用于自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机(2)的隧道掘进机(1)，所述设备包括：‑控制器，其被设计成与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，以及‑三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪；控制器被设计成接收管片定位规划，并且根据三维视觉系统的分析数据、拼装机传感器的测量数据和所述管片定位规划，从而确定拼装机轨迹，以与先前铺设的管片和/或管片环(A)对齐定位待铺设的管片(V)，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据上述轨迹移动它。

Equipment and method for automatically picking up and laying segments to form tunnel lining

The invention relates to a device for automatically picking up and laying segments for forming tunnel lining, which is used to connect a tunnel boring machine (1) equipped with a segment assembler (2). The device comprises a controller designed to communicate with an automatic system of a tunnel boring machine, the automatic system is suitable for controlling the actuation of the assembly machine, and a three-dimensional vision system, which comprises at least four parts. A laser profiler; the controller is designed to receive segment positioning planning, and to determine the assembly trajectory according to the analysis data of the three-dimensional vision system, the measurement data of the sensor of the assembly machine and the segment positioning planning, so as to align the segment (V) to be laid with the previously laid segment and/or segment ring (A), and transmit the moving instructions to the automatic system of the tunnel boring machine. The assembly machine is then actuated to pick up the segment to be laid and move it according to the above trajectory.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的设备和方法
本专利技术涉及一种用于自动拾取和铺设管片的设备，所述管片用于连接到设置有管片拼装机的隧道掘进机；本专利技术还涉及一种实施这种设备的用于自动拾取和铺设管片的方法。
技术介绍
隧道衬砌通常由以多个连续环的形式设置的预制管片(拱楔块(voussoirs))组成。随着隧道掘进机的推进，通过将多个管片连续地组装在先前铺设的环上来构造新的环。每个新环的前面(也就是说，朝向隧道掘进机的截割头的面)用作位于隧道掘进机护盾后部(也就是说，在截割头的另一侧)的推进缸的支承表面，并且用于施加挖掘所要开凿的土地所需的推力。通过拼装机进行管片的铺设；拼装机就是这样的机器，其允许从设置在隧道掘进机护盾后部的喂片机紧持管片，然后使管片朝向其预定位置移动以形成环。拼装机是隧道掘进机护盾的组成部分并位于隧道掘进机护盾的后部。目前，拼装机通常由紧邻其的操作者在铺设管片的区域中控制。然而，操作者的这种操纵具有几个缺点。一方面，在管片铺设区域中存在一个或几个操作者导致存在安全风险。另一方面，每个管片的铺设时间很长，特别是因为一个或几个操作者控制相对于先前铺设的管片放置的管片的位置，并且因为可能的位置调整是通过所述操作者根据经验进行的。这项任务也特别困难，因为它需要操作者多次移动。