劉飛香

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

盾構法作為暗挖法施工中的一種全斷面、機械化作業(yè)的隧道施工方法，由于其具有施工效率高、安全性好、對地面交通和設施擾動小等優(yōu)點而被廣泛應用于城市地下鐵道的建設［1］。為了實現(xiàn)掘進過程中隧道一次成型，需要通過管片拼裝機將預制好的管片拼裝成環(huán)，形成隧道的永久支護。我國目前已經(jīng)實現(xiàn)管片吊裝、喂片、拼裝的機械化，但是智能化水平不高，尤其是管片的對中、就位、拼裝、螺栓連接等需要人工操作控制，存在勞動強度大、管片拼裝效率低等問題［2］。因此，實現(xiàn)盾構管片智能化拼裝作業(yè)意義重大。

國外對管片拼裝智能化控制的研究起步較早且相對比較完善。1988 年，日本通過管片自動化拼裝設備的研究，陸續(xù)形成多項實用化管片自動化拼裝技術［3］。李穗婷［4］對管片拼裝機的機構運動控制系統(tǒng)進行了研究，設計了位移跟隨系統(tǒng)，并研究了基于YOLO框架的管片識別算法和特征檢測的管片螺栓識別算法。程燕［5］在ADAMS/Hydualics 中成功建立拼裝機液壓系統(tǒng)模型，實現(xiàn)管片拼裝機整機系統(tǒng)的機-液系統(tǒng)耦合仿真。李珊珊［6］對全自動六自由度管片拼裝機拼裝速度和關鍵部件進行了仿真分析。

由于我國盾構施工技術起步較晚，對于管片抓取和拼裝的定位大多依賴于人眼識別判斷，智能化檢測和控制技術應用較少［7］。因此，本文提出一種基于激光傳感器測量系統(tǒng)的管片拼裝機智能化抓取及拼裝算法。該法通過激光傳感器和圖像設備獲取管片位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并計算得出平移油缸、提升油缸、回轉(zhuǎn)馬達、俯仰油缸以及偏轉(zhuǎn)油缸的控制參數(shù)，實現(xiàn)管片抓取和拼裝過程的精準定位。

1 管片拼裝機結構及工作原理

管片拼裝時盾構主機須停止掘進，并將待拼裝區(qū)域的推進油缸縮回，留出拼裝空間。吊機將管片從小車上吊起并運送到喂片機上，喂片機沿隧道軸向運動將管片運送到拼裝機抓取區(qū)域，抓取裝置抓取管片后通過拼裝機各油缸的組合運動將管片移動至預定位置進行拼裝。管片拼裝機的整體結構見圖1。

圖1 管片拼裝機整體結構

管片拼裝機安裝在盾構機的盾尾。通過平移油缸、提升油缸和回轉(zhuǎn)驅(qū)動分別實現(xiàn)管片沿隧道軸向、徑向和周向的運動，即拼裝頭初調(diào)定位。管片拼裝頭分為吸盤式和扣頭螺栓式，本文主要研究扣頭螺栓式拼裝頭的定位?？垲^螺栓式拼裝頭上安裝有俯仰油缸和偏轉(zhuǎn)油缸，見圖2。結合兩側(cè)提升油缸的不同步動作可以分別實現(xiàn)管片的俯仰、偏轉(zhuǎn)以及橫搖，即管片的微調(diào)定位。管片拼裝機的平移、回轉(zhuǎn)、提升、俯仰、偏轉(zhuǎn)和橫搖動作分別對應拼裝頭的6 個自由度動作［8］。

圖2 管片抓取裝置

本文坐標方位一律按圖2 的坐標系確定，豎直向上方向為z軸正向，向前開挖軸線方向為y軸正向，并根據(jù)右手法則確定x軸正向。

2 智能化管片拼裝機設計

2.1 智能化抓取及拼裝原理

管片拼裝機在抓取管片前各油缸位于初始狀態(tài)，見圖3。在激光測距儀A 接收到管片信號時確定管片進入抓取區(qū)域，管片拼裝機開始移動至抓取區(qū)域。管片拼裝機抓取裝置安裝了激光測距儀B，C，D（參見圖2），其中B 和C 對稱位于抓取頭前端兩側(cè)，測距儀B和D 位于抓取頭沿y軸同一方向位置。根據(jù)各測距儀數(shù)據(jù)的變化確定管片拼裝機抓取頭行程及微調(diào)路線，最終實現(xiàn)管片抓取。

