劉在政， 秦念穩(wěn)， 鄒今檢， 李建華

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

目前國內(nèi)大力開展鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)規(guī)劃，到2020年全國鐵路運(yùn)營里程將達(dá)到15萬km，其中的重點是擴(kuò)大中西部路網(wǎng)規(guī)模[1]。中西部地區(qū)的隧道建設(shè)里程占比較大，其他如公路隧道、礦山巷道等修建規(guī)模亦十分可觀。結(jié)合《中國制造2025》[2]戰(zhàn)略以及隧道智能建造趨勢，隨著隧道及地下工程施工機(jī)械化與智能化的要求不斷提高，設(shè)備智能化開發(fā)的必要性和緊迫性不容忽視。可以預(yù)見，智能化隧道施工裝備在未來的國內(nèi)市場大有可為。

在混凝土噴射領(lǐng)域，噴射工藝經(jīng)歷了從干噴到濕噴、人工噴射到遙控機(jī)械手噴射的發(fā)展歷程，基本實現(xiàn)了機(jī)械化施工。目前的施工方式自動化程度不高，噴射厚度的控制主要采用人工觀察、事后檢測等傳統(tǒng)手段[3-4]，操作繁瑣，無法精確數(shù)據(jù)化。國外主要廠家(如瑞典Aliva,瑞士Meyco,芬蘭Normet)及國內(nèi)廠家現(xiàn)有的濕噴機(jī)功能配置比較完善，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制方式為手動控制，主要通過操作有線或無線遙控器來操控臂架實現(xiàn)噴射功能，自動化程度不高[5-7]。這種操作方式對操作工人的技能水平要求較高，噴射質(zhì)量參差不齊，噴射質(zhì)量無法完全保證。國內(nèi)一些關(guān)于自動噴射控制技術(shù)的研究主要是針對規(guī)則的墻體，編制PLC程序讓機(jī)械手遵循程序做固定的重復(fù)動作[8-9]，無法動態(tài)調(diào)節(jié)，忽略了待噴面的實際超欠挖情況，且不同的輪廓需要針對性地編制程序，實際應(yīng)用價值不大。隨著混凝土噴射技術(shù)的不斷發(fā)展，人們越來越追求高效率、高質(zhì)量和低勞動強(qiáng)度的噴射作業(yè)，因此，具有高智能化、自動化及人性化的混凝土智能噴射機(jī)械手是目前噴射施工的一個重點發(fā)展方向。本文基于中國鐵建重工集團(tuán)HPSZ2006型智能濕噴機(jī)，通過將機(jī)器人學(xué)、三維環(huán)境識別、測量學(xué)、運(yùn)動控制等多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到噴射機(jī)械手上，研發(fā)了噴射機(jī)械手智能控制系統(tǒng)。通過智能化控制使噴射機(jī)械手可以自適應(yīng)不同尺寸的隧道輪廓，精確檢測待噴面的超欠挖情況，合理規(guī)劃噴射路徑，自動噴射混凝土，研究結(jié)果可為類似智能化控制系統(tǒng)的研究提供參考。

1 智能噴射控制系統(tǒng)組成

智能噴射控制系統(tǒng)由臺車定位系統(tǒng)、環(huán)境識別系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)以及運(yùn)動控制系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)各司其職、分工協(xié)作，共同實現(xiàn)了濕噴機(jī)在隧道中姿態(tài)與位置的定位、隧道復(fù)雜環(huán)境三維掃描、噴射機(jī)械手路徑規(guī)劃與運(yùn)動控制等功能，最終實現(xiàn)混凝土噴射的智能化。智能噴射控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能噴射控制系統(tǒng)組成

1.1 臺車定位系統(tǒng)

要實現(xiàn)智能化噴射作業(yè)，需要將濕噴機(jī)與所施工的隧道環(huán)境放到同一坐標(biāo)系下。隧道由隧道設(shè)計線與設(shè)計輪廓線表示，包含了隧道在大地坐標(biāo)系{A}下的地理信息。濕噴機(jī)自身設(shè)有基坐標(biāo)系{B}，噴射機(jī)械手在空間中的位置與姿態(tài)以基坐標(biāo)系{B}作為參考坐標(biāo)系。定位的目的就是讓大地坐標(biāo)系{A}與濕噴機(jī)的基坐標(biāo)系{B}產(chǎn)生關(guān)系，這個關(guān)系可以用2個坐標(biāo)系的變換矩陣ATB表示。坐標(biāo)系{B}經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)和位移可以變換為坐標(biāo)系{A}，即坐標(biāo)系{B}中的點BP可以轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系{A}中的點AP，反之亦然。

