摘要：PJR - Z 型噴漿機器人是一種噴射混凝土的新型專用設備。介紹了其整體結構、動作原理， 闡述了機器人液壓系統和電控系統的總體設計方案以及可靠性設計。實踐證明， PJR- Z 型噴漿機器人噴射均勻， 回彈和粉塵大大減少。具有很高的可靠性和穩定性， 實用性強， 完全滿足混凝土噴射工藝要求。
關鍵詞：噴漿；機器人；設計；可靠性
中圖分類號：TH137文獻標識碼:A

國外從20 世紀60 年代初開始采用機械手噴漿。我國從60 年代中后期起， 有不少單位研制噴漿機械手[ 1， 2 ]。但由于種種原因， 雖經過20 多年的努力， 也未形成過關的產品。存在的主要問題是，結構不合理、自動化水平低和可靠性差， 其主要表現為操作復雜、動作不適應地下工程的惡劣環境。現國內采用的噴漿機械手全是進口的， 價格比較高， 且維修和配件供應困難。

1噴漿作業原則及其對噴漿機器人的要求

噴漿分為干噴和濕噴。干噴是將干的水泥、砂子、石子和速凝劑粉按一定比例送到轉子式攪拌機(俗稱噴漿機) 內攪拌， 在攪拌機出料口被高壓風吹到送料管內， 送料管出口裝著噴槍(也稱噴嘴) ， 噴槍的入口處設有環形噴水器， 能連續向槍內噴水。水與混凝土就在這1 m 左右的運動中混合， 大部分變成混凝土漿。靠著高壓風賦予的沖擊力， 混凝土撞到受噴面上后， 一部分粘著在受噴面上， 一部分又彈落回來， 回彈量的多少(即回彈率)主要和噴槍與受噴面之間的角度及距離有關。濕噴是將加水攪拌好的混凝土借助高壓風的力量通過送料管送入噴槍噴射到受噴面上。濕噴的原理有幾種， 有的是靠混凝土泵將漿送至噴槍入口， 有的是靠濕式噴漿機(轉子式濕式攪拌機) 和高壓風將漿送至噴槍入口。噴漿的最佳工藝原則是噴槍始終與受噴面保持垂直、噴槍口至受噴面的距離為1 m 左右， 在此工況下， 最有利于減少回彈。國內廣泛采用的干噴法存在的三大技術難題(粉塵、回彈、混凝土品質不穩定) 長期以來困擾著人們。國內外的施工實踐證明， 實現濕噴是解決這三大難題的根本途徑。由于濕噴時整個料管充滿混凝土， 人很難抱得動噴槍， 所以需要機器人和機械手。從發展趨勢看， 使用噴漿機器人將是大勢所趨。

2機器人的總體設計

機器人本體的設計原則是機器人應盡可能好地滿足噴漿工藝和作業環境的要求。

PJR- Z 型噴漿機器人(噴射高度可達10 m )是在國家863 計劃項目“噴漿機器人產品樣機”研究成果的基礎上開發出來的， 其結構原理見圖1。它由機械手、液壓系統、控制系統、操作器等組成。該機器人有6 個自由度， 即大臂俯仰、小臂擺動、水平伸縮臂縱向進給、手腕轉動、噴槍擺動和噴槍轉動。動作原理與結構特點如下：①大臂1 在油缸2 驅動下做俯仰運動；②小臂3 做水平擺動， 由于小臂采用四連桿機構， 故擺動時其末端做平動運動， 從而使得固定于其末端的水平伸縮臂4 與受噴面的相對距離和姿態不變；③水平伸縮臂4 能在與隧道軸線平行的方向進給， 使得噴槍做水平移動并保持姿態不變；④手腕5 可完成噴槍沿拱部劃弧， 同時保證噴槍與受噴面垂直；⑤油缸6 可調整噴槍的姿態， 從而在遇到大凹坑時， 仍能調整噴槍與受噴面垂直；⑥借助于噴槍劃圓機構7， 可使噴槍沿錐面運動， 從而使噴槍口劃出一個360°的連續圓。

1. 大臂四連桿2. 大臂油缸3. 小臂四連桿4. 水平伸縮臂
5. 手腕轉動機構6. 噴槍調姿油缸7. 噴槍劃圓機構8.
噴嘴9. 送料管10. 水平伸縮臂油缸11. 小臂油缸
圖1PJR- Z 噴漿機器人結構原理圖