圖3 管片拼裝機位于初始位置

管片拼裝機抓取頭在準確抓取管片后，開始進行拼裝動作，根據(jù)管片錯縫拼裝工藝流程及相鄰管片拼裝點位置可以得到拼裝管片時的初調(diào)定位參數(shù)，即管片拼裝機各個油缸的待調(diào)整參數(shù)。管片拼裝機根據(jù)初調(diào)定位參數(shù)控制平移、回轉(zhuǎn)、提升機構將管片移動至預定位置［9］?？紤]到測距儀測量誤差，根據(jù)管片拼裝機各方位測距儀數(shù)據(jù)的變化實時確定管片拼裝機抓取頭行程及微調(diào)路線，最終實現(xiàn)待拼裝管片與已拼裝管片間的精準定位。圖4給出了智能拼裝機仿形法抓取及拼裝總體工藝流程。

圖4 拼裝機智能抓取和拼裝總體工藝流程

2.2 抓取及拼裝動作設計

2.2.1 管片智能化抓取

管片拼裝機進入抓取區(qū)域后對激光測距儀及攝像機所測得的數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)化為油缸行程信號，再通過實時測量與處理對橫搖、俯仰、回轉(zhuǎn)油缸的行程進行微調(diào)，使抓取頭逐漸接近精準抓取管片的位置及姿態(tài)。圖5給出了管片拼裝機智能抓取流程。

1）偏轉(zhuǎn)動作

管片進入拼裝區(qū)域后喂片機自動停止管片輸送。由于管片輸送過程中難以保證其中軸線與隧道軸線和拼裝頭軸線平行，為使抓取裝置順利鎖合管片上的扣頭螺栓，需要微調(diào)抓取裝置偏轉(zhuǎn)角度。激光測距儀B 和C 感應到管片端面進入預設距離范圍內(nèi)的瞬間分別記錄下兩側(cè)平移油缸的行程PB和PC，見圖6，然后根據(jù)差值計算出需要調(diào)整的偏轉(zhuǎn)角度θ偏轉(zhuǎn)。

式中：θ偏轉(zhuǎn)為需要調(diào)整的偏轉(zhuǎn)角度；PB和PC為B和C激光測距儀行程；LBC為B和C激光測距儀之間的距離。

當θ偏轉(zhuǎn)＞ 0 時，偏轉(zhuǎn)油缸伸出；當θ偏轉(zhuǎn)＜ 0 時，偏轉(zhuǎn)油缸縮回。微調(diào)偏轉(zhuǎn)機構如圖7所示。偏轉(zhuǎn)油缸行程調(diào)整量為

圖5 管片拼裝機智能抓取流程圖

圖6 微調(diào)偏轉(zhuǎn)角度

圖7 微調(diào)偏轉(zhuǎn)機構

式中：θGOH初始為偏轉(zhuǎn)油缸初始位置處夾角；LGH初始為偏轉(zhuǎn)油缸初始位置安裝尺寸。

2）回轉(zhuǎn)動作

偏轉(zhuǎn)油缸微調(diào)完成后啟動攝像設備，根據(jù)偏移情況旋轉(zhuǎn)馬達進行微調(diào)（圖8）。由于θ回轉(zhuǎn)非常小，管片中心U、回轉(zhuǎn)中心K 以及抓取頭中心在管片上的投影點S可近似看作在一條直線上，θ回轉(zhuǎn)1可由式（3）得出。

圖8 微調(diào)機構第1次回轉(zhuǎn)及橫搖

式中：R為管片內(nèi)徑；L1為抓取頭中心在管片上投影點S 與扣頭螺栓S'的偏移距離；h為管片中心和回轉(zhuǎn)中心的距離。

3）橫搖動作

偏轉(zhuǎn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達調(diào)整完畢后，還需要調(diào)整抓取頭的橫搖角度，使得抓取頭端面與管片中軸線垂直。B 和C 處的激光測距儀測得與管片內(nèi)環(huán)面的距離lB和lC，根據(jù)距離差驅(qū)動提升油缸進行微調(diào)，使得2 個距離差減小至設定范圍內(nèi)，進而使抓取頭橫搖角度與管片橫搖角度一致。橫搖角度與伸縮油缸行程關系見圖9。

