实验室承担的科委科技创新行动计划项目顺利结题验收

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2025年1月2日下午，上海大学承担、袁建军教授总负责的盾构机机器人换刀关键技术研究与验证项目在盾地甲机器人公司顺利举行综合绩效评价会，标志着该项目在盾构机智能化与自动化领域取得了阶段性突破。该项目致力于解决盾构机换刀过程中复杂的操作问题，为盾构机行业的自动化和智能化发展奠定了坚实的技术基础。

图1：上海大学研究团队在盾地甲机器人公司进行盾构机换刀机器人关键技术研究与验证验收汇报

项目背景 目前，盾构机换刀均采用人工进舱更换的方法，为了完成盾构机换刀任务，作业人员需要借助一系列工具进行刀具的拆卸、安装和搬运。在施工过程，作业人员还面临着诸如掌子面坍塌等安全隐患，利用盾构机换刀机器人换刀能够提高工作人员的作业效率，降低了作业危险系数。另一方面，人工进行刀具的更换，其消耗的费用约占设备维修的百分之四十，采用机器人更换刀具可以降低维修成本，缩短施工周期，为盾构机行业带来显著的经济效益。 本研究在前期盾构机换刀机器人样机工作的基础上，分析了换刀机器人及其工作环境的结构，确认了其主要结构参数，并基于WRS平台建立了换刀机器人的参数化仿真模型。 技术创新 研究团队克服了复杂狭窄操作空间、稀疏特征视觉定位等机器人关键难题，针对盾构机故障滚刀更换的任务，提出了4种机械臂性能指标，并且完成了相关运动规划算法匹配，设计并实施面向故障滚刀更换的操作流程。 通过构建视觉感知系统，提出了基于位姿观测器的机械臂自适应位置视觉伺服控制方法。解决了运动学和动力学参数存在不确定性情况下的机械臂自适应位置视觉伺服轨迹跟踪控制问题。实现实时操作中精确定位，视觉相机系统最低定位精度为0.134mm、最高定位精度为 0.002mm、平均定位精度为 0.031mm，视觉伺服控制算法最小控制周期为28ms、最大控制周期为39ms、平均控制周期为30ms，系统控制周期为0.486mm，保证了视觉系统的实时反馈。 该研究还开发了基于Unity环境的虚拟现实仿真平台，该平台与盾构机换刀机器人紧密协作，共同对经过图像处理和点云处理的运动轨迹算法进行验证，设计并开发了一套能够充分模拟刀具各种位置和姿态的结构，在样机实验平台以及虚拟现实仿真平台搭建完成后针对虚拟环境数据构建了专门的数据库，数据库用于存储机器人的关键操作参数，如位置、速度、加速度等，通过分析数据，可以实现机器人操作状态的精确再现，为未来的数据分析和数据挖掘工作提供坚实的基础。

图2：上海大学研究团队在盾地甲机器人科技公司进行盾构机换刀机器人现场测试。图中展示了机器人操作的核心部件及其与盾构机系统的配合。

技术成果 本项目申请国家发明专利10项，发表科技论文12篇，培养博士2名、硕士7名。基于此推动盾构机整机自动化、智能化发展和盾构施工的效率、安全提升，巩固我国企业在盾构机领域的技术领头地位。 项目以盾构机复杂狭窄结构下机器人检测清除故障滚刀的迫切需求为牵引，以提高机器人系统自动化、智能化、安全性为目的，形成了盾构机换刀机器人样机。由于换刀机器人仓狭窄、刀盘上的滚刀嵌入在刀箱中，这使得换刀机器人需要很强的灵活度来进行避障及更换滚刀的操作，因此提出了一种基于末端位姿灵活度的操作灵活度指标来衡量避障及拆/装刀任务可行性的算法，在盾构机自主换刀场景下处于领先地位。基于项目研究成果，获得了中建二局的商务订单，完成盾构机换刀机器人的应用示范，标志着这一技术从实验室走向了实际应用。 展望未来 该项目的成功实现，不仅推动了盾构机整机的智能化发展，还为盾构机行业的高效、安全施工提供了强有力的技术支持。未来，项目成果有望在更广泛的自动化应用场景中推广，为我国盾构机产业在全球技术竞争中占据更加重要的地位奠定基础。