李曉冉， 丁文其， *

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092；2. 同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092)

0 引言

近年來，隨著大斷面隧道施工技術的發(fā)展，配套施工機械如鑿巖臺車、濕噴機械手、鋼拱架安裝臺車等[1]應用日益廣泛，在斷面挖掘、初期支護以及噴漿等施工階段發(fā)揮著重要作用，如鄭萬高速鐵路湖北段隧道采用多種配套機械設備[2]，體現(xiàn)了隧道建設的機械化和信息化。這類隧道施工機械一般以多自由度機械臂為主體，如初期支護架設中常用的鋼拱架安裝臺車，相關機械臂研發(fā)逐漸深入，國內(nèi)已有兩臂一籃、多功能臺車等[3-4]裝配機械臂出現(xiàn)。

國外的隧道施工機械化程度高，也紛紛推出了具有智能化運動控制的產(chǎn)品。例如： 瑞士學者M. Honegger等[5]利用視覺輔助隧道濕噴混凝土機器人施工，實現(xiàn)自動控制模式; G. Girmscheid等[6]基于激光掃描輪廓開發(fā)濕噴機器人的全自動過程控制，并對噴射混凝土的質(zhì)量控制進行了較為系統(tǒng)的研究。相比之下，國內(nèi)隧道施工中雖然已經(jīng)介入大型機械，但是仍然存在以下問題： 如鋼拱架拼裝機仍然處于半自動化水平，操作方式為半人工方式(還需要人工移動操作桿、人工擰螺栓)[7]；機械設備中沒有融入遠程控制技術，工人工作環(huán)境仍在危險區(qū)域內(nèi)；控制系統(tǒng)目前難以嵌入復雜控制算法，未能獲得具有自適應、自學習、自整定功能的智能控制理想性能。

現(xiàn)有的國內(nèi)研究中，代葆融[8]針對鋼拱架安裝車工業(yè)PLC控制系統(tǒng)，使用模糊控制方法提高精度，但仍然局限于特定PLC產(chǎn)品的上位機軟件環(huán)境，編程語言較為低級; 張守靜[9]研究隧道暗挖施工一體機的控制方法，借助上位機PC，并通過VB串口通訊控件實現(xiàn)了PLC與PC通訊，但僅開發(fā)了一體機挖掘臂干涉判別的功能；王恒升[10]以實現(xiàn)雙三角臂精確定位為目標，基于CAN總線設計了一個相對獨立的鑿巖機器人分布式控制系統(tǒng)； 張奕霏[11]通過開發(fā)Wincc監(jiān)控界面獲得機械臂運動數(shù)據(jù)，并具有進行復雜操作的功能擴展性，但是AMEsim軟件對機械臂運動空間的仿真不夠直觀。綜上可以看出，隧道施工機械控制技術研究與施工對象、施工工序密切相關，目前初期支護階段研究較多的施工機械主要是針對鋼拱架的裝配架設。近年來，波形鋼板結構引起人們對其廣泛用途的重視[12]，其斷面大、強度高。在隧道初期支護階段，連續(xù)拼裝的波紋鋼板外部混凝土填充效果良好，整體結構提供了足夠的強度并且具有一定的變形協(xié)調(diào)性，同時對隧道出現(xiàn)的滲漏水現(xiàn)象可以起到良好的隔絕作用，提高了支護效果[13-16]。另外，波紋鋼板支護結構可預制裝配，具備方便加工和施工快速的優(yōu)勢。

對于隧道施工機械控制的相關研究，大多是基于傳統(tǒng)常見的工法和施工對象，如初期支護中常用的鋼拱架支護結構，并且開發(fā)功能一般限于某種特定需求，如雙挖掘臂的干涉判斷，對于新型波紋鋼初期支護結構型式難以適用，也不具備直觀的運動模擬仿真環(huán)境。本文結合該新型結構型式，采取基于機械臂的計算機集成控制技術，確定機械臂離線編程的二次開發(fā)總體框架，利用RobotStudio的虛擬環(huán)境在機械臂端搭建仿真平臺，同時在計算機端依照二次開發(fā)流程，設計運動控制算法，實現(xiàn)波紋鋼初期支護裝配功能的開發(fā)，驗證該控制方法的可行性。波紋鋼支護結構分段圖示意如圖1所示。隧道波紋鋼初期支護結構如圖2所示。