圖9 橫搖角度與伸縮油缸行程關系

回轉(zhuǎn)后，抓取頭O旋轉(zhuǎn)至O'點，由于回轉(zhuǎn)角度非常小，U近似看作在SK延長線上，可得

兩側(cè)提升油缸行程差為

式中，LPJ為舉重鉗兩側(cè)銷軸距離，是結構確定的定值。

4）回轉(zhuǎn)與橫搖循環(huán)動作

經(jīng)過偏轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、橫搖動作，抓取頭初定位就完成了，攝像設備再次檢測抓取頭中心在管片上投影點與扣頭螺栓的偏移距離L2，激光測距傳感器再次檢測lB和lC。進行第2次回轉(zhuǎn)及橫搖調(diào)整，見圖10。

圖10 微調(diào)機構第2次回轉(zhuǎn)及橫搖

第2 次回轉(zhuǎn)、橫搖微調(diào)完畢，攝像設備檢測抓取頭中心在管片上投影點與扣頭螺栓的偏移距離L3，激光測距傳感器再次檢測lB和lC。對允許的最大誤差值γ，ε，若同時滿足L3＜γ，|lB-lC|＜ε，則抓取頭回轉(zhuǎn)、橫搖調(diào)整完畢。若不滿足則進入“檢測—回轉(zhuǎn)—橫搖”循環(huán)階段，直到抓取頭位置和姿態(tài)調(diào)整到允許誤差范圍內(nèi)，循環(huán)公式見式（10）—式（13）。

5）俯仰動作

回轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)微調(diào)完畢后，平移油缸繼續(xù)向前推進600 mm，啟動測距儀B 和D，根據(jù)B 和D 測得距離差值計算俯仰油缸的行程調(diào)整量。

當θ俯仰＞ 0 時，俯仰油缸伸出；當θ俯仰＜ 0 時，俯仰油缸縮回，見圖11。

圖11 俯仰油缸微調(diào)示意

俯仰角度與俯仰油缸行程關系如圖12，俯仰油缸行程調(diào)整量依據(jù)E，F(xiàn)，O 三點位置變化關系由式（15）計算。

圖12 俯仰角度與俯仰油缸行程關系

抓取頭位置和姿態(tài)微調(diào)完成后，提升油缸伸出，當lD減小到預設值時扣頭油缸伸出；當檢測設備檢測到扣頭螺栓到位后扣頭油缸縮回，完成管片抓取。

2.2.2 管片智能化拼裝

管片拼裝時，拼裝區(qū)域的盾構推進油缸需要縮回，為待拼裝管片留出空間。根據(jù)管片封頂塊的要求，根據(jù)式（16）計算拼裝時的盾構推進油缸行程。

式中：L搭接為封頂塊拼裝時的搭接量要求；L管寬為管片寬度。

管片拼裝對平移油缸行程要求如圖13，盾構機推進油缸縮回后，平移油缸將管片平移至待拼裝區(qū)域，此時平移油缸行程由式（17）計算。

圖13 管片拼裝對平移油缸行程要求

式中，L平余為拼裝間隙量。

管片拼裝機通過馬達回轉(zhuǎn)、提升油缸伸縮將待拼裝管片移動至理論區(qū)域并留出足夠余量L平余、L回余等。

拼裝管片時待拼裝管片的偏轉(zhuǎn)角度通過將管片與已拼裝管片軸向貼緊，利用管片間接觸面的作用力進行調(diào)整。此時，平移油缸、俯仰油缸、橫搖油缸泄壓，確保待拼裝管片的微調(diào)自由度。伸出盾構機推進油缸頂推待拼裝管片，從而保證與已拼裝管片軸向貼緊。此時，俯仰油缸、橫搖油缸保持定位，平移油缸回退L平余。管片徑向定位通過位于側(cè)邊3 個測距儀檢測徑向距離，調(diào)節(jié)提升油缸行程實現(xiàn)，見圖14。

