王 春

（鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210049）

濕噴作業(yè)是在隧道爆破結(jié)束后，使用設(shè)備向隧道避免噴射混凝土，從而起到支撐、加固避免的效果。在我國制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型的背景下，建筑市場上出現(xiàn)了許多自動化、智能化的施工設(shè)備。在隧道施工中，濕噴機(jī)械臂可根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)行軌跡和設(shè)定好的噴射參數(shù)，自動完成隧道壁面的補(bǔ)坑、填充、掃面等作業(yè)任務(wù)。濕噴機(jī)械臂自動化作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，不僅顯著提高了隧道濕噴作業(yè)效率，減輕了一線施工人員的壓力，而且還能保證噴射混凝土與隧道巖面緊密貼合，提高噴射質(zhì)量。在濕噴機(jī)械臂自動化作業(yè)中，隧道三維信息的獲取、濕噴機(jī)械臂軌跡規(guī)劃、噴射方量和噴射角度等參數(shù)的設(shè)計等，都是決定該技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵點。

1 濕噴機(jī)械臂自動化作業(yè)技術(shù)

1.1 補(bǔ)坑作業(yè)技術(shù)

隧道爆破后，在隧道壁上會形成若干不同深度的坑，自動化濕噴作業(yè)的第一步就是要將這些深坑填平，這樣在下一步的濕噴作業(yè)中才能保證噴層與巖面能夠充分貼合，保證濕噴作業(yè)質(zhì)量滿足施工要求。基于濕噴機(jī)械臂自動化技術(shù)的補(bǔ)坑作業(yè)，首先通過三維掃描的方式，獲取隧道壁面的點云數(shù)據(jù)，并通過對點云數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，將爆破輪廓與設(shè)計輪廓展開對比分析。通過生長三棱臺的高度辨別處深坑的位置坐標(biāo)和體積信息[1]。在此基礎(chǔ)上，依靠深坑位姿信息規(guī)劃濕噴機(jī)械臂的移動路徑，并燮制濕噴機(jī)械臂的末端噴槍到達(dá)指定的補(bǔ)坑點。同時，再根據(jù)深坑的體積信息確定噴漿方量、噴漿時間，參數(shù)設(shè)計完畢后開始噴漿補(bǔ)坑。在補(bǔ)坑結(jié)束后，使用三維激光掃描儀對隧道壁面再次掃描，根據(jù)掃描結(jié)果判斷補(bǔ)坑作業(yè)質(zhì)量。如果掃描結(jié)果顯示還有深坑未被填充，則根據(jù)該深坑的位姿信息，重新燮制機(jī)械臂移動到該位置，重復(fù)上述濕噴步驟，直到所有的深坑被填平?；谧詣踊瘽駠娂夹g(shù)的補(bǔ)坑作業(yè)流程見圖1。

圖1 補(bǔ)坑作業(yè)流程

1.2 填充作業(yè)技術(shù)

該步驟的主要任務(wù)是對基底層和拱架層進(jìn)行噴漿填充。由于這2 層的噴射面積大、噴漿方量多，對最終的濕噴作業(yè)質(zhì)量影響最為明顯，因此也是需要重點關(guān)注的技術(shù)要點。在濕噴機(jī)械臂自動化填充作業(yè)中，選擇分區(qū)、分塊多次薄噴的作業(yè)模式。所謂分區(qū)，就是將整個隧道按照自上而下、從左往右的順序，劃分成若干個噴射區(qū)。這樣分區(qū)的作用是保持鋼拱架左右兩側(cè)的受力均衡，避免濕噴作業(yè)過程中鋼拱架因為單側(cè)受力太大而發(fā)生變形問題。把每個噴射區(qū)再劃分成若干個面積相同的矩形噴射塊，將噴射塊的中心點作為噴射點，規(guī)劃好移動路徑后將噴槍移動至噴射點處，完成均勻噴射?；谧詣踊瘽駠娂夹g(shù)的填充作業(yè)流程見圖2。

圖2 填充作業(yè)流程

由于填充作業(yè)使用的混凝土方量較大，因此為了避免噴射的混凝土在隧道壁面上出現(xiàn)流掛、掉塊問題，在實際噴射作業(yè)時必須做到多次薄噴，要求單次噴射混凝土的平均厚度小于10 cm。

1.3 掃面作業(yè)技術(shù)

掃面作業(yè)是在填充作業(yè)基礎(chǔ)上，于兩榀拱架之間再噴射一層混凝土并形成表面層。由于隧道巖壁表面層對平整度、均勻性均有著較高的要求，因此在使用濕噴機(jī)械臂進(jìn)行自動掃面作業(yè)時，一方面需要保證機(jī)器人做橫向勻速運(yùn)動，另一方面還要保證噴頭上下刷動，其運(yùn)動軌跡為“弓”字形。濕噴機(jī)械臂噴頭的刷動范圍（L）的計算公式為：

