隧道凿岩机器人

钻爆法施工设备

隧道开挖是现代交通、水电、矿山、军事工程等大规模基础设施建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分关键、十分重要的施工作业。隧道开挖一般采用掘进法和钻爆法。前者采用庞大复杂的掘进机，用类似机械切削的方法一次将整个隧道断面成型。这种施工方法特点是掘进速度快、安全，但是该方法使用的全断面掘进机价格非常昂贵。钻爆法的施工则比较灵活，断面适应性好，设备费用相对低廉得多。

优点

1、大幅度地提高爆破后断面的精确度；

2、可以有效地减少超挖(大于设计断面)和欠挖(小于设计断面)，比常规台车可减少5%～15% 的超挖量，仅此一项，因衬砌材料和石碴运输量减少带来的经济效益就十分可观；

3、减少钻孔时的移位辅助时间，可提高工效四分之一左右；

4、实现孔底共面控制，爆破效率可提高5%以上：

5、大幅度地降低隧道开挖成本。

结构

整机由液压凿岩机、链式推进器、寅接定位式钻臂(具有无误差的液压平移机构)、直角定位式辅助臂、伸缩式门架、行走轮系、稳车支腿、液压系统、电缆卷筒、动力箱、可升降的司机室以及高压冲洗水、润滑剂、补油箱组成的台车本体，与由操作单元、传感器组、控制器(由上、下位机构成两级控制结构)、监示报警单元组成的控制系统构成。另外，为保证台车的正常使用与维修方便，配备了一个具有基本工具与维修包的移动式维修间。

工作过程

采用隧道凿岩机器人钻凿隧道的基本工作过程如下：

(1)、隧道断面轮廓与布孔设计：在隧道凿岩机器人开始钻凿隧道之前，先在办公室进行钻孔方案设计，设计隧道断面的轮廓、各炮孔的位置、方向角度、大小、深度及在断面的分布形式，同时还可以对各炮孔钻凿的先后顺序进行静态规划。

(2)、虚拟现实：在完成钻孔方案设计后，为了验证钻孔方案的可行性与可操作性，可在办公室操纵操作手柄，通过动画虚拟显示钻臂与凿岩机的动作，验证工作中是否会发生干涉。也可虚拟验证自动作业过程孔序规划的可行性，自动避碰的能力，以及钻孔方案布置中是否有盲区等，从而提高工作效率，降低作业成本。

(3)、车体定位：在开始钻孔之前，必须先确定车体坐标与隧道断面坐标的关系，即进行车体定位，求出车体坐标到断面坐标的坐标变换矩阵。车体定位后凿岩机器人可以以电脑导向、自动移位、自动凿岩等三种方式工作。

(4)、电脑导向：导向移位时，通过手动操作移动钻臂，显示屏上显示钎杆的位姿与移动过程，并显示钻孔方案中各孔在隧道断面上的位姿，对钻臂的移动进行跟踪。

(5)、自动移位：上位机按照静态规划的顺序从钻孔方案文件中依次读取当前孔的参数，求钻臂各关节的运动学反解，下位机根据目标参数计算各液压执行机构的控制量，并控制比例阀的开度及各电磁阀的通与断，进行自动移位．显示屏上显示钎杆的位姿与移动过程，对钻臂的移动进行跟踪。

(6)、自动凿岩：上位机根据凿岩开始时钎杆的实际姿态角度，按照炮孔共底面要求，计算钎杆实际要求钻凿的目标钻孔深度．下位机根据目标钻孔深度，控制比例减压的开度及各钎杆的推进、旋转及冲击的重冲与轻冲。凿岩过程中出现转钎压力高时，进行自动防卡钎处理。当钻进深度达到要求的深度时，钎杆自动回退，钎杆回退到位后，凿岩结束。上位机在显示屏上显示冲击压力、钎杆推进压力、转钎压力、钻进深度等参数，对凿岩过程进行跟踪。

(7)、孔序动态规划：在双臂同时工作时，两臂分别按各自的孔序工作，但是由于工作故障、岩石坚固程度、孔的位姿、移位与钻进的速度等因素的影响，两臂的工作进度可能不同步，甚至可能出现相互干涉的情况，这时，上位机应及早作出判断，及时对钻孔任务与孔序进行动态调整，以做到两臂不干涉，尽量使两臂同时结束断面的凿岩工作，充分利用两臂的资源。

(8)、人工干预：当需要手工操作以提高进度时，或遇紧急情况或自动功能难以处理的情况时，需要进行人工干预。在自动移位或自动凿岩过程中，检测到手动优先开关信号后，暂停自动功能，转入到人工干预状态，实现电脑导向的功能，直到人工干预结束后，恢复自动作业状态。

(9)、急停：当遇紧急情况，可能出现碰撞、或可能危及机器与周围人员安全时，启动急停功能，停止一切动作排除故障后，而且所有开关恢复至初始化状态后，可以解除急停状态，开始新的工作。

