本发明属于盾构机刀具更换，尤其涉及一种盾构机辅助换刀机器人及换刀方法。
背景技术：
1、随着对地下空间开发与利用进程的加快，盾构法以其对周围环境影响小、施工效率高、绿色环保等优点在中国重大隧道工程建设中得到越来越广泛的运用。
2、在盾构机施工过程中会面临复杂多变的地质条件，盾构机的刀盘刀具需适应地层特性，盾构机在推进过程中会产生刀具磨损，需要经常对其进行检查和更换，目前盾构机刀具更换技术有两种：一是传统带压换刀，二是常压换刀，其中，带压换刀是指作业人员进入压力人闸，人闸内加压后进入泥水舱进行换刀，换刀结束后再由泥水舱进入压力人闸，人闸逐步减压后作业人员返回出舱，带压换刀时采用压缩空气，对施工人员健康不利，并且作业时间受限，效率不高，常压换刀是指作业人员在常压环境下利用换刀工具进行检查和更换。相比于带压换刀，常压换刀省去了加压进舱、减压出舱等工序，提高了换刀效率。
3、但是不管是带压换刀还是常压换刀都需要工人进入到盾构机的土仓空间进行换刀作业，土仓空间狭小，而无论是单把单刃滚刀还是双刃滚刀都具有很大重量，这给工人们带来了极大的工作负担，使得盾构机的换刀效率极低，每把滚刀的更换（从拆除到安装）在正常情况下需要3~4个小时，对于一些直径较大的刀盘，需要安装50~60把滚刀，几乎使得刀具更换的总时间占整个施工周期的30%以上。不仅更换效率低，而且操作难度大、危险系数高，与安全、高效、智能化的隧道施工要求极不匹配。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种盾构机辅助换刀机器人及换刀方法，能够解决盾构机换刀难度大、危险系数高的问题。
2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下所示：
3、第一方面，本申请提供一种盾构机辅助换刀机器人，包括机械臂、刀筒、辅助起吊装置、动作执行组件和控制器；所述控制器与机械臂、辅助起吊装置和动作执行组件均相连；所述动作执行组件用于带动机械臂沿上、下、左、右方向移动，所述机械臂包括俯仰臂和偏航臂，所述俯仰臂与动作执行组件铰接，所述俯仰臂的另一端与偏航臂铰接，所述偏航臂远离俯仰臂的一端通过末端执行器与刀筒连接，所述刀筒上安装滚刀；
4、所述辅助起吊装置包括横向导轨，所述横向导轨上滑移连接有卷扬机，所述卷扬机的钢丝绳一端通过套环套接在刀筒上，所述横向导轨上设置有伸缩臂，所述伸缩臂用于驱动横向导轨沿水平方向伸缩，所述横向导轨上设置有激光扫描仪，所述激光扫描仪用于获取刀筒位置及刀盘上的刀孔位置信息，控制器通过激光扫描仪反馈的信息对刀筒移动路径进行规划。
5、可选地，所述动作执行组件包括滑动平台、固定导轨和移动导轨，固定导轨上滑移连接有移动导轨，滑动平台的两端均布置移动导轨，所述移动导轨上设有用于驱动移动导轨沿固定导轨滑移的第三驱动件，所述滑动平台上滑移连接有基座滑台，所述俯仰臂与基座滑台铰接。
6、可选地，所述滑动平台包括基座、定位滑杆和传动丝杠，所述定位滑杆两端分别连接一个基座，两端的基座分别与对应侧的移动导轨相连，所述传动丝杠的两端转动连接在两侧的基座上，基座滑台与传动丝杠螺纹连接并滑移连接在定位滑杆上，传动丝杠通过第四驱动件驱动转动。
7、可选地，基座通过第五驱动件驱动滑移连接在移动导轨上。
8、可选地，所述偏航臂通过螺旋摆动第一液压马达与与俯仰臂相连。
9、可选地，所述末端执行器上设置有陀螺仪和加速度计。
10、可选地，所述偏航臂上设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器与控制器信号连接，所述传感器通过扭矩传感器传递的信号对辅助起吊装置进行控制。
11、可选地，所述末端执行器与偏航臂通过滚转运动副相连。
12、可选地，所述固定导轨竖直设置在盾构机工作空间仓壁上，所述伸缩臂水平设置在盾构机工作空间仓内壁上。
13、第二方面，本申请还提供了一种基于第一方面所述的盾构机辅助换刀机器人的换刀方法，包括如下步骤：
