混泥土噴漿機器人

　　國外從20 世紀60 年代初開始采用機械手噴漿。我國從60 年代中后期起， 有不少單位研制噴漿機械手[ 1， 2 ]。但由于種種原因， 雖經(jīng)過20 多年的努力， 也未形成過關(guān)的產(chǎn)品。存在的主要問題是，結(jié)構(gòu)不合理、自動化水平低和可靠性差， 其主要表現(xiàn)為操作復雜、動作不適應(yīng)地下工程的惡劣環(huán)境。現(xiàn)國內(nèi)采用的噴漿機械手全是進口的， 價格比較高， 且維修和配件供應(yīng)困難。

1噴漿作業(yè)原則及其對噴漿機器人的要求

　　噴漿分為干噴和濕噴。干噴是將干的水泥、砂子、石子和速凝劑粉按一定比例送到轉(zhuǎn)子式攪拌機(俗稱噴漿機) 內(nèi)攪拌， 在攪拌機出料口被高壓風吹到送料管內(nèi)， 送料管出口裝著噴槍(也稱噴嘴) ， 噴槍的入口處設(shè)有環(huán)形噴水器， 能連續(xù)向槍內(nèi)噴水。水與混凝土就在這1 m 左右的運動中混合， 大部分變成混凝土漿�？恐�高壓風賦予的沖擊力， 混凝土撞到受噴面上后， 一部分粘著在受噴面上， 一部分又彈落回來， 回彈量的多少(即回彈率)主要和噴槍與受噴面之間的角度及距離有關(guān)。濕噴是將加水攪拌好的混凝土借助高壓風的力量通過送料管送入噴槍噴射到受噴面上。濕噴的原理有幾種， 有的是靠混凝土泵將漿送至噴槍入口， 有的是靠濕式噴漿機(轉(zhuǎn)子式濕式攪拌機) 和高壓風將漿送至噴槍入口。噴漿的最佳工藝原則是噴槍始終與受噴面保持垂直、噴槍口至受噴面的距離為1 m 左右， 在此工況下， 最有利于減少回彈。國內(nèi)廣泛采用的干噴法存在的三大技術(shù)難題(粉塵、回彈、混凝土品質(zhì)不穩(wěn)定) 長期以來困擾著人們。國內(nèi)外的施工實踐證明， 實現(xiàn)濕噴是解決這三大難題的根本途徑。由于濕噴時整個料管充滿混凝土， 人很難抱得動噴槍， 所以需要機器人和機械手。從發(fā)展趨勢看， 使用噴漿機器人將是大勢所趨。

2機器人的總體設(shè)計

　　機器人本體的設(shè)計原則是機器人應(yīng)盡可能好地滿足噴漿工藝和作業(yè)環(huán)境的要求。

　　PJR- Z 型噴漿機器人(噴射高度可達10 m )是在國家863 計劃項目“噴漿機器人產(chǎn)品樣機”研究成果的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的， 其結(jié)構(gòu)原理見圖1。它由機械手、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作器等組成。該機器人有6 個自由度， 即大臂俯仰、小臂擺動、水平伸縮臂縱向進給、手腕轉(zhuǎn)動、噴槍擺動和噴槍轉(zhuǎn)動。動作原理與結(jié)構(gòu)特點如下：①大臂1 在油缸2 驅(qū)動下做俯仰運動；②小臂3 做水平擺動， 由于小臂采用四連桿機構(gòu)， 故擺動時其末端做平動運動， 從而使得固定于其末端的水平伸縮臂4 與受噴面的相對距離和姿態(tài)不變；③水平伸縮臂4 能在與隧道軸線平行的方向進給， 使得噴槍做水平移動并保持姿態(tài)不變；④手腕5 可完成噴槍沿拱部劃弧， 同時保證噴槍與受噴面垂直；⑤油缸6 可調(diào)整噴槍的姿態(tài)， 從而在遇到大凹坑時， 仍能調(diào)整噴槍與受噴面垂直；⑥借助于噴槍劃圓機構(gòu)7， 可使噴槍沿錐面運動， 從而使噴槍口劃出一個360°的連續(xù)圓。

1. 大臂四連桿2. 大臂油缸3. 小臂四連桿4. 水平伸縮臂
5. 手腕轉(zhuǎn)動機構(gòu)6. 噴槍調(diào)姿油缸7. 噴槍劃圓機構(gòu)8.
噴嘴9. 送料管10. 水平伸縮臂油缸11. 小臂油缸
圖1PJR- Z 噴漿機器人結(jié)構(gòu)原理圖