特点

与国外的电脑导向台车相比，研发的隧道凿岩机器人具有如下特点：

(1)、门架式结构适合我国铁路隧道施工要求，不产生烟雾污染，通风条件好；门架式结构中间可通过312型挖装机进行装碴。断面爆破时台车可不退出洞外或叉道，缩短辅助时间。

(2)、这种门架式结构可以伸缩，便于大件运输，运输时工作臂与辅助臂和车架可以不拆卸，进行整体运输，避免运输时液压管路、电缆、控制线路的断开。当然，对于特殊情况，也可以分体运输。

(3)、具有我国铁路隧道标准数据库的断面设计 (TucAD)系统。

(4)、采用具有电脑导向功能的双三角结构工作臂。直角坐标结构的工作臂由于其单缸运动控制简单，进口的电脑导向台车大都采用这种结构。由于双三角结构的工作臂有其固有的优点，因此本台车采用这种双缸复合控制定位的结构驱动工作臂。

(5)、完全密封铠装的传感器组件，不光进行了铠装，而且传感原理也不相同，提高了电脑导向系统中传感器的可靠性、可维护性与实用性。

(6)、整机的多种工作方式，保证了工作的可靠性。台车具有手动和电脑导向2种操作方式，电脑导向系统采用上、下位机结构。上位机完成任务分配、人机交互界面、图形导引显示功能；下位机 (PLc)实现传感器信号的采集、运动轨迹的控制功能。还需实现工作臂移动时，预先给定孔序的单孔自动定位与凿岩时的单孔自动钻孔

(7)、控制系统与台车本体的统一化设计，保证了控制系统的工作稳定性与可靠性。

(8)、具有机载控制器完全本土化的操作界面

(9)、有多重防油液污染的过滤保护装置。

误差分析及补偿

实践证明，如果钻孔定位精确，在每一断面循环中可以减少5%~10%的孔而实现同样的爆破效果，而在隧道施工中的时间主要用在钻孔和出渣上，其中钻孔作业占了施工的大半时间。因而精确的钻孔定位将会带来巨大的效率提高与经济效益。而不精确的钻孔定位，往往带来超挖或欠挖现象，对于超挖，需要进行大量衬砌填补，对于欠挖,则需要进行二次爆破后再填补,而人们希望借助凿岩机器人来提高钻凿质量、钻进速度、爆破效率和大幅度降低隧道开挖成本、改善劳动条件。

造成机器人运动误差的因素主要有两个：首先是机器人动作的误差分析的数学模型是否准确; 其次是实现这个数学模型的控制系统、驱动系统、检测系统以及执行机构等的精度如何。

随着机器人速度的提高，动力学因素对机器人性能的影响越来越大，高速时在惯性力的作用下，必将产生弹性变形和振动。目前通常采用的机器人数学模型都是假设构件为刚体、各运动副之间没有间隙的理想模型，而在机器人实际作业中不可避免要产生误差，而且实际构件不可能没有弹性，因此机器人运动时在重力、惯性力和外力作用下肯定要发生弹性变形

从控制的角度看，由于机器人各关节的位置伺服系统都是采用电机轴(而不是关节轴) 上的位置检测器构成位置反馈，实际上是一个半闭环位置伺服系统，故无法消除由机械传动结构引起的位置误差，必须实际计算出来，作为补偿的基础。

发展趋势与应用前景

发展趋势

随着计算机技术性价比的提高，随着电子与软件技术在钻车上的应用，自动功能将逐步应用于所有大小钻车。控制系统有以下发展趋势：

(1)即插即用化，当现场钻车接上现场网络后，现场控制与管理系统即能收集钻车的工作数据与钻车内部数据，钻车电可通过网络下载新的工作任务与信息。

(2)智能化，随着遥控操作技术、导航技术、自动操作的发展，钻车与现场数据交换用户界面的标准化，凿岩钻车将是自动化与智能化的机器。

(3)在线服务，技术服务部将能通过拨号网与钻车故障报告或用户端连接而进行远程故障诊断。

(4)当然，在可预见的一段时间内，凿岩钻车的自动化还不能缺少人工干预与人机交互。

应用前景

我国是个多山的国家，基础设施建设工作量十分巨大，随着国民经济的不断发展，不论是铁路还是公路，为了提高运营质量，在越岭线路方案的选定上，都越来越多地选用长隧道方案。水利及市政输(引)水洞也越来越多地采用长隧道方案。可以设想，21世界我国隧洞工程必将越来越多。国产凿岩钻车将以成本低、凿岩速度快、动力消耗少、功效高等优点成为国内隧道凿岩的主要设备，并与国外产品一比高低。而且现代化机械设备替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业是必然趋势，因而隧道凿岩机器人必然具有广阔的市场前景。

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