式中：d 表示噴頭與掃面作業(yè)面之間的噴射距離，單位為m；θ 表示噴頭在掃面作業(yè)面上下刷動角度，單位為°。噴頭勻速移動速度（V）的計算公式為：

式中：S 表示混凝土的噴射方量，單位為m3/h；α 表示噴漿回彈率，單位為%；H 為掃面層厚度，單位為m。

按照上述計算公式分別求得噴頭的L值和V 值后，根據(jù)L將隧道設(shè)計點云沿周向進(jìn)行均勻分割。在利用分割后得到的點云數(shù)據(jù)，獲得“弓”字形拐點的位姿信息。然后利用直線將各個拐點連接起來，即可得到濕噴機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡。最后按照該運(yùn)行軌跡進(jìn)行掃面作業(yè)，整個流程見圖3。

圖3 掃面作業(yè)流程

2 濕噴機(jī)械臂作業(yè)軌跡規(guī)劃

2.1 繪制隧道輪廓

為了方便規(guī)劃濕噴機(jī)械臂的作業(yè)軌跡，本研究將隧道參數(shù)化為可展曲面。這種結(jié)構(gòu)的特點是曲面上每個點的高斯曲率均為0，這也就意味著三維的可展曲面，在展開成為二維平面時不會出現(xiàn)失真的情況。在濕噴機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃中，將二維平面的運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)換到三維空間，可以保證濕噴機(jī)械臂的運(yùn)動距離和運(yùn)動速度不變，從而減輕了軌跡規(guī)劃的工作量[2]。在確定了隧道結(jié)構(gòu)后，本研究使用參數(shù)多項式描述隧道斷面輪廓線，使隧道輪廓線的（y，z）坐標(biāo)相對于u 參數(shù)化，利用關(guān)于u 的參數(shù)多項式擬合隧道輪廓。分別選擇1～4 階參數(shù)多項式擬合y,z坐標(biāo)的均方誤差，擬合結(jié)果表明使用3 次多項式擬合y坐標(biāo)、4 次多項式擬合z坐標(biāo)，誤差最小?；诖耍謩e用u,v坐標(biāo)描述隧道鍛煉輪廓線的參數(shù)方程：

式中：系數(shù)a0-3和b0-4均由隧道斷面輪廓線尺寸確定。

2.2 平面濕噴作業(yè)規(guī)劃

正常情況下，濕噴機(jī)械臂完成一個完整的濕噴作業(yè)循環(huán)，至少需要補(bǔ)坑、填充、掃面3 道工序[3]。在這些工序中，補(bǔ)坑作業(yè)要求準(zhǔn)確識別坑的具體位置，在此基礎(chǔ)上決定濕噴機(jī)械臂的動作。由于坑的位置有較強(qiáng)的隨機(jī)性，這里不做討論；而填充和掃面兩道工序的噴射策略基本一致，因此本研究以填充作業(yè)為例，簡要概述平面作業(yè)軌跡繪制方法。

填充作為濕噴作業(yè)的核心步驟，其噴射策略是在規(guī)劃的噴射點處進(jìn)行定點噴射，某個噴射區(qū)域內(nèi)的填充噴射平面軌跡見圖4。

圖4 填充工序中噴射區(qū)域I的平面作業(yè)軌跡

圖4 中，Lt表示相鄰兩個拱架之間的距離；St和dt分別表示噴射點的橫向間距與縱向間距，這兩個值分別由噴射點處的擺動角度和刷動角度確定。其中，橫向間距（St）的計算公式為：

式中：D 表示噴槍回轉(zhuǎn)中心與受噴避免之間的距離，單位為m；β 表示噴槍橫向擺動角度，單位為°。同樣的，縱向間距（dt）的計算公式為：

式中：K 表示噴槍縱向刷動角度類型系數(shù)，在不同的區(qū)域中取值不同，這里取1；D 表示噴槍回轉(zhuǎn)中心與受噴壁面之間的距離，單位為m；α 表示噴槍縱向刷動角度，單位為°。

2.3 三維濕噴作業(yè)規(guī)劃

結(jié)合上文分析可知，在二維濕噴作業(yè)中，填充作業(yè)是需要噴槍橫向運(yùn)動，而掃面作業(yè)則需要噴槍縱向運(yùn)動；而三維濕噴作業(yè)中，具體的作業(yè)軌跡又可分為4 種，分別是填充工序的橫向軌跡和縱向軌跡，掃面工序的橫向軌跡和縱向軌跡。除此之外，根據(jù)作業(yè)軌跡是否連續(xù)，又可以將其分為連續(xù)型作業(yè)軌跡（機(jī)械臂末端按照規(guī)劃好的路徑和確定的速度，從起點移動至終點）、點到點型作業(yè)軌跡（機(jī)械臂末端在特定時間內(nèi)從起點移動至終點）2 種類型[4]。

