改钻孔参数等，使钻机1避开障碍，以继续钻孔。

[0067] 需要说明的是，本实施例对力传感器5分别与机器人2的末端22和钻机1的连接方式不做限定，作为一种优选方案，在上述实施例的基础之上，力传感器5分别通过连接法兰6

与机器人2的末端22和钻机1相连。

[0068] 请参考图4，为本发明具体实施例所提供的隧道钻孔机器人系统的控制方法的流程图。

[0069] 除了上述隧道钻孔机器人系统，本发明还提供一种上述实施例公开的隧道钻孔机器人系统的控制方法，该控制方法应用于隧道钻孔机器人系统的控制器，包括步骤S1至步

骤S8：

[0070] 步骤S1：获取钻孔参数。[0071] 步骤S2：根据钻孔参数计算各个目标钻孔位置的坐标。[0072] 步骤S3：获取隧道掘进机的掘进里程。[0073] 步骤S4：根据掘进里程定位隧道钻孔机器人系统的机器人的位置。[0074] 步骤S5：获取隧道掘进机的掘进速度。[0075] 步骤S6：根据掘进速度计算机器人的实时偏移量。[0076] 步骤S7：根据目标钻孔位置的坐标、机器人的位置和实时偏移量，控制机器人动作，以使钻机运动至目标钻孔位置，并控制隧道钻孔机器人系统的钻机进行钻孔。

[0077] 步骤S8：在隧道掘进机掘进过程中，根据机器人的实时偏移量，实时调整机器人的位姿，以使钻机的轴线保持不变。

[0078] 显然，本实施例对获取钻孔参数、隧道掘进机的掘进里程和掘进速度的先后顺序不做限定，也即，不受步骤序号的限定。

[0079] 可以理解的是，控制器的这一控制方法，能够实时补偿机器人在隧道掘进机掘进过程中的实时偏移量，进而可实时调整机器人的位姿，确保钻机轴线始终保持不变，与钻孔

轴线重合，确保钻孔质量，也即，在隧道掘进机掘进过程中，可同步进行钻孔施工，因此可缩

短整体施工周期。

[0080] 在钻孔施工过程中，为了避免机器人和钻机因受到的力和/或扭矩过大造成损坏，在上述实施例的基础之上，在控制钻机进行钻孔的过程中，还包括：

[0081] 实时监测钻机和机器人受到的力和扭矩。[0082] 当钻机和机器人受到的力和/或扭矩大于预设安全阈值时，则控制钻机停机，并控制机器人动作，使钻机退出钻孔。

[0083] 需要说明的是，本实施例对控制器实时监测钻机和机器人受到的力和扭矩的具体方式不做限定，例如，可以通过设置力传感器来实时检测钻机和机器人受到的力和扭矩，并

通过力传感器与控制器的连接，使力传感器将其检测信号传送至控制器，实现控制器对钻

机和机器人受到的力和扭矩进行实时监测。

[0084] 除了上述隧道钻孔机器人系统，本发明还提供一种包括上述实施例公开的隧道钻孔机器人系统的隧道掘进机，该隧道掘进机还包括掘进机本体，隧道钻孔机器人系统设于

掘进机本体，随掘进机本体的掘进而移动。

[0085] 需要说明的是，本实施例中掘进机本体的主体结构与现有技术中常规隧道掘进机的主体结构相同，本文不再赘述。

[0086] 本实施例的重点在于，采用上述任意一个实施例公开的隧道钻孔机器人系统，由于该隧道钻孔机器人系统在隧道掘进机掘进过程中可以实时补偿机器人2的实时偏移量，

确保钻机1轴线始终保持不变，因此，该隧道掘进机可实现隧道掘进施工与钻孔施工的同步

作业，缩短了隧道施工的整体施工周期。

[0087] 考虑到隧道钻孔机器人系统的具体设置方式，在上述实施例的基础之上，隧道钻孔机器人系统固设于掘进机本体的设备拖车7上，隧道掘进机运行时，设备拖车7跟随掘进

机本体移动。

[0088] 需要说明的是，本实施例对隧道钻孔机器人系统在设备拖车7上的具体设置位置不做限定，以机器人2在钻孔时不与隧道施工用的运输机车9干涉为准。

[0089] 如图1和2所示，在掘进机本体掘进时，设备拖车7优选沿轨道8移动。[0090] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0091] 以上对本发明所提供的隧道钻孔机器人系统及其控制方法、隧道掘进机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说

明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术

人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进

和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。