智能破拆機器人關鍵技術研究

摘要：綜述國內外液壓破拆機器人研究現狀，總結了主流破拆機器人性能指標及技術特點。分析了國內智能破拆機器人的發展優勢及彎道超車的方向，提出了破拆機器人智能化、多功能化的發展趨勢。

關鍵詞：破拆機器人；液壓系統；研究現狀；智能化

0" "引言

智能破拆機器人是一種被廣泛應用于城市建筑拆除、隧道施工、水泥工業、核工業以及應急救援的智能遙控工業機器人。其糅合了多種技術學科，如機械設計與制造、液壓技術、信號與處理、自動控制等，具有無線與有線遙控操作、安全可靠、噪聲小、振動低、粉塵少、無廢氣、工作效率高、經濟實用、使用靈活等特點[1]。我國社會經濟高速發展，高危場所中破拆、搬運和救援作業的情況大幅增加，智能拆除機器人的特點決定了其將成為上述特殊工況下作業的最佳選擇。

1" "國外破拆機器人發展現狀

20世紀70年代，世界上第一臺遙控破拆機器人誕生，進而引起了極端工況下破拆方式的巨大變革。它的創造者瑞典的布魯克（Brokk）也更是成為目前破拆機器人行業的引導者，經過隨后近50年的研究歷程，拆除機器人行業發展迅猛，并被廣泛應用于各個領域。目前在國外，部分狹小空間和極端條件工程施工中的破拆作業已完全通過破拆機器人完成。

目前，除布魯克公司外，國外智能破拆機器人行業翹楚還有德國的TopTec、瑞典富世華、日本的TMSUK、芬蘭的AVANT等公司[2]。

1.1" " Brokk 系列拆除機器人

Brokk機器人系列現有Brokk60Ⅱ、Brokk70、Brokk110、Brokk120DⅡ、Brokk200、Brokk300、Brokk500、Brokk520D、Brokk900等9種在售型號。部分拆除機器人性能參數見表1。

Brokk60Ⅱ（見圖1），作為世界上最小的遙控拆除機器人，其體型決定了它的特殊用途，可以攀爬樓梯、乘坐電梯，并且其作業效率遠超人工，可以在狹小空間內實現安全、高效拆除工作，廣泛應用于樓層的拆除作業。

Brokk900（見圖2）是Brokk破拆機器人家族中破碎能力最強的機型，在重型拆除和隧道行業開啟了一個全新的應用領域。它可以攜帶1.5t的工具頭，破碎錘沖擊力可達3050J，配備了Smart Power智能動力系統，性能得到優化，能更加穩定地長時間運行。

1.2" " TopTec系列拆除機器人

德國TopTec公司目前擁有破拆機器人系列產品，包括TopTec1500E、TopTec1850E、TopTec2500E、TopTec4500E/D、TopTec5500E/D、TopTec6500 E/D、TopTec7500E/D，TopTec系列產品主要應用在鋼鐵、水泥和核工業。其中TopTec7500 E/D是目前TopTec系列拆除機器人的最新產品（見圖3）。為了能夠適應任何合適的工作位置，TopTec7500D/E所有支撐腿都可以單獨，垂直或水平運行。液壓履帶調整和完全冗余作為標準設備，包含在TopTec7500D/E中。

1.3" " AVANT系列拆除機器人

AVANT是一家主要從事農業生產機械的國外企業，近年來，為擴大其業務范圍對FINMAC公司進行了收購。AVANT ROBOT185是AVANT公司在FINMAC F16（見圖4）的基礎上研發生產的破拆機器人，并將其主要應用于建筑拆遷工作[3]。

1.4" " 國外其他相關機構的研究

圖5為瑞典Husqvarna（富世華）公司2009年在上海展出的其旗下遙控破拆機器人DXR310，在一些狹窄的特殊場合中，DXR310拆除機器人工作表現良好，得到了業內一致好評。除此之外，Husqvarna還研發生產了DXR系列破拆機器人DXR140、DXR250、DXR270、DXR300、DXR315等[4]。

TMSUK是日本最早從事破拆機器人的公司，T52 Enryu（圖6）為1994年TMSUK公司設計的一款破拆機器人，T52 Enryu憑借其特殊結構設計使得它能夠舉起近1t的物體，并且可以近乎完成所有所需動作[5]，因此T52 Enryu也被冠以了“超級救援機器人”。

2" "國內拆除機器人發展現狀

我國拆除機器人是由上世紀末開始引進的，1993年，中國企業為提高水泥行業的回轉窯維修效率，引進了國內第一臺破拆機器人，極大提高了拆除效率，從而引起了國內相關企業的重視。2003年，第一臺布魯克公司的Brokk90型拆除機器人被引進國內，并開啟了國內冶金行業轉爐打渣的新時代[6]。

近幾年，隨著市場對拆除機器人需求量的增加以及為了打破國外的壟斷，我國陸續出現了一批具備核心競爭力的相關產品，其中具代表性的有驚天智能裝備研發生產的GTC系列破拆機器人、詹陽動力重工研發生產JY903-C型破拆機器人，以及宣化鼎信礦冶機械研發生產的 DXCC 系列多功能拆除機器人[7]。

2.1" " GTC系列拆除機器人

驚天智能 GTC 系列拆除機器人是一種用于特殊工況下代替人工的精細化施工產品，能夠極大提高工作效率、降低施工事故。 整機具有大功率、靈活性強、操控性好、智能化程度高等特點，部分產品更是遠銷國外。GTC系列代表產品有GTC30（見圖7）、GTC120-C（見圖8），作為GTC系列中拆除能力最強的拆除機器人，GTC120-C在尺寸、工作范圍及功率上已經接近Brokk900[8-13]。GTC系列主要產品性能參數見表2。

2.2" " DXCC系列拆除機器人

DXCC650型多功能拆除機器人（見圖9）應用領域廣，適應性能強。DXCC650型拆除機器人采用電液比例驅動，環保性好；低重心設計安全性高。

2.3" " JY903-C型拆除機器人

詹陽動力重工生產JY903-C型拆除機器人（見圖10）可用于各種應急救援作業、城市建筑拆除、隧道作業施工等，其具有機身小巧、靈活、作業環保等優點。該產品動力采用電動機驅動，液壓系統選擇負載敏感控制系統，遙控操作，安全高效。

2.4" " 國內其他相關機構的研究

除上述驚天智能GTC系列和宣化鼎信DXCC拆除機器人之外，國內還有眾多廠商進行了相關研究，如徐工、三一重工以及山河智能等公司生產的智能遙控破拆機器人。

ET110型步履式遙控挖掘機（見圖11）是徐工集團生產的一款應對復雜工況的全地形挖掘機械，其行駛裝置采用了輪式與步履相結合的復合型底盤，針對不同工況選擇全輪驅動或步履行進，從而保證其進行全地形通過、作業[14]。

XE15R型挖掘機（見圖12）是徐工集團研發的首款真正意義上的智能遙控挖掘機，采用了無駕駛室設計，XE15R型挖掘機得研發生產，也標志著徐工集團在智能化挖掘機研究方面邁入了一個嶄新的階段。

HCR70D型多功能工程機器人（見圖13）是安徽恒創自主研發的一種電機驅動的破拆機器人，主要應用在應急救援、城市建筑拆除、冶金爐窯維修打渣、鑄造廠拆包等。

中信集團研發消防破拆機器人（見圖14），采用柴油驅動，行走和消防作業采用液壓控制，具有實用性強、結構緊湊、勞動強度低、質量輕的優勢，故其可在狹窄范圍內作業[15]。

3" "智能破拆機器人關鍵技術與系統

智能破拆機器人是一種智能遙控的大功率工業機器人，它集機械仿生技術、電子通訊技術、傳感器技術以及液壓傳動技術于一體。破拆機器人技術是傳統工程技術與工業機器人技術的深度結合，將作業機器人推向了動力學領域的研究，其關鍵技術主要體現在以下幾個方面。

3.1" " 行走裝置

3.1.1" "輪胎式行走裝置

輪胎式行走裝置具有操作便捷、結構簡單、行走速度快，并且使用輪胎式行走裝置能夠直接通過鋪裝路面快速到達施工場地。其缺點是承載能力低、通過性差、并且容易打滑。

3.1.2" "履帶式行走裝置

履帶式行走裝置有精確可靠的制動動能，并且具有最大30°的爬坡能力。在市區作業時，采用橡膠式的履帶可極大的降低工作噪音。

3.2" " 高效破拆機構

破拆機器人工作時工況復雜，多功能的液壓屬具將使破拆工作更為高效、經濟、環保，現如今的高效破拆機構可分為錘擊式、剪切式等。

3.2.1" "三節臂設計

傳統的工程機械往往采用兩節臂設計，在一定程度上限制了施工工作的范圍；多關節的機械臂是近年來在工程機械領域研究并逐漸應用的一項新技術，通過這項技術可以使的工程機械的工作臂控制角度更大，活動的范圍更廣，從而大大提高了破拆機器人適應多種工況的能力。