AP=ATB·BP。

(1)

為得到變換矩陣ATB，采用全站儀作為測量工具。全站儀定位示意如圖2所示。在濕噴機(jī)上設(shè)置2個固定點P1和P2，其在濕噴機(jī)基坐標(biāo)系{B}中的坐標(biāo)BP1(X1，Y1，Z1)與BP2(X2，Y2，Z2)已知。另外，濕噴機(jī)裝有測量車身姿態(tài)的雙軸傾斜儀，可測量前向傾斜角度β′與橫向傾斜角度α′，分別反映了基坐標(biāo)系{B}相對于大地水平面繞Y軸與X軸的旋轉(zhuǎn)情況。全站儀首先使用隧道內(nèi)2個大地坐標(biāo)系已知點采用后方交會的方式設(shè)站。設(shè)站完成后，全站儀測量得到的坐標(biāo)為在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，所以可使用全站儀測量車身固定點P1與P2在大地坐標(biāo)系{A}下的坐標(biāo)AP1(X1，Y1，Z1)與AP1(X2，Y2，Z2)。由以上條件即可求得ATB，完成定位。

ATB=f(BP1，BP2，AP1，AP1，α′，β′) 。

(2)

定位完成后，濕噴機(jī)的機(jī)械手在空間中的位置與姿態(tài)可轉(zhuǎn)化到隧道大地坐標(biāo)系中表示。則隧道設(shè)計線、設(shè)計輪廓線以及隧道實際輪廓線都與機(jī)械手在同一坐標(biāo)系下表示。

圖2 全站儀定位示意圖

1.2 環(huán)境識別系統(tǒng)

要實現(xiàn)智能化噴射作業(yè)，濕噴機(jī)需要知道所施工隧道待噴面各處的詳細(xì)位置信息。首先，采用三維激光掃描儀作為環(huán)境感知器完成對待噴面的三維掃描(如圖3所示)，獲取待噴面在濕噴機(jī)基坐標(biāo)系{B}下的點云數(shù)據(jù)；然后，通過定位結(jié)果轉(zhuǎn)到大地坐標(biāo)系{A}下，建立待噴面數(shù)學(xué)模型，作為規(guī)劃噴射機(jī)械手運(yùn)動路徑的空間信息；最后，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，得到隧道待噴面的實際輪廓線。通過對比待噴面實際輪廓線與設(shè)計輪廓線(如圖4所示)，獲取待噴面各處準(zhǔn)確詳細(xì)的超欠挖數(shù)據(jù)，由此計算各處需要噴射的混凝土方量，用以調(diào)節(jié)泵送流量與噴頭移動速度，控制噴射厚度。

圖3 待噴面三維掃描模型

圖4 隧道實際輪廓線與設(shè)計輪廓線對比示意圖

Fig. 4 Comparison sketch between actual outline and designed outline of tunnel

1.3 路徑規(guī)劃系統(tǒng)

路徑規(guī)劃針對的是噴射機(jī)械手，準(zhǔn)確計算噴射機(jī)械手自身在空間中的位置與姿態(tài)是路徑規(guī)劃的前提條件，所以需要建立噴射機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型。本文的研究對象HPSZ2006型濕噴機(jī)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖5所示，其是由3個臂與噴頭組成的9個自由度機(jī)械手。9個自由度分別為：臂架水平回轉(zhuǎn)、臂架垂直回轉(zhuǎn)、一臂俯仰、二臂俯仰、三臂水平回轉(zhuǎn)、三臂垂直回轉(zhuǎn)、三臂伸縮、噴頭水平回轉(zhuǎn)、噴頭垂直回轉(zhuǎn)。

利用D-H方法建立機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，建立機(jī)械手9個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，如圖6所示。各坐標(biāo)系D-H參數(shù)見表1。數(shù)學(xué)模型建立的具體步驟為：

1)帶入機(jī)械手設(shè)計參數(shù)，建立理想模型；

2)完成實際裝配機(jī)械手的參數(shù)標(biāo)定，得到誤差補(bǔ)償模型；

3)測定機(jī)械手撓度，得到最終可實際應(yīng)用的撓度補(bǔ)償模型。

機(jī)械手的加工與裝配誤差在標(biāo)定模型參數(shù)時需要測量準(zhǔn)確，各種姿態(tài)要試驗充分。另外，機(jī)械手撓度也是一項不容忽視的重要參數(shù)。