因此，最好能够按顺序自动铺设管片，一方面，避免铺设区域中存在操作者，另一方面，改善管片铺设的质量和时间。由于拼装机是一种大容量且大行程的液压机器，在操作时具有较大的挠度(flèche)，其定位不准确并且可重复性差。在隧道掘进机的使用寿命期间，高度磨损和操作间隙的显著增加加剧了这些缺陷。文献FR2745327描述了一种用于在隧道中铺设管片期间辅助操作者的设备。该设备实施为测量传感器，该测量传感器设计成用于测量先前铺设的管片的侧面上的参考点的位置以及待铺设的管片的侧面上的参考点，这两个参考点将彼此相对放置。该设备进一步包括计算器，该计算器被配置成根据对这两个参考点中的偏差的分析来确定拼装机的路径，以使该管片相对于先前铺设的管片被铺设到期望位置。第一步，操作者控制拼装机使其大致位于接近先前铺设的管片的位置。放置测量传感器，使得待铺设的管片和先前铺设的管片在其视野内。然后对参考点中的偏差进行分析并将其传送到计算器。然后，计算器计算拼装机所需的位移，以使该管片被铺设到其最终位置。在此阶段，根据计算器定义的位移自动驱动拼装机，无需操作者干预。然而，该设备不允许完全自动化管片的铺设，操作者仍然执行大致的放置。另外，该设备不允许控制管片的铺设质量(根据不同的自由度考虑所述质量)。此外，测量传感器特定于拼装机，以便能够跟随它。文献CN104747213描述了一种用于自动铺设管片的设备。该设备包括两个三维摄像机，用于获取在管片铺设期间要彼此接触放置的待铺设的管片的表面的图像和先前铺设的管片的表面的图像。该设备进一步包括计算器，用于分析所述图像以确定所述管片之间的偏移。第一步，与先前铺设的管片相比，待铺设的管片被置于接近位置。第二步，摄像机获取要面对彼此放置的管片的表面的图像。这些图像被传送到计算器，计算器对其进行处理以从中推断出这两个管片之间的偏移，这两个管片之间的偏移一方面由两个管片相面对的表面之间的距离和两个管片的前表面之间的距离限定。如果该偏移小于确定的阈值，则认为该管片正确定位并且完成铺设所述管片的方法。如果该偏移超过所述阈值，则计算器确定提高管片定位精度所需的拼装机的运动，并且自动控制拼装机以执行所述运动。可以迭代该过程，直到两个管片之间的偏移低于确定的阈值。然而，处理这种图像的时间相对较长，这会不利于铺设每个管片的时间。此外，该设备没有考虑待铺设的管片相对于先前铺设的管片的任何可能的角度偏移。文献JPH08-296400描述了一种允许自动铺设管片的拼装机，该拼装机包括由两个摄像机组成的视觉传感器，其中一个摄像机的视野大于另一个摄像机的视野。第一步，待铺设的管片相对于先前铺设的管片置于接近位置。激光投射器在先前铺设的管片和待铺设的管片的旨在接触的表面上投射一条光线。摄像机获取所述光线的图像。这些图像被传送到计算器，计算器处理它们以从中推断出两个管片之间的偏移，该偏移在位置上(三个方向上的距离)和倾斜度上(三个方向上的角度)被限定。计算器确定对齐两个管片所需的拼装机的运动，并且自动控制拼装机以执行所述运动。然而，在该文献中描述的拼装机是专门设计的，因此其提供的自动化不适用于市场上的隧道掘进机的现有拼装机。最后，上述文献均未提及第一个管片及拱顶石(clé)(在通用环的情况下使环闭合的最后管片)的放置，其具有更重要的放置复杂性。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是设计一种用于自动铺设管片的设备，其允许通过最小化操作者的干预、最小化铺设每个管片的时间以及通过提高铺设精度来增加操作者的安全性和生产率。该设备必须允许铺设完整的环，无论其是否是通用环，其都包括构成环的第一个管片和最后一个管片。此外，所述设备必须与市场上的隧道掘进机的拼装机兼容。最后，所述设备必须紧凑且易于安装。根据本专利技术，提出了一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机的隧道掘进机，所述拼装机包括配备有位置传感器的致动器，其特征在于，所述设备包括：-控制器，其被配置为与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，并从拼装机传感器接收测量数据，-三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪，所述三维视觉系统用于附接到拼装机，以便(i)确定拼装机和待紧持的管片之间的位置和倾斜度的偏差，以及(ii)获得待铺设的管片的位置和倾斜度的偏差分析数据组，所述待铺设的管片由拼装机相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环保持，所述三维视觉系统联接到控制器以将所述测量数据发送到所述控制器，控制器被配置为接收管片铺设规划，并且由于适于处理三维视觉系统的所述分析数据、拼装机传感器的测量数据以及所述铺设规划的计算机规划器，确定拼装机的路径以相对所述先前铺设的管片和/或管片环放置所述待铺设的管片，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据所述路径移动它。