圖1 所示的6 自由度噴漿機器人可根據現場需要或安裝于汽車上， 或安裝在有軌底盤車上。該機器人既可與濕噴機相配套， 也可與干噴機相配套。依靠這6 個自由度， 可以實現噴槍作業所需的任何運動軌跡。現以典型的噴漿作業過程為例簡述之。底盤車一般不在隧道中央， 因此只能依靠小臂擺動把小臂末端擺至隧道的縱向對稱面上；為減少回彈， 噴漿是由下而上進行的， 故開始時， 小臂末端位于對稱面的最下方， 使得噴槍口至受噴面的距離1 m 左右， 這就做好了作業準備。噴漿開始后， 噴槍即轉動， 噴槍口劃著圓圈， 噴射物在受噴面上劃出一串螺旋線， 形成一條20 cm 寬的噴射帶；機器人水平伸縮臂在水平方向上一邊伸縮， 噴槍一邊劃著圓圈， 當移至設定距離后， 靠大臂的仰起動作抬高20 cm ， 如此依次往復， 直至噴到邦與拱的交界線處；此后， 小臂末端一直處于拱部圓弧面的中心線上， 依靠槍轉動一個設定的角度和機器人底盤車在隧道的平移， 噴槍口在劃圓的過程中也在拱部受噴面上形成20 cm 寬的噴射帶并與邦的噴射帶緊密相接；噴拱部的過程與邦類似， 依次進行， 直至拱頂。

到達拱頂后， 或返回至起始位置進行第二次噴射， 或轉至對面的邦底(與前述過程類似) 對另半面進行噴漿。

2. 1機器人液壓系統總體設計

由于液壓驅動具有功率重量比大、力矩慣量比大、易實現直線驅動和直接驅動、易于實現防爆等優點， 因此被廣泛應用在慣量大、承載重量大、需要防爆的工作場合所。根據噴漿的環境， 并從技術、經濟、體積、適應性、防爆性等方面綜合考慮，噴漿機器人選用了液壓驅動系統[ 3 ]。在設計噴漿機器人的結構時， 針對噴漿作業的特點、控制系統及操作過程的要求， 把噴漿機器人的大臂和小臂設計成一種多重四連桿機構。

液壓驅動系統的動作原理如下：大臂油缸2驅動大臂四連桿1 實現上下升降運動；小臂油缸11 驅動小臂四連桿3 在水平面內擺動， 用以調整噴槍口相對壁面的距離；水平伸縮臂油缸10 驅動水平伸縮臂4 縱向進給；噴槍調姿油缸6 驅動噴槍頭8 做±45°的調姿擺動。由工作參數作受力分析及求解， 求得系統最高壓力為16M Pa。

液壓系統的工作控制方式有全自動方式與主從方式兩種。在全自動方式時， 液壓系統在計算機的控制下， 根據工作面的幾何尺寸， 按照設定的程序及噴漿工藝過程， 可自動順序完成各操作動作;在主從方式時， 液壓系統按照操作器發出的信號，可任意完成各動作的人工操作[ 4 ]。

2. 2機器人電控系統的總體設計

電控系統設計的指導思想是盡量采用先進技術和元器件， 以確保系統惡劣環境下的高可靠性和操作的簡易性與直觀性；控制系統盡可能模塊化、標準化， 以利于規范化、系列化生產。PJR - Z型噴漿機器人采用將全自動控制與主從遙控融為一體的控制方案， 且兩種控制方式可以隨意互相平滑地轉換， 也能夠根據用戶要求只保留一種控制方式(為簡化系統) ， 方便地滿足各類用戶的需求。

在示教再現的自動軌跡控制方式下， 機器人能按照人事先教給它的運動軌跡和姿態自動地進行作業， 無需人工操作。本機器人示教的方式有兩種， 一種是軌跡示教方式， 另一種是特征點示教方式。操作者可根據隧道斷面情況選擇示教方式。在遙控主從控制方式下， 借助于15～ 20 m 長的電纜， 通過遙控器對機器人進行操作， 遙控器可看作機器人的主手， 機器人的手臂則看作從手， 從手則按照主手發出的指令， 亦步亦趨地跟隨主手動作，很直觀。特別是通過對軟硬件的精心設計， 兩種控制可在軌跡的任一點隨意轉換， 并能保持運動軌跡的平滑連續。

控制系統的設計主要包括計算機系統、伺服放大器、電源、操作器、系統抗惡劣環境等方面。計算機控制系統采用二級分布式控制， 即由規劃級(上位機)、CAN 總線和直接控制級(多個下位機) 組成分布式控制系統， 見圖2。

