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年全國鐵路運營里程將達(dá)到15萬km，其中的重點是擴大中西部路網(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、人工噴射到遙控機械手噴射的發(fā)展歷程，基本實現(xiàn)了機械化施工。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，通過將機器人學(xué)、三維環(huán)境識別、測量學(xué)、運動控制等多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到噴射機械手上，研發(fā)了噴射機械手智能控制系統(tǒng)。通過智能化控制使噴射機械手可以自適應(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、噴射機械手路徑規(guī)劃與運動控制等功能，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。濕噴機自身設(shè)有基坐標(biāo)系{B}，噴射機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。在濕噴機上設(shè)置2個固定點P1和P2，其在濕噴機基坐標(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，濕噴機的機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)劃噴射機械手運動路徑的空間信息；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)劃針對的是噴射機械手，準(zhǔn)確計算噴射機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械手?jǐn)?shù)學(xué)模型。本文的研究對象HPSZ2006型濕噴機的機械手結(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方法建立機械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，建立機械手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)帶入機械手設(shè)計參數(shù)，建立理想模型；

2)完成實際裝配機械手的參數(shù)標(biāo)定，得到誤差補償模型；

3)測定機械手撓度，得到最終可實際應(yīng)用的撓度補償模型。

機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型噴射機械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 HPSZ2006型噴射機械手理想模型

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，機械手在空間中的位置與姿態(tài)可通過正運動學(xué)精確計算。逆運動學(xué)采用雅克比矩陣的思路，通過迭代算法求解機械手噴頭目標(biāo)位置與姿態(tài)的關(guān)節(jié)值，帶入正運動學(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。

噴射機械手的路徑規(guī)劃其實就是規(guī)劃機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)運動路徑。高度非線性和強耦合性是機械手路徑規(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型濕噴機機械手噴頭帶有刷動機構(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動。噴射時，結(jié)合機械手三臂往返伸縮實現(xiàn)螺旋式噴射，擴大噴射覆蓋范圍，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，帶入機械手逆運動學(xué)算法求解出機械手在各駐足點處9個關(guān)節(jié)的目標(biāo)值。機械手各關(guān)節(jié)運動至目標(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)行補噴，重復(fù)掃描、補噴直至合格。

2.4 機械手在駐足點之間的運動優(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。噴射機械手完成噴射任務(wù)是從機械手初始位置出發(fā)，按順序逐一運動至規(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)機械手的高度非線性和強耦合性。

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機械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，利用全站儀定位濕噴機位姿，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。