圖1 波紋鋼支護結構分段圖示意

(a) 波紋鋼施工機械

(b) 裝配式波紋鋼初期支護

1 基于機械臂的計算機集成控制原理

隧道施工環(huán)境中，工業(yè)機器人由多自由度或多關節(jié)機械臂組成，輸入特別的編程指令，依靠控制器來實現(xiàn)規(guī)劃的各種功能，從而自動執(zhí)行工業(yè)施工過程。一般來說，工業(yè)機器人由3大部分6個子系統(tǒng)組成[17]。3大部分是機械部分、傳感部分和控制部分，6個子系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 工業(yè)機器人結構框圖[17]

工業(yè)機器人系統(tǒng)的設備不僅包括機械臂本體，還包括變位器、傳感器系統(tǒng)、工裝夾具以及與之相關聯(lián)的I/O設備、輔助設備等。整個作業(yè)系統(tǒng)高效而有序運行的前提是需要一個高度集成的控制系統(tǒng)，從而把這些外圍設備進行有機地集成。硬件和軟件集成是系統(tǒng)集成的2個部分。硬件集成需要根據(jù)每個設備不同的通訊接口，用相應的通訊協(xié)議通過總線將其集成為一個整體；軟件集成主要功能是實時監(jiān)測執(zhí)行機構以及與之相關聯(lián)外圍設備的運行狀態(tài)，接收并處理現(xiàn)場傳感系統(tǒng)實時反饋的數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個設備之間的資源，按照一定的工作過程控制各個設備的正常運轉(zhuǎn)[18]。

由于常見的工業(yè)機器人系統(tǒng)均具有一定的封閉性，控制器上只允許用戶通過特定的機器人語言進行編程，而沒有提供其他高級語言的編譯器及運行環(huán)境，一般只支持簡單的算數(shù)運算、流程控制、通信、機器人運動等功能，從而將文件操作、多線程等系統(tǒng)調(diào)用進行了屏蔽?；谶@些特點，需要采用計算機集成和其他通信技術[19]，將信息傳送至計算機內(nèi)部進行處理，并通過計算機編程，完成高級算法，實現(xiàn)二次開發(fā)?；贙UKA機械臂的二次開發(fā)架構如圖4所示。

圖4 KUKA機械臂二次開發(fā)架構[20]

研究工業(yè)機械臂的后端控制技術，實現(xiàn)二次開發(fā)的功能，首先，需針對機器人的控制系統(tǒng)并利用相應的機器人編程語言，搭建軟件控制端和硬件設備端通信的平臺； 然后，通過虛擬仿真平臺驗證控制方法的合理性。

2 機械臂離線編程的二次開發(fā)總體框架

工業(yè)機械臂的控制需要做出編程指令，作為常用編程方式之一的離線編程在路徑規(guī)劃方面有著更高效率，同時離線編程軟件一般具備仿真功能，可以通過虛擬仿真來檢驗模擬效果和運動路徑。RobotStudio是瑞典的ABB公司專門用于ABB機械臂產(chǎn)品的離線編程軟件，軟件自帶機器人編程語言為RAPID語言，其優(yōu)勢在于通過虛擬機器人技術，代碼可不經(jīng)轉(zhuǎn)換直接應用于計算機端和機械臂[21]。RobotStudio還是唯一支持微軟Visual Studio的機械臂仿真軟件，高級用戶可以通過二次開發(fā)(使用C#或VB.NET編寫代碼)改變或者提升RobotStudio的性能[22]。本文將選取ABB機器人及RobotStudio離線編程軟件作為研究工具。RobotStudio離線編程常用模塊如圖5所示。

圖5 RobotStudio離線編程常用模塊

編程指令在做出后，只有通過一定通信方式到達機械臂本體才能夠控制其實現(xiàn)運動。在整個工業(yè)機械臂作業(yè)系統(tǒng)中，設備與設備之間、設備與機械臂之間的通信都需要一定的通信機制才能實現(xiàn)。機械臂系統(tǒng)的通信通常分為2級： 第1級通信是計算機與機械臂控制器的通信，通常采用串行通信技術或者網(wǎng)絡通訊技術； 第2級是機械臂控制器與外圍設備的通信，多采用工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術[18]。ABB機械臂豐富的I/O通信機制使得與計算機、周圍設備的通信易于實現(xiàn)。ABB機械臂通信方式如表1所示。

表1中PC SDK是ABB官方提供的以便開發(fā)人員根據(jù)自身需求進行二次開發(fā)的開發(fā)包。對ABB進行二次開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)在計算機上通過網(wǎng)絡遠程操控機械臂，獲取機械臂的位姿、程序、I/O信號等模塊信息。PC SDK支持C#和VB 2種開發(fā)語言，在開發(fā)時需要添加動態(tài)鏈接庫文件，就可以調(diào)用類庫。本文借助PC SDK的通信方式，深入研究ABB機械臂的控制與開發(fā)。在此基礎上，針對隧道中波紋鋼支護結構搬運裝配的實際情況，開發(fā)了波紋鋼搬運裝配離線編程軟件，用于模擬計算機端控制機器人端實現(xiàn)波紋鋼結構的搬運裝配。RobotStudio二次開發(fā)總體框架如圖6所示。

表1 ABB機械臂通信方式

圖6 RobotStudio二次開發(fā)總體框架

Fig. 6 Overall framework of secondary development of RobotStudio

3 波紋鋼支護結構裝配控制的二次開發(fā)流程

3.1 開發(fā)方法

本研究采用計算機端的PC SDK通信方式，在Visual Studio平臺上進行RobotStudio的二次開發(fā)。用于訪問機械臂控制器功能的類共同構成Controller API(application program interface，應用程序接口，簡稱CAPI)。PC SDK通過Controller API提供控制功能，這些接口是對RobotStudio進行二次開發(fā)的基礎，Controller API的結構屬于多層次逐級分布的樹狀網(wǎng)絡結構[23]。CAPI樹狀結構如圖7所示。

圖7 CAPI樹狀結構

3.2 開發(fā)語言及平臺

3.2.1 機器人端

ABB機械臂的RAPID程序指令一般分為2類，即運動指令和程序控制指令[23]。其整體編程風格與面向過程編程的C語言風格相類似。RAPID主要是以模塊為單位進行編程，將完成不同功能的例行程序封裝成不同的模塊，分為編程模塊和系統(tǒng)模塊。RAPID程序模塊如圖8所示。

圖8 RAPID程序模塊[24]

3.2.2 計算機端

與RAPID語言不同，C#是面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O計語言，特別適合桌面和Web應用程序的開發(fā)[25]。開發(fā)平臺Visual Studio包括編譯器、代碼完成工具、圖形設計器和許多其他功能，以簡化軟件開發(fā)過程[26]。本文采用Visual Studio 2019，調(diào)試C#編寫的程序。

3.3 目標點位姿數(shù)據(jù)結構

RobotStudio中機械臂的運動軌跡是由一系列目標點構成的，而目標點數(shù)據(jù)類型為robtarget。定義一個目標點的格式如下：

CONST robtarget p15:=[[600,500,225],[1,0,0,0],

transrot

[1,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]]。

robconfextax

由上可知，位姿數(shù)據(jù)由trans、rot、robconf和extax 4個部分組成。其中： robconf表示機械臂的軸配置(軟件中反解得到)；exta表示機器人的外軸情況； 在機械臂無外軸(以9E9表示)的情況下，目標點位姿就由trans和rot決定； trans即TCP(工具中心點)的x、y、z坐標； rot即機械臂末端姿態(tài)的四元數(shù)表示形式。四元數(shù)由矢量部分和標量部分組成，可表示為

q=q4+q1i+q2j+q3k。

歐拉角到四元數(shù)的轉(zhuǎn)換與歐拉角的轉(zhuǎn)動順序有關。以Z-Y-X的轉(zhuǎn)動順序為例，定義ψ、θ、φ分別為繞Z、Y、X軸的旋轉(zhuǎn)角度，則歐拉角到四元數(shù)的轉(zhuǎn)換可表示為

將上式展開，得到

3.4 C#窗體模塊設計

在計算機端控制機械臂，首先要掃描機械臂控制器，再選擇相應的機械臂進行連接；機械臂搬運波紋鋼路徑由不同的目標點組成，在每一個目標點有不同的動作功能，相應的如抓取、移動、釋放等作業(yè)動作。操作人員根據(jù)實際環(huán)境判斷機械臂運動軌跡，輸入目標點(如起始點等特征點)坐標后才能控制機械臂實現(xiàn)裝配動作。開發(fā)的波紋鋼搬運裝配離線編程軟件包括掃描控制器并連接、目標點設置以及裝配運動控制等3個模塊。窗體總體效果如圖9所示。

3.4.1 掃描控制器并連接模塊

控制機械臂的第1步是添加PC SDK的動態(tài)鏈接庫，即引用ABB.Robotics.Controllers.PC.dll文件，并在建立的winform項目中聲明要使用的功能，如下所示：

using ABB.Robotics.Controllers;

using ABB.Robotics.Controllers.Discovery;

using ABB.Robotics.Controllers.RapidDomain。

圖9 波紋鋼搬運裝配離線編程軟件窗體總體效果

Fig. 9 Overall form of off-line programming software for corrugated steel handling and assembling

掃錨控制器并連接模塊實現(xiàn)功能為運行窗體時，自動掃描現(xiàn)有的機械臂控制器，并將控制器信息記錄在列表中。掃描控制器之后，由用戶選擇要連接的控制器一行，首先要判斷控制器是否可用，如果已經(jīng)被控制，則需先行釋放控制器再登錄。同時，為人機交互更為方便，在窗體中添加信息提示框，用于監(jiān)視程序運行的各個重要節(jié)點，如： 控制器是否已登錄、裝配運動是否啟動等。

3.4.2 目標點設置模塊

該模塊為適應實際波紋鋼搬運動作，將目標點主要分為起始點、拾取點和釋放點3種類型。拾取點為機器人抓取波紋鋼板件時TCP的位置；釋放點為機器人達到波紋鋼板安裝位置時TCP的位置；起始點為初始時機器人停止的安全位置。為了增強程序的拓展性能，在目標點不屬于以上3類時，程序默認其為過渡點。在實際操作時，可以根據(jù)環(huán)境來自由設置，實現(xiàn)避障等優(yōu)化軌跡運動的功能。

3.4.3 裝配運動控制模塊

該模塊包括對已經(jīng)輸入目標點位姿數(shù)據(jù)的整理。用戶輸入目標點數(shù)據(jù)中的姿態(tài)部分(即rot部分，機械臂繞Z、Y、X軸的旋轉(zhuǎn)角度)根據(jù)3.3節(jié)歐拉角到四元數(shù)的轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換為可以發(fā)送給機械臂端的數(shù)據(jù)格式，還可以實現(xiàn)對目標點的上下移動和刪除等操作。裝配運動執(zhí)行的控制也在這一模塊，PC SDK考慮到防止在RAPID程序運行過程中其他用戶對程序進行突然改寫或者調(diào)用，所以同時只允許有1臺遠程用戶向控制器發(fā)送指令或者調(diào)用RAPID程序。遠程應用程序要對RapidDomain中的Tasks、Modules、Routines、Variables等進行改寫操作時需要向控制器申請改寫權限。

3.5 波紋鋼支護結構搬運裝配運動控制算法

3.5.1 運動數(shù)據(jù)的交換

考慮到安全性等問題，PC SDK不支持直接對機械臂的軸運動進行控制，而是通過修改RAPID程序中的變量來間接控制機械臂運動。而機械臂的運動控制直接依靠的還是RAPID語言中的運動指令，如MoveL、MoveJ等。

因此，二次開發(fā)程序中的運動數(shù)據(jù)需交換到RAPID的運動指令中。讀取RAPID程序數(shù)據(jù)，可以選擇Direct Access，即直接進入RAPID程序，獲取想要的數(shù)據(jù)信息。這種方法節(jié)省內(nèi)存而且信息獲取更加迅速[28]。如下示例即為獲取RAPID程序“reg1”變量的代碼：

RapidDatard = aController.Rapid.GetRapidData("T_ROB1", "user", "reg1")。

3.5.2 運動算法流程

將用戶輸入的目標點數(shù)據(jù)交換給對應的 RAPID 程序變量之后，RobotStudio虛擬控制器中要實現(xiàn)機器人的裝配動作。得到用戶交互的數(shù)據(jù)后，如何利用 RAPID 中預編寫的程序啟動機器人裝配也是一個關鍵點。

RAPID程序中設置pPickBase(拾取點基點)、pPlaceBase(釋放點基點)以及pHome(初始點)等可變量，隨著用戶在 C#端輸入完成目標點數(shù)據(jù)，此3點的數(shù)據(jù)也隨之改變。RAPID 程序運行后，首先進入 main程序。其中在初始化子程序(rInitAll)里，根據(jù)pHome初始點數(shù)據(jù)，從當前機械臂TCP 位置回到初始點，以防止直接開始運動導致觸碰事故，同時設置程序完成標志FinishedFlag為False，設置搬運波紋鋼板件的個數(shù)nCount為1。

之后正式進入拾取、釋放運動程序中，為實現(xiàn)搬運裝配程序的可拓展性，并考慮到波紋鋼板的裝配位置具有規(guī)律，本文根據(jù)拾取點或釋放點基點坐標，推出下一塊波紋鋼板的拾取點和釋放點，在每次進入拾取和釋放子程序之前，確定下一次的拾取和釋放點坐標，編寫程序用到RAPID內(nèi)置函數(shù)RelTool，功能為根據(jù)上一點的位置在工具坐標系里實現(xiàn)偏移。RelTool函數(shù)的調(diào)用方法為RelTool(robtarget,x、y、zRx:=αRy:=βRz:=γ)，其中robtarget為待偏移基點坐標，x、y、z以及α、β、γ為工具坐標系下偏移的距離和角度。部分代碼實現(xiàn)如下:

PROC rPosition_Pick() !釋放點位置確定子程序與此類似

TEST nCount !檢驗第幾塊波紋鋼板

CASE1:

pPick:=RelTool(pPickBase,0,0,0Rz:=0);

在2018年AWE上，長虹推出了人工智能智慧家庭解決方案（CHiQ Life），圍繞娛樂、烹飪、空氣、用水等家庭生活場景，借助全空間語音交互等人工智能技術，為用戶帶來更舒適、更便捷、更輕松的美好生活。人工智能語音交互技術為智慧型家電帶來了新的自然交互方式，而在長虹CHiQ Life解決方案中，首次提出了基于全空間語音交互等人工智能技術，實現(xiàn)在家庭全空間與電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機、空氣凈化器、廚電、凈水器、窗簾、安防等智能設備，做到實時交互、實時響應，為用戶提供“隨叫隨到”的舒心服務。

CASE2:

pPick:=RelTool(pPickBase,1 500,0,0Rz:=0);

……

ENDTEST

ENDPROC

在主程序main的循環(huán)結構里，不斷執(zhí)行rPick和rPlace子程序，直到nCount個數(shù)滿足要求，此時將完成標志FinishedFlag置為True，至此程序結束運行。波紋鋼搬運裝配運動控制算法邏輯如圖10所示。

圖10 波紋鋼搬運裝配運動控制算法邏輯

Fig. 10 Motion control algorithm of corrugated steel handling and assembling

4 波紋鋼初期支護結構機械臂裝配仿真試驗

4.1 機械臂虛擬仿真實驗室搭建

本文搭建了RobotStudio中的機械臂虛擬仿真實驗室。通過導入三維模型并在離線編程軟件中建立Smart組件，設置I/O信號，模擬相應傳感器，結合軟件中自帶的機械臂等模型庫，生成工作站，實現(xiàn)C#與機械臂的聯(lián)調(diào)通信。該仿真實驗室包括ABB IRB7600機器人[29]、IRC5控制器及示教器、儲物托盤、真空吸盤、波紋鋼板以及安全維護欄。波紋鋼結構機械臂裝配虛擬仿真實驗室總體布局如圖11所示。其中,波紋鋼板在SolidWorks中完成建模后導入。

1—ABB IRB7600機器人； 2—IRC5控制器 ； 3—示教器 ； 4—真空吸盤； 5—儲物托盤； 6—待拼裝波紋鋼； 7—堆放波紋鋼 ； 8—安全圍護欄。

圖11 波紋鋼結構機械臂裝配虛擬仿真實驗室總體布局

Fig. 11 General layout of virtual simulation laboratory for assembly of corrugated steel structure

4.2 機械臂末端工具及波紋鋼工件坐標系

4.3 配置I/O信號

RobotStudio中I/O信號可以實現(xiàn)機械臂與外圍設備如傳感器的通信，根據(jù)I/O信號的變化，外圍設備可以完成對應的動作。軟件中的Smart組件通過添加I/O信號，可以實現(xiàn)傳感器的功能。Smart組件的動作可以由代碼或其他Smart組件控制執(zhí)行[21]。

4.3.1 真空吸盤Smart組件I/O信號

本文主要對真空吸盤添加I/O信號，需要完成吸附、分離、感知等功能。建立真空吸盤Smart組件(SC_Gripper)。真空吸盤Smart組件信號連接如圖12所示。其工作流程為： 1)輸入信號(diGripper)置1，啟動線性傳感器(LineSensor)，可感應真空吸盤是否運動到拾取點附近； 2)當真空吸盤移動到波紋鋼板附近，激活吸附功能(Attacher)，該功能使真空吸盤和感應到的波紋鋼板成為一體； 3)當真空吸盤抓取到波紋鋼板之后，發(fā)出吸附成功的信號(doVacuumOK)； 4)此時機械臂進入到釋放點的運動過程中，當移動到釋放點之后，輸入信號(diGripper)重置為0，激活分離功能(Detacher)，該功能使得真空吸盤和吸附的波紋鋼板分離開； 5)搬運到位之后，吸附成功信號(doVacuumOK)置0，完成整個搬運裝配過程，進入下一次循環(huán)。

圖12 真空吸盤Smart組件信號連接

4.3.2 波紋鋼結構機械臂裝配的工作站邏輯

在完成真空吸盤Smart組件信號連接之后，將機械臂的信號系統(tǒng)與之相連，才能構成一個完整的工作站邏輯，從而控制搬運裝配的實現(xiàn)。首先分別新建輸入信號(diVacuumOK)和輸出信號(doGripper)，作為與真空吸盤Smart組件(SC_Gripper)相連的I/O信號。機械臂與真空吸盤輸入輸出信號對應連接： 當機械臂運動至拾取點時，發(fā)出doGripper信號，控制真空吸盤的吸附動作；待機械臂運動至釋放點時，接受真空吸盤的diVacuumOK信號，控制與真空吸盤的分離動作，然后機械臂回到初始點，等到下一次運動指令。工作站邏輯信號連接如圖13所示。

4.4 C#控制機械臂裝配仿真試驗結果

完成機械臂虛擬仿真實驗室搭建后，利用RobotStudio的仿真功能，模擬波紋鋼支護結構的抓取及搬運過程，驗證此次RobotStudio二次開發(fā)程序的適用性。

1)運行C#二次開發(fā)程序，加載出窗體后，程序自動掃描現(xiàn)有機械臂控制器。掃描并連接控制器如圖14所示。因為本文使用的是RobotStudio中的虛擬機械臂，其IP地址默認為127.0.0.1，選中要連接的控制器一行，點擊一鍵連接，右側(cè)信息提示框出現(xiàn)已經(jīng)登錄控制器的提示。

圖13 工作站邏輯信號連接

圖14 仿真試驗第1步： 掃描并連接控制器

2)輸入目標點位姿數(shù)據(jù)，本次仿真模擬總共錄入3個特征點。錄入數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 目標點數(shù)據(jù)