圖5 HPSZ2006型噴射機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 HPSZ2006型噴射機(jī)械手理想模型

坐標(biāo)系 αi-1ai-1θidi關(guān)節(jié)變量初始值范圍10°0θ10θ10°[+180°,-90°]2-90°0θ2d2θ2-90°[-180°,+180°]390°0θ30θ30°[0°, 45°]40°a3θ40θ490°[0°,-90°]590°a4θ5d5θ50°[-45°, 45°]6-90°a5θ6d6θ6-90°[-180°,+180°]7-90°a60°d7d70 m[0,1.3 m]80°0θ80θ80°[-180°,+180°]9-90°0θ90θ90°[-180°,+180°]

注：αi-1表示2個相鄰z軸之間的角度，也稱關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)；ai-1表示每一條2個相鄰z軸的公垂線的長度，也稱關(guān)節(jié)偏移；θi表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)角；di表示在z軸上2條相鄰公垂線之間的距離。

有了精確的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械手在空間中的位置與姿態(tài)可通過正運(yùn)動學(xué)精確計算。逆運(yùn)動學(xué)采用雅克比矩陣的思路，通過迭代算法求解機(jī)械手噴頭目標(biāo)位置與姿態(tài)的關(guān)節(jié)值，帶入正運(yùn)動學(xué)進(jìn)行位置與姿態(tài)糾偏，再通過二次迭代求解，得到修正的目標(biāo)關(guān)節(jié)值。

噴射機(jī)械手的路徑規(guī)劃其實就是規(guī)劃機(jī)械手噴頭噴射時在隧道空間中的位置與姿態(tài)，即構(gòu)建目標(biāo)位姿。目標(biāo)位姿的構(gòu)建應(yīng)由噴射工藝、隧道空間環(huán)境、混凝土噴射特性等因素決定。

1.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)

智能噴射控制系統(tǒng)模塊如圖7所示。臺車定位系統(tǒng)、環(huán)境識別系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)處在第2層，運(yùn)動控制系統(tǒng)處在第1層，主要對象是PLC與電液比例閥組。

圖7 智能噴射控制系統(tǒng)模塊圖

要使各關(guān)節(jié)動作平穩(wěn)、可靠且控制精確，需要進(jìn)行液壓系統(tǒng)特性測試分析，包括液壓流量特性測試與位置反饋時延特性測試。建立的速度與位置閉環(huán)如圖8所示。本系統(tǒng)主要采用了比例微分PI控制，通過控制油缸行程L(t)間接控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度θ(t)。

圖8 閉環(huán)運(yùn)動控制

2 路徑規(guī)劃引入因素分析

2.1 路徑規(guī)劃

噴頭目標(biāo)位姿的構(gòu)建由噴射工藝、隧道空間情況與噴射特性等因素決定，也就是在機(jī)械手工作范圍內(nèi)，為完成預(yù)定目標(biāo)而在眾多可選路徑中選擇1條安全無碰撞的有一定約束條件的最優(yōu)運(yùn)動路徑。高度非線性和強(qiáng)耦合性是機(jī)械手路徑規(guī)劃最典型的特征[10]。

參照人工噴射經(jīng)驗可知，噴射順序總體上設(shè)計為從兩側(cè)邊墻底部開始，至拱頂中心線閉合，呈弓字形的噴射路徑，如圖9所示。若要噴頭在空間中形成這種弓字形路徑，可使機(jī)械手三臂與地面及邊墻保持平行[4]，利用三臂來回伸縮方式實現(xiàn)，這是構(gòu)建噴頭位姿的一個約束條件。而弓字形路徑上每一條三臂來回伸縮線路的起點被稱為噴頭駐足點，因為在這個點上機(jī)械手除了三臂伸縮之外關(guān)節(jié)都保持不變。噴頭駐足點如圖10所示。由此可以看出，機(jī)械手路徑規(guī)劃從噴頭末端位姿的構(gòu)建進(jìn)一步體現(xiàn)在了噴頭駐足點的規(guī)劃上。