有利地是，该设备进一步包括联接到所述控制器的人机交互界面。根据一个实施方案，所述控制器被配置为向所述隧道掘进机的所述自动系统发送指令以移动所述隧道掘进机的至少一个推进缸，从而释放用于铺设待铺设的管片的区域，并在所述管片到位后固定所述管片。根据有利的实施方案，所述控制器被配置为从所述测量数据识别待铺设的管片。本专利技术的另一个目的是提供一种隧道掘进机，其包括管片拼装机和如上所述的设备。本专利技术的另一个目的涉及一种用于通过隧道掘进机自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的方法，所述隧道掘进机设置有管片拼装机和自动系统，所述自动系统适于控制拼装机的致动，其特征在于，所述方法包括：-提供如上所述的设备，-将三维视觉系统放置在拼装机上，-在所述设备的控制器与所述隧道掘进机的自动系统之间建立通信，-由控制器接收管片铺设规划和来自拼装机的传感器的测量数据，-通过控制器向隧道掘进机的自动系统传送指令以通过拼装机紧持待铺设的管片，-通过拼装机紧持待铺设的管片，-将所述管片置于控制器所限定的铺设区域，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机(2)的隧道掘进机(1)，所述拼装机包括配备有位置传感器的致动器，其特征在于，所述设备包括：‑控制器，其被配置为与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，并从拼装机传感器接收测量数据，‑三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪，所述三维视觉系统用于附接到拼装机，以便(i)确定拼装机和待紧持的管片之间的位置和倾斜度的偏差，以及(ii)获得待铺设的管片的位置和倾斜度的偏差的分析数据组，所述待铺设的管片由拼装机相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环保持，所述三维视觉系统联接到控制器将所述测量数据发送到所述控制器，控制器被配置为接收管片铺设规划，并且得益于适于处理三维视觉系统的所述分析数据、拼装机传感器的测量数据以及所述铺设规划的计算机规划器，确定拼装机的路径以相对先前铺设的所述管片和/或管片环(A)放置所述待铺设的管片(V)，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据所述路径移动它。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.04 FR 16595881.一种用于自动拾取和铺设形成隧道衬砌的管片的设备，其用于联接到设置有管片拼装机(2)的隧道掘进机(1)，所述拼装机包括配备有位置传感器的致动器，其特征在于，所述设备包括：-控制器，其被配置为与隧道掘进机的自动系统通信，所述自动系统适于控制拼装机的致动，并从拼装机传感器接收测量数据，-三维视觉系统，其包括至少四个激光轮廓仪，所述三维视觉系统用于附接到拼装机，以便(i)确定拼装机和待紧持的管片之间的位置和倾斜度的偏差，以及(ii)获得待铺设的管片的位置和倾斜度的偏差的分析数据组，所述待铺设的管片由拼装机相对于先前铺设的至少一个管片和/或一个管片环保持，所述三维视觉系统联接到控制器将所述测量数据发送到所述控制器，控制器被配置为接收管片铺设规划，并且得益于适于处理三维视觉系统的所述分析数据、拼装机传感器的测量数据以及所述铺设规划的计算机规划器，确定拼装机的路径以相对先前铺设的所述管片和/或管片环(A)放置所述待铺设的管片(V)，并将移动指令传送到隧道掘进机的自动系统，从而致动拼装机以拾取待铺设的管片并根据所述路径移动它。2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括联接到所述控制器的人机交互界面。3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中，所述控制器被配置为向所述隧道掘进机的所述自动系统发送指令以移动所述隧道掘进机的至少一个推进缸，从而释放用于铺设待铺设的管片的区域，并在所述管片到位后固定所述管片。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述控制器被配置为从所述测量数据识别待铺设的管片。5.一种隧道掘进机，其包括管片拼装机和根据权利要求1至4中任一项所述的设备。6.一种用于通过隧道掘进机自动拾取和铺设管片以形成隧道衬砌的方法，所述隧道掘进机设置有管片拼装机和自动系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·穆栋，N·德米恩克，
申请(专利权)人：布伊古公共工程公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR