噴射機械手智能控制系統與噴射路徑規劃設計研究

劉在政， 秦念穩， 鄒今檢， 李建華

(中國鐵建重工集團有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

目前國內大力開展鐵路、公路等基礎設施建設。根據規劃，到2020年全國鐵路運營里程將達到15萬km，其中的重點是擴大中西部路網規模[1]。中西部地區的隧道建設里程占比較大，其他如公路隧道、礦山巷道等修建規模亦十分可觀。結合《中國制造2025》[2]戰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，設備智能化開發的必要性和緊迫性不容忽視。可以預見，智能化隧道施工裝備在未來的國內市場大有可為。

在混凝土噴射領域，噴射工藝經歷了從干噴到濕噴、人工噴射到遙控機械手噴射的發展歷程，基本實現了機械化施工。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、事后檢測等傳統手段[3-4]，操作繁瑣，無法精確數據化。國外主要廠家(如瑞典Aliva,瑞士Meyco,芬蘭Normet)及國內廠家現有的濕噴機功能配置比較完善，但結構比較復雜，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，噴射質量參差不齊，噴射質量無法完全保證。國內一些關于自動噴射控制技術的研究主要是針對規則的墻體，編制PLC程序讓機械手遵循程序做固定的重復動作[8-9]，無法動態調節，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，實際應用價值不大。隨著混凝土噴射技術的不斷發展，人們越來越追求高效率、高質量和低勞動強度的噴射作業，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展方向。本文基于中國鐵建重工集團HPSZ2006型智能濕噴機，通過將機器人學、三維環境識別、測量學、運動控制等多學科技術應用到噴射機械手上，研發了噴射機械手智能控制系統。通過智能化控制使噴射機械手可以自適應不同尺寸的隧道輪廓，精確檢測待噴面的超欠挖情況，合理規劃噴射路徑，自動噴射混凝土，研究結果可為類似智能化控制系統的研究提供參考。

1 智能噴射控制系統組成

智能噴射控制系統由臺車定位系統、環境識別系統、路徑規劃系統以及運動控制系統組成。各系統各司其職、分工協作，共同實現了濕噴機在隧道中姿態與位置的定位、隧道復雜環境三維掃描、噴射機械手路徑規劃與運動控制等功能，最終實現混凝土噴射的智能化。智能噴射控制系統組成如圖1所示。

圖1 智能噴射控制系統組成

1.1 臺車定位系統

要實現智能化噴射作業，需要將濕噴機與所施工的隧道環境放到同一坐標系下。隧道由隧道設計線與設計輪廓線表示，包含了隧道在大地坐標系{A}下的地理信息。濕噴機自身設有基坐標系{B}，噴射機械手在空間中的位置與姿態以基坐標系{B}作為參考坐標系。定位的目的就是讓大地坐標系{A}與濕噴機的基坐標系{B}產生關系，這個關系可以用2個坐標系的變換矩陣ATB表示。坐標系{B}經過一定的旋轉和位移可以變換為坐標系{A}，即坐標系{B}中的點BP可以轉換為坐標系{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。在濕噴機上設置2個固定點P1和P2，其在濕噴機基坐標系{B}中的坐標BP1(X1，Y1，Z1)與BP2(X2，Y2，Z2)已知。另外，濕噴機裝有測量車身姿態的雙軸傾斜儀，可測量前向傾斜角度β′與橫向傾斜角度α′，分別反映了基坐標系{B}相對于大地水平面繞Y軸與X軸的旋轉情況。全站儀首先使用隧道內2個大地坐標系已知點采用后方交會的方式設站。設站完成后，全站儀測量得到的坐標為在大地坐標系下的坐標，所以可使用全站儀測量車身固定點P1與P2在大地坐標系{A}下的坐標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可轉化到隧道大地坐標系中表示。則隧道設計線、設計輪廓線以及隧道實際輪廓線都與機械手在同一坐標系下表示。

圖2 全站儀定位示意圖

1.2 環境識別系統

要實現智能化噴射作業，濕噴機需要知道所施工隧道待噴面各處的詳細位置信息。首先，采用三維激光掃描儀作為環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系{B}下的點云數據；然后，通過定位結果轉到大地坐標系{A}下，建立待噴面數學模型，作為規劃噴射機械手運動路徑的空間信息；最后，對點云數據進行切片處理，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計輪廓線(如圖4所示)，獲取待噴面各處準確詳細的超欠挖數據，由此計算各處需要噴射的混凝土方量，用以調節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 路徑規劃系統

路徑規劃針對的是噴射機械手，準確計算噴射機械手自身在空間中的位置與姿態是路徑規劃的前提條件，所以需要建立噴射機械手數學模型。本文的研究對象HPSZ2006型濕噴機的機械手結構如圖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、臂架垂直回轉、一臂俯仰、二臂俯仰、三臂水平回轉、三臂垂直回轉、三臂伸縮、噴頭水平回轉、噴頭垂直回轉。

利用D-H方法建立機械手數學模型，建立機械手9個關節的坐標系，如圖6所示。各坐標系D-H參數見表1。數學模型建立的具體步驟為：

1)帶入機械手設計參數，建立理想模型；

2)完成實際裝配機械手的參數標定，得到誤差補償模型；

3)測定機械手撓度，得到最終可實際應用的撓度補償模型。

機械手的加工與裝配誤差在標定模型參數時需要測量準確，各種姿態要試驗充分。另外，機械手撓度也是一項不容忽視的重要參數。

圖5 HPSZ2006型噴射機械手結構示意圖

圖6 HPSZ2006型噴射機械手理想模型

坐標系 αi-1ai-1θidi關節變量初始值范圍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，也稱關節扭轉；ai-1表示每一條2個相鄰z軸的公垂線的長度，也稱關節偏移；θi表示繞z軸的旋轉角；di表示在z軸上2條相鄰公垂線之間的距離。

有了精確的數學模型，機械手在空間中的位置與姿態可通過正運動學精確計算。逆運動學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位置與姿態的關節值，帶入正運動學進行位置與姿態糾偏，再通過二次迭代求解，得到修正的目標關節值。

噴射機械手的路徑規劃其實就是規劃機械手噴頭噴射時在隧道空間中的位置與姿態，即構建目標位姿。目標位姿的構建應由噴射工藝、隧道空間環境、混凝土噴射特性等因素決定。

1.4 運動控制系統

智能噴射控制系統模塊如圖7所示。臺車定位系統、環境識別系統、路徑規劃系統處在第2層，運動控制系統處在第1層，主要對象是PLC與電液比例閥組。

圖7 智能噴射控制系統模塊圖

要使各關節動作平穩、可靠且控制精確，需要進行液壓系統特性測試分析，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如圖8所示。本系統主要采用了比例微分PI控制，通過控制油缸行程L(t)間接控制關節轉動角度θ(t)。

圖8 閉環運動控制

2 路徑規劃引入因素分析

2.1 路徑規劃

噴頭目標位姿的構建由噴射工藝、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，為完成預定目標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運動路徑。高度非線性和強耦合性是機械手路徑規劃最典型的特征[10]。

參照人工噴射經驗可知，噴射順序總體上設計為從兩側邊墻底部開始，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，這是構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節都保持不變。噴頭駐足點如圖10所示。由此可以看出，機械手路徑規劃從噴頭末端位姿的構建進一步體現在了噴頭駐足點的規劃上。

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 規劃駐足點因素分析

影響混凝土噴射質量的主要因素有：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，加上噴射風壓，會使回彈率增加，造成噴射質量下降，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聯，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中噴頭與受噴面垂直時噴射質量最好。非垂直噴射易形成波浪紋，回彈率增加，黏附性降低。隧道的設計輪廓線一般由圓弧段與直線段構成，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據進行分塊擬合待噴面，擬合結果用來調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。

3)噴射順序。從兩側邊墻底部開始噴射，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。規劃噴頭駐足點也應按照此順序進行。

4)噴頭移動路線。HPSZ2006型濕噴機機械手噴頭帶有刷動機構，可使噴頭繞著噴頭靜態時軸線做正向或反向的圓周運動。噴射時，結合機械手三臂往返伸縮實現螺旋式噴射，擴大噴射覆蓋范圍，可以有效提高噴射質量與噴射效率。

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，稱為噴射發散角。噴射發散角影響混凝土在受噴面的分布。噴射距離越遠，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域即為噴射重疊區。

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。隧道兩側邊墻底部的第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。隧道底板的坐標由三維激光掃描儀得到的點云數據獲取。

Z1=f(Pn(Z)，h)。

(4)

Zn=f(Zn-1，b，γ，δ)。

(5)

2)計算駐足點Y坐標。因隧道實際輪廓各部分的坐標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Y。

Yn=f(Pn(Y)，c×cosγ)。

(6)

3)計算駐足點X坐標。駐足點的X坐標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Pn(Xn，Yn，Zn)，完成噴頭目標位姿中的位置構建。在噴頭駐足點目標位姿構建完成后，帶入機械手逆運動學算法求解出機械手在各駐足點處9個關節的目標值。機械手各關節運動至目標位置，三臂開始往復伸縮控制噴頭前后移動噴射待噴面，并根據待噴面需要的噴射方量調節伸縮速度、泵送流量和伸縮次數。

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，對不達標的區域進行補噴，重復掃描、補噴直至合格。

2.4 機械手在駐足點之間的運動優化

路徑規劃傳統算法(包括拓撲法、格柵法、可視圖法、人工勢場法)因環境的復雜性不能滿足噴射機械手的需求，可以從智能方法(包括神經網絡法、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雜環境中應用的算法。2.2節規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是從機械手初始位置出發，按順序逐一運動至規劃的駐足點完成噴射，再回到初始位置。噴射過程中未出現漏噴、少噴、多噴的現象，安全無碰撞，路徑相對最短。其規劃是全局路徑規劃，需要選取一種全局最優的算法，同時適應機械手的高度非線性和強耦合性。

遺傳算法最早在20世紀60年代由美國Michigan大學的Holland教授提出，由Dejong、Goldberg等人通過歸納總結形成，是一種類模擬進化算法，它有以下特點：

1)基本思想簡單，搜索面積大，適合全局尋優；

2)對于復雜和非線性問題具有良好的適應性；

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雜隧道環境中尋求全局最優的路徑規劃來說非常適合[12]。因此，根據各算法的優缺點以及噴射機械手在復雜隧道環境中的規劃要求，本研究選用遺傳算法作為求解全局最優路徑的工具。

3 結論與討論

本文通過建立濕噴機機械手數學模型，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據，提出了一種結合混凝土噴射特性規劃噴頭駐足點實現智能噴射的方法。

1)智能化噴射控制系統可實現智能化噴射作業。噴射施工由濕噴機自主完成，可減少現場作業人員的數量與作業人員的勞動強度；噴射質量不再依賴施工人員的技術水平，由智能噴射控制系統自主保證。

2)與傳統噴射技術相比，智能噴射技術可以對待噴隧道進行環境識別，并根據識別結果自適應地規劃噴射路徑，在自動噴射過程中根據不同區域的超欠挖情況動態控制噴射參量。

在神東集團神木市大柳塔煤礦的工業性試驗施工中，驗證了智能化噴射系統的可行性，但是在噴射平整度方面需要進一步優化，消除駐足點方向上呈現出的中間厚、兩邊薄的問題。優化此問題需要更精確地計算混凝土噴射后的發散情況，同時，在泵送系統方面需要開發出更加精細穩定的泵送流量控制方法，提高泵送流量調節的響應速度及泵送連續性，并消除吸空率。