　　圖1 所示的6 自由度噴漿機器人可根據(jù)現(xiàn)場需要或安裝于汽車上， 或安裝在有軌底盤車上。該機器人既可與濕噴機相配套， 也可與干噴機相配套。依靠這6 個自由度， 可以實現(xiàn)噴槍作業(yè)所需的任何運動軌跡�，F(xiàn)以典型的噴漿作業(yè)過程為例簡述之。底盤車一般不在隧道中央， 因此只能依靠小臂擺動把小臂末端擺至隧道的縱向?qū)ΨQ面上；為減少回彈， 噴漿是由下而上進行的， 故開始時， 小臂末端位于對稱面的最下方， 使得噴槍口至受噴面的距離1 m 左右， 這就做好了作業(yè)準備。噴漿開始后， 噴槍即轉(zhuǎn)動， 噴槍口劃著圓圈， 噴射物在受噴面上劃出一串螺旋線， 形成一條20 cm 寬的噴射帶；機器人水平伸縮臂在水平方向上一邊伸縮， 噴槍一邊劃著圓圈， 當移至設(shè)定距離后， 靠大臂的仰起動作抬高20 cm ， 如此依次往復， 直至噴到邦與拱的交界線處；此后， 小臂末端一直處于拱部圓弧面的中心線上， 依靠槍轉(zhuǎn)動一個設(shè)定的角度和機器人底盤車在隧道的平移， 噴槍口在劃圓的過程中也在拱部受噴面上形成20 cm 寬的噴射帶并與邦的噴射帶緊密相接；噴拱部的過程與邦類似， 依次進行， 直至拱頂。

　　到達拱頂后， 或返回至起始位置進行第二次噴射， 或轉(zhuǎn)至對面的邦底(與前述過程類似) 對另半面進行噴漿。

2. 1機器人液壓系統(tǒng)總體設(shè)計

　　由于液壓驅(qū)動具有功率重量比大、力矩慣量比大、易實現(xiàn)直線驅(qū)動和直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)防爆等優(yōu)點， 因此被廣泛應(yīng)用在慣量大、承載重量大、需要防爆的工作場合所。根據(jù)噴漿的環(huán)境， 并從技術(shù)、經(jīng)濟、體積、適應(yīng)性、防爆性等方面綜合考慮，噴漿機器人選用了液壓驅(qū)動系統(tǒng)[ 3 ]。在設(shè)計噴漿機器人的結(jié)構(gòu)時， 針對噴漿作業(yè)的特點、控制系統(tǒng)及操作過程的要求， 把噴漿機器人的大臂和小臂設(shè)計成一種多重四連桿機構(gòu)。

　　液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動作原理如下：大臂油缸2驅(qū)動大臂四連桿1 實現(xiàn)上下升降運動；小臂油缸11 驅(qū)動小臂四連桿3 在水平面內(nèi)擺動， 用以調(diào)整噴槍口相對壁面的距離；水平伸縮臂油缸10 驅(qū)動水平伸縮臂4 縱向進給；噴槍調(diào)姿油缸6 驅(qū)動噴槍頭8 做±45°的調(diào)姿擺動。由工作參數(shù)作受力分析及求解， 求得系統(tǒng)最高壓力為16M Pa。

　　液壓系統(tǒng)的工作控制方式有全自動方式與主從方式兩種。在全自動方式時， 液壓系統(tǒng)在計算機的控制下， 根據(jù)工作面的幾何尺寸， 按照設(shè)定的程序及噴漿工藝過程， 可自動順序完成各操作動作;在主從方式時， 液壓系統(tǒng)按照操作器發(fā)出的信號，可任意完成各動作的人工操作[ 4 ]。

2. 2機器人電控系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　電控系統(tǒng)設(shè)計的指導思想是盡量采用先進技術(shù)和元器件， 以確保系統(tǒng)惡劣環(huán)境下的高可靠性和操作的簡易性與直觀性；控制系統(tǒng)盡可能模塊化、標準化， 以利于規(guī)范化、系列化生產(chǎn)。PJR - Z型噴漿機器人采用將全自動控制與主從遙控融為一體的控制方案， 且兩種控制方式可以隨意互相平滑地轉(zhuǎn)換， 也能夠根據(jù)用戶要求只保留一種控制方式(為簡化系統(tǒng)) ， 方便地滿足各類用戶的需求。