圖14 管片拼裝徑向調(diào)整示意

管片回轉(zhuǎn)定位與偏轉(zhuǎn)定位原理類似，驅(qū)動馬達回轉(zhuǎn)拼裝機，側(cè)端面與已拼裝管片側(cè)端面接觸后，通過接觸力進行定位，待壓力突然變化至一定值停止回轉(zhuǎn)，完成周向定位。此時，平移、俯仰、橫搖油缸泄壓，推進油缸伸出，頂緊管片完成該管片拼裝［10］。

管片間連接螺栓安裝完畢后，管片拼裝機需要回位，并進行下一塊管片的抓取。步驟如下：①松開抓取裝置同步縮回兩側(cè)提升油缸10 mm 左右；②平移油缸縮回300 mm；③提升油缸復位最小行程處；④馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)至零位；⑤平移油缸回到初始位置；⑥微調(diào)油缸回到初始位置。

3 數(shù)值模擬驗證

回轉(zhuǎn)運動與橫搖運動相互影響，采用MATLAB 軟件對文中回轉(zhuǎn)角和橫搖角的算法進行數(shù)值模擬，以驗證算法的準確性。圖15給出了主流程。

取一組管片與管片拼裝機抓取理想狀態(tài)偏離較大的數(shù)據(jù)，以便較清楚地分析回轉(zhuǎn)角及橫搖角的變化趨勢。針對前3次回轉(zhuǎn)和橫搖運算，進行獨立計算，從第4次開始進入循環(huán)，依次進行編程模擬。

共做了9 次回轉(zhuǎn)計算和8 次橫搖計算，將算法公式編成程序，計算出每次運動的回轉(zhuǎn)角和橫搖角，其結果逐漸趨近于0，且精度分別達到10-12和10-8，已經(jīng)非常接近0。模擬的計算結果可由MATLAB 編程繪制出變化趨勢，見圖16。

圖15 主流程圖

圖16 回轉(zhuǎn)角和橫搖角變化趨勢

根據(jù)回轉(zhuǎn)角和橫搖角的變化趨勢，在第3 次計算后，回轉(zhuǎn)角和橫搖角基本都趨近于0，趨勢明顯。在實際工程中，激光測距儀會由于管片表面粗糙程度、灰塵、部分坑洼等因素產(chǎn)生誤差，每次計算后測距儀會重新進行測量，并從第4次開始進入循環(huán)計算，以此不斷逼近更精確的管片抓取位置。由圖16可知，該算法收斂速度很快，對于實際工程來說，可以很快地調(diào)節(jié)到抓取位置，因此認為該算法可應用于管片拼裝機智能化抓取。

4 結論

本文對于管片抓取時的定位采用“測量系統(tǒng)檢測偏差-偏差驅(qū)動油缸調(diào)整”不斷循環(huán)的過程，理論上只要允許偏差設計得足夠小，即可實現(xiàn)管片的精準抓取。抓取管片后，各微調(diào)油缸卸荷，進入管片拼裝環(huán)節(jié)，盾構機推進油缸和管片拼裝機回轉(zhuǎn)油缸將待拼裝管片與已拼裝管片軸向和周向端面貼緊，利用管片間接觸面的作用力進行調(diào)整，實現(xiàn)準確緊密拼裝。利用以上抓取和拼裝原理進行微調(diào)公式推導，得到下面的結論。

1）對管片拼裝機抓取及拼裝過程進行分析，進而推導微調(diào)油缸行程，得到一套完整的管片拼裝機智能化抓取和拼裝的仿形算法。

2）對算法中回轉(zhuǎn)與橫搖部分的計算進行數(shù)值模擬，得出回轉(zhuǎn)角和橫搖角在4次計算后趨于0，在最初的定位中，回轉(zhuǎn)角和橫搖角變化趨勢迅速收斂，為補償測量過程中的誤差，利用循環(huán)公式使回轉(zhuǎn)角和橫搖角變化趨勢逐步趨于穩(wěn)定，驗證了算法的可行性和準確性。

本文闡述了智能化管片拼裝機抓取及拼裝的算法流程，并對算法可行性和準確性進行了驗證。但對于攝像機-激光測距儀組合檢測系統(tǒng)的檢測精度以及油缸的控制方式和策略還有待進一步研究。