3.2.2" "錘擊式工具頭

液壓破碎錘作為一種新型液壓屬具，被廣泛的應用在應急救援、礦產開采、建筑破拆、隧道施工等作業中，并且在使用中對工程項目取得了顯著的社會經濟效益[16-24]。

壓力反饋液壓錘是一種新型的液壓破碎錘，相較于目前國內外大范圍使用的行程反饋式液壓錘，其優勢在于能夠實現沖擊能與沖擊頻率進行獨立的無級調節，從而增加液壓沖擊器對工作對象的適應能力。

3.2.3" "剪切式工具頭

為滿足特殊工況下剪切作業的需求，Sullivan等人[25] 對液壓救援剪進行了深入的研究，并嘗試運用了十連桿拓撲結構；在國內，Zhang等人[26]與Zang等人[27]對一種具有起縫并將其擴張的救援屬具進行了研制，其工作原理是將工具頭的前端伸入縫隙之中，通過擴張使縫隙變大，從而進行救援作業。

3.3" " 液壓驅動技術

對于液壓破拆機器人，其行走裝置、回轉裝置以及工作臂液壓油缸的伸縮、工具頭的工作等，都依靠于液壓驅動，調節泵、閥門以及各執行機構，組成破拆機器人液壓系統的控制組件。大量的控制組件的相互配合是液壓驅動技術實現的基礎，這也決定了多種設備屬性在一個環境中進行整合并形成了液壓驅動系統。

4" "破拆機器人技術發展趨勢

融合多種學科，并集機、電、液于一體的智能破拆機器人，有機結合了現代機器人技術與傳統工程技術。過去針對破拆機器人的研究，主要集中在節能、省力、安全以及其工作裝置的設計分析上。隨著市場的需求以及工程裝備的智能化趨勢變化，要求裝備能夠自動運轉、自主工作，未來破拆機器人將朝著智能化、多功能化發展。

4.1" " 智能運動控制及導航

智能運動控制能夠有效的提高破拆機器人的運動控制精度以及作業完成的可靠性，關于破拆機器人的智能導航，是系統在一定的約束條件下，對自身繪制的周圍地圖進行計算分析，從而得到一條能夠完成目標任務的最優路徑。

智能運動控制和導航技術能夠，使破拆機器人極大地降低其對人員操作的依賴，從而實現自主、精準、智能的運動，是破拆機器人的共性技術之一。5G通訊技術是一種具有高速率、云智能、低時延和大連接特性的新一代移動通信技術，基于5G技術的數據收集、存儲、處理、連接等優勢，在不久的將來會給智能破拆機器人技術帶來巨大的革命[28]。

4.2" " 多功能作業快換平臺

隨著拆除機器人技術的發展，對拆除機器人的靈活性以及通用性提出了更高的要求。液壓快捷手腕具有較高的技術含量，集機電液技術于一體，具有安全、快捷的優點，施工人員可以在遠處通過遙控快速完成液壓屬具更換操作。液壓快捷手腕的出現使智能拆除機器人更具智能無人化，應用前景廣闊[29-30]。

4.3" " 軌跡規劃

通過建立運動學坐標系對拆除機器人進行運動學分析，從而得到拆除機器人各個部件的運動情況，輔助以即時定位與地圖構建，可實現指定的作業目標下機械臂助運動功能，提高拆除機器人工作精度以及智能化[31-33]。

4.4" " 集群控制

在通常的應急救援工作中，破拆機器人不是單獨進行工作的，往往和遙控鏟運機、遙控挖掘機器人、遙控推土機等進行協同作業。以工程數字化為基礎，通過對施工設備的同步協調、智能調度，以達到最佳的工作效率，實現最優工作質量[34-36]。在智能破拆機器人的基礎上，還要對機器人遙控系統和群控技術進行研究。

5" "結語

智能破拆機器人是指一款專門在特定工況下研制和使用的工業機器人，與傳統的工程機械在在使用工況、產品構造、作業方式等各方面有著較大的差異。目前來看，智能破拆機器人在國內市場才剛興起，很多企業就對這種產品躍躍欲試，已研發并制造了自己的相應產品。

目前國內的破拆機器人和國外產品尚有一定的差距，在液壓系統可靠性、控制系統的精確性、作業屬具的轉換能力與通用性等方面仍有些欠缺。國內的破拆機器人相關機構應把握“中國制造2025”的重大發展契機，對破拆機器人的高端化、智能化和低碳化等方面進行突破。

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