從結(jié)構(gòu)組成上來看，濕噴機(jī)械臂主要由機(jī)械臂連桿、噴槍兩部分組成，并且噴槍的上下兩端各有一個關(guān)節(jié)，保證在濕噴作業(yè)中能夠在上下方向刷動。本研究在規(guī)劃三維濕噴作業(yè)軌跡時，設(shè)計了一個有6 個關(guān)節(jié)的濕噴機(jī)械臂連桿，這6 個關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡需要滿足的運(yùn)動學(xué)約束見表1。

表1 關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)約束

3 濕噴機(jī)械臂自動化作業(yè)仿真實驗

3.1 濕噴機(jī)械臂的建模

本研究基于開源操作系統(tǒng)ROS 創(chuàng)建濕噴機(jī)械臂模型。在ROS 系統(tǒng)中，提供了URDF 文件創(chuàng)建機(jī)械臂模型，該文件中囊括了機(jī)械人的一些常規(guī)信息，如形狀、尺寸、質(zhì)量、關(guān)節(jié)類型等。由于濕噴機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無法從URDF 文件中選擇常規(guī)形狀直接建立模型，因此本研究首先在SolidWorks 軟件上創(chuàng)建了濕噴機(jī)械臂的三維模型，然后再調(diào)用一個sw_urdf_exporter 插件，將已經(jīng)得到的三維模型轉(zhuǎn)化成一個包含模型信息的數(shù)據(jù)包，然后在對數(shù)據(jù)包中的模型參數(shù)進(jìn)行修改，最終得到了濕噴機(jī)械臂的URDF 模型[5]。

在創(chuàng)建URDF 模型后，還要從ROS 系統(tǒng)中另外選取一個三維可視化工具Rivz，該工具的功能是詳細(xì)展示機(jī)器人的關(guān)節(jié)狀態(tài)、運(yùn)動軌跡；同時，還可借助于Rivz工具中的滑塊來燮制機(jī)器人的運(yùn)動，使?jié)駠姍C(jī)械臂完成補(bǔ)坑、填充和掃面等一系列作業(yè)內(nèi)容，并且整個作業(yè)流程均能做到可視化。

3.2 濕噴機(jī)械臂的作業(yè)仿真

在ROS 系統(tǒng)中，MoveIt 是一個集運(yùn)動規(guī)劃、操作燮制、3D感知等多種功能于一體的開發(fā)平臺[6]。本研究在進(jìn)行濕噴機(jī)械臂的仿真實驗時，選擇該平臺進(jìn)行濕噴機(jī)械臂模型的燮制，同時利用Topoc 和Action 通訊機(jī)制實現(xiàn)燮制終端和前端執(zhí)行器的數(shù)據(jù)交換，保證仿真作業(yè)的順利完成。基于MoveIt 平臺的濕噴機(jī)械臂模型燮制流程為：

步驟1：加載已經(jīng)創(chuàng)建好的URDF 模型，為MoveIt提供燮制對象。

步驟2：啟動Setup Assistant 工具箱，分別配置濕噴機(jī)械臂的初始位姿、自碰撞矩陣等相關(guān)信息。

步驟3：啟動Arbotix 功能包中的燮制器插件，使?jié)駠姍C(jī)械臂模型的各個關(guān)節(jié)能夠正常運(yùn)動。

步驟4：利用MoveIt 平臺的python 接口，將編寫好的濕噴機(jī)械臂軌跡規(guī)劃燮制程序?qū)氲組oveIt 平臺中。在該程序的燮制下，濕噴機(jī)械臂模型按照既定的軌跡完成相應(yīng)的動作，完成濕噴作業(yè)仿真。最后將運(yùn)行結(jié)果以move_group 文件保存，將該文件發(fā)送到Rivz中[7]。

在本次仿真實驗中，分別進(jìn)行了補(bǔ)坑作業(yè)、填充作業(yè)、掃面作業(yè)。根據(jù)可視化結(jié)果，本研究設(shè)計的濕噴機(jī)械臂自動化仿真作業(yè)模型可以在虛擬環(huán)境下，按照規(guī)劃的軌跡準(zhǔn)確、快速地完成濕噴作業(yè)，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

4 結(jié)論

濕噴作業(yè)是隧道工程施工中的一項重要內(nèi)容，雖然近年來隧道工程中濕噴作業(yè)感知系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但是由于存在智能化程度不高、濕噴機(jī)械臂運(yùn)動穩(wěn)定性差等問題，導(dǎo)致濕噴作業(yè)質(zhì)量達(dá)不到理想效果。本研究設(shè)計的自動化濕噴作業(yè)系統(tǒng)，通過掃描隧道爆破面，將獲取到的爆破點云與設(shè)計點云進(jìn)行對比，并按照規(guī)劃好的路徑，準(zhǔn)確找出補(bǔ)坑作業(yè)位置，在此基礎(chǔ)上由濕噴機(jī)械臂自動完成填充、掃面作業(yè)。從仿真實驗結(jié)果來看，該系統(tǒng)具有濕噴作業(yè)效率快、作業(yè)結(jié)果與設(shè)計方案一致性強(qiáng)等優(yōu)勢，應(yīng)用效果良好。