　　在示教再現(xiàn)的自動軌跡控制方式下， 機器人能按照人事先教給它的運動軌跡和姿態(tài)自動地進行作業(yè)， 無需人工操作。本機器人示教的方式有兩種， 一種是軌跡示教方式， 另一種是特征點示教方式。操作者可根據(jù)隧道斷面情況選擇示教方式。在遙控主從控制方式下， 借助于15～ 20 m 長的電纜， 通過遙控器對機器人進行操作， 遙控器可看作機器人的主手， 機器人的手臂則看作從手， 從手則按照主手發(fā)出的指令， 亦步亦趨地跟隨主手動作，很直觀。特別是通過對軟硬件的精心設(shè)計， 兩種控制可在軌跡的任一點隨意轉(zhuǎn)換， 并能保持運動軌跡的平滑連續(xù)。

　　控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括計算機系統(tǒng)、伺服放大器、電源、操作器、系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境等方面。計算機控制系統(tǒng)采用二級分布式控制， 即由規(guī)劃級(上位機)、CAN 總線和直接控制級(多個下位機) 組成分布式控制系統(tǒng)， 見圖2。

　　規(guī)劃級的任務(wù)是接收示教盒發(fā)出的示教數(shù)據(jù)和控制指令， 接收直接控制級的各種信息， 進行工作環(huán)境的識別， 從而完成運動軌跡的規(guī)劃和生成運動軌跡的控制指令， 指示控制級完成指令規(guī)定的運動。

　　直接控制級是直接面對被控對象的， 噴漿機器人共有6 個自由度， 每個自由度都有自己的相對獨立的控制器。它由控制器、功率放大器、I/O驅(qū)動電路組成。其任務(wù)是接收規(guī)劃級發(fā)來的指令，完成規(guī)劃級規(guī)定的運動控制；接收相關(guān)自由度的傳感器信息并進行預處理， 然后送規(guī)劃級， 以便進行下一輪的運動軌跡規(guī)劃；完成對控制器、伺服放大器等的故障診斷， 并把診斷結(jié)果送規(guī)劃級， 以便做出相應(yīng)處理。

　　控制器是伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 其核心由In tel80c196KC 單片微機系統(tǒng)及CAN 控制器構(gòu)成。為了滿足控制性和可靠性的要求， CAN 控制器與其接口之間采用了隔離措施， 反饋元件選用了高可靠性、高精度和長壽命的旋轉(zhuǎn)變壓器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器XSZ�？刂破鞯目刂屏枯敵霾捎镁�度高的高速輸出HSO 來獲得PWM 輸出， 經(jīng)光電隔離后， 再經(jīng)有源濾波器獲得直流控制電壓送往伺服放大器。

2. 3惡劣環(huán)境下的可靠性設(shè)計

　　可靠性問題是工程化機器人的最關(guān)鍵問題之一， 也是我國機器人產(chǎn)品普遍存在的弱點和難點，惡劣環(huán)境下的機器人可靠性問題則更難[ 5 ]。就整機而言， 最易出問題的是電控系統(tǒng)， 其次是液壓系統(tǒng)。

2. 3. 1電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

為了獲得噴漿機器人的高可靠性， 采用了高可靠的元器件、容錯技術(shù)、三防技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、抗干擾技術(shù)和防爆技術(shù)。

(1) 為了解決控制系統(tǒng)的可靠性問題， 對規(guī)劃級和控制級分別作了冗余配置， 實現(xiàn)了容錯設(shè)計，它們的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3 和圖4。


(2) 為解決電磁兼容性、散熱與冷卻、防潮、防蝕、防霉變和抗振等， 考慮到本機器人的工作環(huán)境與野戰(zhàn)設(shè)備相近， 故完全按軍用計算機加固技術(shù)進行了加固。所以， 該電控系統(tǒng)實為加固計算機控制系統(tǒng)。 (3) 為提高電路本身可靠性， 單片微機與I/O通道均采用了嚴格的隔離措施， 對模擬量和開關(guān)量均實行隔離， 在輸入通道中采用雙線采樣、差動輸入、線性隔離和有源濾波等；對電源， 采用變壓器隔離， 干擾抑制器濾波等。
(4) 防爆方面， 本系統(tǒng)設(shè)計成隔爆兼本安型，并取得了國家級防爆檢驗合格證。

2. 3. 2液壓系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

　　液壓系統(tǒng)中最易出問題的是電液比例閥， 為了提高液壓系統(tǒng)的可靠性， 一是精心設(shè)計， 為了防爆和保護惡劣環(huán)境中的比例閥及各種電磁閥， 對油路采用集成化設(shè)計， 將所有閥集中設(shè)計在同一配流塊的同一面上， 而后將該面設(shè)計為防爆箱的一面， 使所有閥均處于防爆箱內(nèi)， 達到既防爆又防護的雙重效果， 十分經(jīng)濟、合理；二是注重整體質(zhì)量， 對任何一個局部都十分重視， 防止出現(xiàn)某個元件、甚至一個管接頭影響全局的情況。