規劃級的任務是接收示教盒發出的示教數據和控制指令， 接收直接控制級的各種信息， 進行工作環境的識別， 從而完成運動軌跡的規劃和生成運動軌跡的控制指令， 指示控制級完成指令規定的運動。

直接控制級是直接面對被控對象的， 噴漿機器人共有6 個自由度， 每個自由度都有自己的相對獨立的控制器。它由控制器、功率放大器、I/O驅動電路組成。其任務是接收規劃級發來的指令，完成規劃級規定的運動控制；接收相關自由度的傳感器信息并進行預處理， 然后送規劃級， 以便進行下一輪的運動軌跡規劃；完成對控制器、伺服放大器等的故障診斷， 并把診斷結果送規劃級， 以便做出相應處理。

控制器是伺服控制系統的關鍵部件， 其核心由In tel80c196KC 單片微機系統及CAN 控制器構成。為了滿足控制性和可靠性的要求， CAN 控制器與其接口之間采用了隔離措施， 反饋元件選用了高可靠性、高精度和長壽命的旋轉變壓器及數字轉換器XSZ。控制器的控制量輸出采用精度高的高速輸出HSO 來獲得PWM 輸出， 經光電隔離后， 再經有源濾波器獲得直流控制電壓送往伺服放大器。

2. 3惡劣環境下的可靠性設計

可靠性問題是工程化機器人的最關鍵問題之一， 也是我國機器人產品普遍存在的弱點和難點，惡劣環境下的機器人可靠性問題則更難[ 5 ]。就整機而言， 最易出問題的是電控系統， 其次是液壓系統。

2. 3. 1電控系統的可靠性設計

為了獲得噴漿機器人的高可靠性， 采用了高可靠的元器件、容錯技術、三防技術、電磁兼容技術、抗干擾技術和防爆技術。

(1) 為了解決控制系統的可靠性問題， 對規劃級和控制級分別作了冗余配置， 實現了容錯設計，它們的結構示意圖見圖3 和圖4。

(2) 為解決電磁兼容性、散熱與冷卻、防潮、防蝕、防霉變和抗振等， 考慮到本機器人的工作環境與野戰設備相近， 故完全按軍用計算機加固技術進行了加固。所以， 該電控系統實為加固計算機控制系統。
(3) 為提高電路本身可靠性， 單片微機與I/O通道均采用了嚴格的隔離措施， 對模擬量和開關量均實行隔離， 在輸入通道中采用雙線采樣、差動輸入、線性隔離和有源濾波等；對電源， 采用變壓器隔離， 干擾抑制器濾波等。
(4) 防爆方面， 本系統設計成隔爆兼本安型，并取得了國家級防爆檢驗合格證。

2. 3. 2液壓系統的可靠性設計

液壓系統中最易出問題的是電液比例閥， 為了提高液壓系統的可靠性， 一是精心設計， 為了防爆和保護惡劣環境中的比例閥及各種電磁閥， 對油路采用集成化設計， 將所有閥集中設計在同一配流塊的同一面上， 而后將該面設計為防爆箱的一面， 使所有閥均處于防爆箱內， 達到既防爆又防護的雙重效果， 十分經濟、合理；二是注重整體質量， 對任何一個局部都十分重視， 防止出現某個元件、甚至一個管接頭影響全局的情況。

參考文獻:
[ 1 ]王煥文， 王繼良. 錨噴支護. 北京：煤炭工業出版社，1989
[ 2 ]李云江， 樊炳輝， 江浩， 等. 噴漿機器人的設計與實現. 機械科學與技術， 2001， 20 (2) ：189～ 190
[ 3 ]劉長年. 液壓伺服系統的分析與設計. 北京：科學出版社， 1985
[ 4 ]李云江， 榮學文， 樊炳輝， 等. 大型隧道噴漿機器人液壓系統設計. 中國機械工程， 2001， 12 (7) ：735～737
[ 5 ]蘇學成， 樊炳輝， 李貽斌， 等. 試論煤礦機器人的研究與開發. 機器人， 1995， 17 (2) ：123～ 127

作者簡介：李云江， 男， 1966 年生。山東科技大學(濟南市250031) 機器人研究中心副教授。主要研究方向為特種機器人。獲國家科技進步二等獎1 項、山東省科技進步一等獎1 項。出版專著2 部， 發表論文40 余篇。
榮學文， 男， 1973 年生。山東科技大學機器人研究中心工程師。
樊炳輝， 男， 1958 年生。山東科技大學機器人研究中心教授。
江浩， 男， 1959 年生。山東科技大學機器人研究中心高級工程師。