14、需要进行换到时，将钢丝绳一端卷绕在卷扬机的收卷辊上，另一端连接上套环并将套筒套接在刀具外侧壁上；
15、利用激光扫描仪对周围环境进行扫描，获取刀筒位置及刀盘上刀孔的位置信息，将信息反馈至控制器，控制器对刀筒移动路线进行规划；
16、根据规划路线控制器控制动作执行组件带动刀筒上下、左右移动；然后控制器控制偏航臂和俯仰臂转动，修正俯仰偏角和偏航偏角；过程中，控制器控制辅助起吊装置上卷扬机做同步移动，至滚刀连接至刀盘上的刀孔中，换刀操作。
17、与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果：
18、本发明的盾构机辅助换刀机器人，利用激光扫描仪，能够在较短的时间内定位存在一定距离的刀孔精准的坐标信息；通过本发明中各结构的设计, 满足机械臂到达刀盘半径内的各刀筒位置；通过辅助起吊装置配合，让卷扬机及伸缩臂承受搬运刀筒时的大重量，减少机械臂的负载，以便更精确的定位和调整刀筒的位姿；采用陀螺仪和加速度计相互配合，组成惯性导航系统，实时的精确的推算出刀筒的坐标信息；从而实现了盾构狭窄空间的机器换刀作业，提高了换刀效率和盾构整体施工效率,保障了盾构施工的安全性。
1.一种盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，包括机械臂、刀筒、辅助起吊装置、动作执行组件和控制器；所述控制器与机械臂、辅助起吊装置和动作执行组件均相连；所述动作执行组件用于带动机械臂沿上、下、左、右方向移动，所述机械臂包括俯仰臂和偏航臂，所述俯仰臂与动作执行组件铰接，所述俯仰臂的另一端与偏航臂铰接，所述偏航臂远离俯仰臂的一端通过末端执行器与刀筒连接，所述刀筒上安装滚刀；
2.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述动作执行组件包括滑动平台、固定导轨和移动导轨，固定导轨上滑移连接有移动导轨，滑动平台的两端均布置移动导轨，所述移动导轨上设有用于驱动移动导轨沿固定导轨滑移的第三驱动件，所述滑动平台上滑移连接有基座滑台，所述俯仰臂与基座滑台铰接。
3.根据权利要求2所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述滑动平台包括基座、定位滑杆和传动丝杠，所述定位滑杆两端分别连接一个基座，两端的基座分别与对应侧的移动导轨相连，所述传动丝杠的两端转动连接在两侧的基座上，基座滑台与传动丝杠螺纹连接并滑移连接在定位滑杆上，传动丝杠通过第四驱动件驱动转动。
4.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，基座通过第五驱动件驱动滑移连接在移动导轨上。
5.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述偏航臂通过螺旋摆动第一液压马达与与俯仰臂相连。
6.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述末端执行器上设置有陀螺仪和加速度计。
7.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述偏航臂和俯仰臂上均设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器与控制器信号连接，所述控制器通过扭矩传感器传递的信号对辅助起吊装置进行控制。
8.根据权利要求1所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述末端执行器与偏航臂通过滚转运动副相连。
9.根据权利要求2所述的盾构机辅助换刀机器人，其特征在于，所述固定导轨竖直设置在盾构机工作空间仓壁上，所述伸缩臂水平设置在盾构机工作空间仓内壁上。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的盾构机辅助换刀机器人的换刀方法，其特征在于，包括如下步骤：
