7月22日，在厦金大桥（厦门段）环岛路隧道施工现场“厦金号”盾构机上，中铁十四局智能换刀机器人研发团队负责人、大盾构与地下空间科技发展研究院副院长刘四进紧盯监控屏幕。密闭的换刀舱内，大直径盾构智能换刀机器人正在进行调试。今年以来，刘四进已数次奔赴项目一线，持续奔波的背后，是技术创新结出的累累硕果。
一个月前
由中铁十四局研发的
大直径盾构智能换刀机器人
在该现场发布并投用
这是我国首台
重载智能盾构换刀机器人
标志着大直径盾构隧道迈入
“无人换刀”新阶段
这项硬核装备的落地
离不开南京力量支撑——
中铁十四局落户南京江北新区的大盾构公司、大盾构与地下空间科技发展研究院，为设备研发攻关提供了核心技术支撑，持续擦亮南京“智”造金字招牌。
将工人从地下“解放”出来
盾构机，是穿山越海的大国重器。刀头，排布于盾构刀盘最前方，犹如牙齿切削岩土，并随着掘进不断磨损。高效安全换刀，是盾构机保持战斗力的关键。
长期以来，盾构换刀依赖人工带压进舱作业。传统方式需3名作业人员，耗时4小时以上，单次进舱费用需要数万元，往往还需要反复加压减压、多次进舱才能完成。此外，舱内空间狭小、环境恶劣，作业人员不仅行动受限，还时刻面临掌子面失稳、涌水涌砂、有害气体及减压病等多重风险。随着我国隧道工程向更深地层、更长距离、更复杂地层延伸，人工换刀的风险和成本被成倍放大。
如何将工人从危险的地下“解放”出来？
中铁十四局给出了答案——
研发一套
能够替代人工
适应复杂地层的
智能换刀机器人
2021年，中铁十四局大盾构与地下空间科技发展研究院在南京江北新区揭牌入驻。作为大盾构前沿技术研究和原创技术策源的重要平台，研究院在该项目中承担技术研发等关键工作。
刘四进回忆，“换刀机器人”的第一次研讨会，气氛有些沉闷，“国内外没有成熟产品可以参考，资料也少得可怜。说白了，大家都是摸着石头过河。”后来，团队先后奔赴中国科学院、清华大学、大连理工大学等机器人与装备领域优势高校，密集组织专题研讨。最终，将研发方向定为重载机器人带压换刀。
在受限空间内灵活抓取拆装
方向定了
真正的技术攻坚战
才刚刚开始
刘四进告诉记者，要研发重载智能盾构换刀机器人，最大的技术难点，是让机器人在刀盘后方狭窄、昏暗、潮湿的环境中，实现长距离、大负载和高精度换刀。以超大直径盾构机为例，机器人需要在受限空间内跨越较长距离，末端还要稳定抓取和拆装重型滚刀，机械臂既要有足够的伸展范围和承载能力，又要足够灵活，避免与刀盘结构、舱内管线及其他设备发生干涉。
为了闪转腾挪，研发团队打造了十一自由度混联机械臂，有11个独立可控关节，通过灵活伸缩的构型以及多源避障传感器，可以覆盖10米至18米级盾构机的刀盘作业区域。
机器人有了灵活的“手臂”之后，随之而来的问题便是重量。盾构刀具由合金构成，许多滚刀超过200公斤。于是，团队决定继续改良，将其升级为多级伸缩重载机械臂，解决大悬臂作业稳定性难题，同时将设备负载能力提升至500公斤，可轻松抓取重型滚刀，精准完成更换。
回望一路走来的历程，刘四进说，研发过程中遇到的磕磕绊绊太多，像“螺栓对位”时，没有能伸进机械臂末端那个巴掌大空间的扳手，团队就立刻造一个；发现刀座螺杆受弯极易疲劳断裂，团队连夜分析，增设反斜面抵消附加弯矩；机械臂的“关节”摆动缸出现泄漏，团队通过密封道数优化、密封型式比选、装配工艺精进三管齐下，终于解决密封问题。
为机器人装上“眼睛”和“大脑”
核心技术全部打通，但从实验室走向应用，才是真正的“大考”。
在厦金大桥（厦门段）环岛路隧道，团队为“厦金号”盾构机安装这台机器人。随着机械结构装配完成，机器人有了“骨架”和“四肢”，但在研发团队看来，这还远远不够。“光有一副好身板不行。”刘四进说，“它得在舱里看得见、认得准、自己会琢磨先拆哪把刀。”
一般来说，舱内昏暗泥泞、泥浆飞溅，以前工人进舱换刀，靠的是眼睛和经验，可机器人作业，常规摄像头根本看不清。为了让机器人“长出眼睛”，团队选取3D红外机器视觉定位技术，即使在昏暗潮湿的舱内，也能快速扫描识别每把刀具的精确位置与磨损状态，定位精度控制在1毫米以内。
有了“眼睛”
还得有“大脑”
团队搭建起一套数字孪生智慧管控系统，可实时监控、轨迹预演、碰撞预警、历史回放、故障溯源。系统实时接收数据，自动规划最优换刀顺序和机械臂运动路径，实现换刀作业事前仿真、事中干预、事后溯源的全流程智慧管控。
据悉，该机器人整机软硬件实现100%国产化，拥有完全自主知识产权，更换单把滚刀时间为25至40分钟，效率提升50%以上，全过程舱内无需人员进入，实现了无人化作业，提高盾构施工安全性和作业效率。
刘四进表示，这款换刀机器人主要应用于大直径、超大直径盾构隧道施工中的刀具检查和更换，尤其适用于高水压、长距离和复杂地质条件下的盾构工程。下一步，团队将继续推进机器人轻量化、小型化，提升对不同直径盾构机的适应能力，并完善刀具磨损监测、自主换刀决策、路径规划和数字孪生管控功能，逐步实现从“自动执行”向“自主判断、自主换刀”升级。
内容来源：南京日报/紫金山新闻记者 肖凡 唐三琦 通讯员 李桂香 李聪警、中国铁建
编辑：尹淑琼 陈岑
校对：杨静仪
责编：方昊