完成目標點數(shù)據(jù)錄入如圖15所示。

圖15 仿真試驗第2步： 完成目標點數(shù)據(jù)錄入

以上錄入的數(shù)據(jù)點包括拾取點的基點和釋放點的基點。依據(jù)3.5.2節(jié)裝配位置調(diào)整的方法，并考慮到工具坐標系建立在波紋鋼構件上，后續(xù)拾取點和釋放點的坐標容易計算得到。后續(xù)拾取點與施工環(huán)境中波紋鋼板擺放位置有關，本文仿真試驗的簡化模型中，待拼裝波紋鋼板之間僅在X軸方向存在偏移。而后續(xù)釋放點坐標與幾何約束有關，隧道中波紋鋼初期支護呈環(huán)形，如圖1和圖2中所示，每一環(huán)的波紋鋼板分段之間的坐標存在位置上的約束關系。本文簡化模型中，第2塊波紋鋼板與第1塊波紋鋼板的釋放點僅在工具坐標系的X軸方向上有偏移，偏移距離即為波紋鋼板的長度。仿真模型中波紋鋼板中心的拾取點和釋放點坐標如表3所示。偏移量在工具坐標系中計算，目標點在世界坐標系中計算，第2塊波紋鋼板拾取點與釋放點坐標分別調(diào)用偏移函數(shù)RelTool(pPickBase,1 500,0,0Rz:=0)，RelTool(pPlaceBase,1 000,0,0Ry:=0)對第1塊波紋鋼板進行偏移計算得到。

表3 波紋鋼板中心的拾取點和釋放點坐標(以仿真模型中第2塊為例)

Table 3 Coordinates of pick and release point of corrugated steel plate center (take 2 pieces as examples)

波紋鋼板塊數(shù)拾取點 釋放點第1塊[2 400,-5,150][250,2 700,1 800]第2塊[2 400,1 495 ,150][250,2 200,2 666]

3)點擊“啟動裝配”按鈕，機械臂開始按照指定路徑運動。在運動過程中，RobotStudio會監(jiān)控機器人的姿態(tài)位置，如果出現(xiàn)坐標不能達到或者機械臂位姿出現(xiàn)異常情況等，系統(tǒng)會停止仿真并輸出錯誤信息，可根據(jù)系統(tǒng)輸出的錯誤信息對程序或數(shù)據(jù)進行修改。根據(jù)表2提供數(shù)據(jù)進行波紋鋼搬運裝配仿真運行，結果如圖16所示。

(a) 初始化到達起始點

(b) 初始點向拾取點運動

(c) 拾取點抓取波紋鋼

(d) 搬運波紋鋼

(e) 釋放波紋鋼

5 結論與討論

本文對波紋鋼初期支護結構裝配控制技術進行探索，從工業(yè)機械臂的計算機集成控制角度提出了實現(xiàn)特定二次開發(fā)功能(如裝配或搬運)的研究方案。由于商用機器人編程語言如RAPID語言一般較為低級，單純借助ABB 機械臂及其RobotStudio離線編程平臺難以實現(xiàn)新功能的集成。通過聯(lián)合機械臂端預編程與計算機端網(wǎng)絡控制方法進行研究，主要結論如下。

1)機械臂端主要負責運動控制算法的直接實現(xiàn)，可以根據(jù)波紋鋼結構裝配位置的幾何約束規(guī)律得到運動目標點坐標，預編程具備良好的可擴展性。

2)PCSDK通信方式利于使用C#語言二次開發(fā)，使得計算機端可以通過網(wǎng)絡控制收發(fā)交換數(shù)據(jù)。

3)Smart組件通過配置I/O信號模擬傳感器功能，形成的工作站信號邏輯可以仿真硬件總線功能。

4)仿真試驗的成功運行驗證了波紋鋼裝配控制技術的可行性，仿真數(shù)據(jù)可以為實際應用提供可靠的參考。

之后研究還要結合機械臂物理試驗驗證裝配技術的運行性能，虛擬仿真的簡化處理需進一步深化設計，如機械臂工具中心(TCP)所裝置的抓取工具由波紋鋼構件的節(jié)點連接構造型式?jīng)Q定，據(jù)此也可調(diào)整細部裝配動作。進一步的機械臂運動與路徑規(guī)劃還需結合隧道開挖工法以及支護施工工序調(diào)整，如有配套臺車等其他機械可能使裝配式施工的快速性得到更好體現(xiàn)。