圖9 弓字型噴射路徑

黑圓點表示噴頭駐足點；黑色短線表示噴嘴朝向。

圖10駐足點示意

Fig. 10 Stop points

2.2 規(guī)劃駐足點因素分析

影響混凝土噴射質(zhì)量的主要因素有：噴射距離、噴射角度、噴射順序、噴頭移動路線等[4]。

1)噴射距離，即指噴嘴到受噴面的距離。噴射距離太小，混凝土噴射到巖層面的反作用力增大，加上噴射風(fēng)壓，會使回彈率增加，造成噴射質(zhì)量下降，施工成本增加；而噴射距離太大同樣會造成回彈率增加。工程上噴射距離一般為0.8～1.2 m,最大不宜超過1.5 m[11]。噴射距離與混凝土的特性相關(guān)聯(lián)，為了確定最佳的噴射距離，對于不同的攪拌站或同一攪拌站不同材料批次，應(yīng)提前做試驗測試混凝土料的坍落度及和易性。

2)噴射角度?；炷羾娚渥鳂I(yè)中噴頭與受噴面垂直時噴射質(zhì)量最好。非垂直噴射易形成波浪紋，回彈率增加，黏附性降低。隧道的設(shè)計輪廓線一般由圓弧段與直線段構(gòu)成，爆破后隧道實際輪廓線各處超欠挖情況不同。由激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊擬合待噴面，擬合結(jié)果用來調(diào)整噴頭角度以使噴頭始終與受噴面保持垂直或大致垂直狀態(tài)。

3)噴射順序。從兩側(cè)邊墻底部開始噴射，至拱頂中心線閉合，一層一層往上堆疊，使得混凝土不易掉落。規(guī)劃噴頭駐足點也應(yīng)按照此順序進(jìn)行。

4)噴頭移動路線。HPSZ2006型濕噴機(jī)機(jī)械手噴頭帶有刷動機(jī)構(gòu)，可使噴頭繞著噴頭靜態(tài)時軸線做正向或反向的圓周運(yùn)動。噴射時，結(jié)合機(jī)械手三臂往返伸縮實現(xiàn)螺旋式噴射，擴(kuò)大噴射覆蓋范圍，可以有效提高噴射質(zhì)量與噴射效率。

混凝土從噴嘴噴射出去后在受噴面的分布呈錐體形狀，混凝土錐體邊緣與噴頭軸線形成一定角度，稱為噴射發(fā)散角。噴射發(fā)散角影響混凝土在受噴面的分布。噴射距離越遠(yuǎn)，混凝土在受噴面的分布范圍越大；反之，混凝土在受噴面的分布范圍越小。因此，上一駐足點噴射范圍與下一駐足點噴射范圍應(yīng)搭接重疊一部分，搭接重疊量由噴射距離決定。不同噴射距離條件下混凝土在受噴面的分布如圖11所示。駐足點搭接示意圖如圖12所示。

圖11 不同噴射距離條件下混凝土在受噴面的分布

黑色點表示噴頭駐足點，由黑色點引出的黑色線條表示噴頭的噴射覆蓋范圍，兩相鄰黑色線條之間的區(qū)域即為噴射重疊區(qū)。

圖12駐足點搭接示意圖

Fig. 12 Overlapping region between stop points

綜上分析，駐足點由噴射距離c、噴射角度γ、噴射順序、噴射重疊量δ以及隧道爆破后的實際輪廓線決定。

2.3 駐足點的計算

駐足點的位置采用濕噴機(jī)基坐標(biāo)系表示，向前為X軸，向左為Y軸，向上為Z軸。通過試驗獲取施工混凝土料的最佳噴射距離c(如圖11所示)，計算混凝土在受噴面的分布半徑b。

b=f(c)。

(3)

1)計算駐足點Z坐標(biāo)。隧道兩側(cè)邊墻底部的第1個駐足點離地高度h由噴頭與隧道底板保持的安全距離確定。隧道底板的坐標(biāo)由三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)獲取。

Z1=f(Pn(Z)，h)。

(4)

Zn=f(Zn-1，b，γ，δ)。

(5)

2)計算駐足點Y坐標(biāo)。因隧道實際輪廓各部分的坐標(biāo)已通過三維激光掃描儀獲取，所以由噴射距離c可確定駐足點的橫向坐標(biāo)Y。

Yn=f(Pn(Y)，c×cosγ)。

(6)

3)計算駐足點X坐標(biāo)。駐足點的X坐標(biāo)由起始噴射里程直接指定。

由此可得噴頭駐足點的空間坐標(biāo)Pn(Xn，Yn，Zn)，完成噴頭目標(biāo)位姿中的位置構(gòu)建。在噴頭駐足點目標(biāo)位姿構(gòu)建完成后，帶入機(jī)械手逆運(yùn)動學(xué)算法求解出機(jī)械手在各駐足點處9個關(guān)節(jié)的目標(biāo)值。機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動至目標(biāo)位置，三臂開始往復(fù)伸縮控制噴頭前后移動噴射待噴面，并根據(jù)待噴面需要的噴射方量調(diào)節(jié)伸縮速度、泵送流量和伸縮次數(shù)。

整體噴射完成后，再由激光掃描儀掃描受噴面，檢測噴射厚度，對不達(dá)標(biāo)的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)噴，重復(fù)掃描、補(bǔ)噴直至合格。

2.4 機(jī)械手在駐足點之間的運(yùn)動優(yōu)化

路徑規(guī)劃傳統(tǒng)算法(包括拓?fù)浞?、格柵法、可視圖法、人工勢場法)因環(huán)境的復(fù)雜性不能滿足噴射機(jī)械手的需求，可以從智能方法(包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、蟻群算法、模糊邏輯法、遺傳算法)中選取滿足噴射機(jī)械手在隧道復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用的算法。2.2節(jié)規(guī)劃了噴射機(jī)械手噴頭完成自動噴射需在空間中駐留的若干駐足點。噴射機(jī)械手完成噴射任務(wù)是從機(jī)械手初始位置出發(fā)，按順序逐一運(yùn)動至規(guī)劃的駐足點完成噴射，再回到初始位置。噴射過程中未出現(xiàn)漏噴、少噴、多噴的現(xiàn)象，安全無碰撞，路徑相對最短。其規(guī)劃是全局路徑規(guī)劃，需要選取一種全局最優(yōu)的算法，同時適應(yīng)機(jī)械手的高度非線性和強(qiáng)耦合性。

遺傳算法最早在20世紀(jì)60年代由美國Michigan大學(xué)的Holland教授提出，由Dejong、Goldberg等人通過歸納總結(jié)形成，是一種類模擬進(jìn)化算法，它有以下特點：

1)基本思想簡單，搜索面積大，適合全局尋優(yōu)；

2)對于復(fù)雜和非線性問題具有良好的適應(yīng)性；

3)具有很強(qiáng)的容錯能力與潛在的并行性。

遺傳算法的這些特點對于在復(fù)雜隧道環(huán)境中尋求全局最優(yōu)的路徑規(guī)劃來說非常適合[12]。因此，根據(jù)各算法的優(yōu)缺點以及噴射機(jī)械手在復(fù)雜隧道環(huán)境中的規(guī)劃要求，本研究選用遺傳算法作為求解全局最優(yōu)路徑的工具。

3 結(jié)論與討論

本文通過建立濕噴機(jī)機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，利用全站儀定位濕噴機(jī)位姿，采用三維激光掃描儀獲取待噴面的超欠挖數(shù)據(jù)，提出了一種結(jié)合混凝土噴射特性規(guī)劃噴頭駐足點實現(xiàn)智能噴射的方法。

1)智能化噴射控制系統(tǒng)可實現(xiàn)智能化噴射作業(yè)。噴射施工由濕噴機(jī)自主完成，可減少現(xiàn)場作業(yè)人員的數(shù)量與作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度；噴射質(zhì)量不再依賴施工人員的技術(shù)水平，由智能噴射控制系統(tǒng)自主保證。

2)與傳統(tǒng)噴射技術(shù)相比，智能噴射技術(shù)可以對待噴隧道進(jìn)行環(huán)境識別，并根據(jù)識別結(jié)果自適應(yīng)地規(guī)劃噴射路徑，在自動噴射過程中根據(jù)不同區(qū)域的超欠挖情況動態(tài)控制噴射參量。

在神東集團(tuán)神木市大柳塔煤礦的工業(yè)性試驗施工中，驗證了智能化噴射系統(tǒng)的可行性，但是在噴射平整度方面需要進(jìn)一步優(yōu)化，消除駐足點方向上呈現(xiàn)出的中間厚、兩邊薄的問題。優(yōu)化此問題需要更精確地計算混凝土噴射后的發(fā)散情況，同時，在泵送系統(tǒng)方面需要開發(fā)出更加精細(xì)穩(wěn)定的泵送流量控制方法，提高泵送流量調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度及泵送連續(xù)性，并消除吸空率。