隧道鑿岩機器人

1、大幅度地提高爆破後斷面的精確度；

2、可以有效地減少超挖(大於設計斷面)和欠挖(小於設計斷面)，比常規台車可減少5%～15% 的超挖量，僅此一項，因襯砌材料和石碴運輸量減少 帶來的經濟效益就十分可觀；

3、減少鑽孔時的移位輔助時間，可提高工效四 分之一左右；

4、實現孔底共面控制，爆破效率可提高5%以 上：

5、大幅度地降低隧道開挖成本。 ^[1] 

整機由液壓鑿岩機、鏈式推進器、寅接定位式鑽臂(具有無誤差的液壓平移機構)、直角定位式輔助臂、伸縮式門架、行走輪系、穩車支腿、液壓系統、電 纜捲筒、動力箱、可升降的司機室以及高壓沖洗水、 潤滑劑、補油箱組成的台車本體，與由操作單元、傳感器組、控制器(由上、下位機構成兩級控制結構)、 監示報警單元組成的控制系統構成。另外，為保證台車的正常使用與維修方便，配備了一個具有基本工具與維修包的移動式維修間。 ^[1] 

採用隧道鑿岩機器人鑽鑿隧道的基本工作過程如下：

(1)、隧道斷面輪廓與布孔設計：在隧道鑿岩機器人開 始鑽鑿隧道之前，先在辦公室進行鑽孔方案設計，設計隧 道斷面的輪廓、各炮孔的位置、方向角度、大小、深度及在 斷面的分佈形式，同時還可以對各炮孔鑽鑿的先後順序進 行靜態規劃。

(2)、虛擬現實：在完成鑽孔方案設計後，為了驗證鑽孔方案的可行性與可操作性，可在辦公室操縱操作手柄，通過動畫虛擬顯示鑽臂與鑿岩機的動作，驗證工作中是否會發生干涉。也可虛擬驗證自動作業過程孔序規劃的可行性，自動避碰的能力，以及鑽孔方案佈置中是否有盲區等，從而提高工作效率，降低作業成本。

(3)、車體定位：在開始鑽孔之前，必須先確定車體坐 標與隧道斷面座標的關係，即進行車體定位，求出車體座標到斷面座標的座標變換矩陣。車體定位後鑿岩機器人可以以電腦導向、自動移位、 自動鑿巖等三種方式工作。

(4)、電腦導向：導向移位時，通過手動操作移動鑽臂，顯示屏上顯示釺杆的位姿與移動過程，並顯示鑽孔方案中各孔在隧道斷面上的位姿，對鑽臂的移動進行跟蹤。

(5)、自動移位：上位機按照靜態規劃的順序從鑽孔方案文件中依次讀取當前孔的參數，求鑽臂各關節的運動學反解，下位機根據目標參數計算各液壓 執行機構的控制量，並控制比例閥的開度及各電磁閥的通與斷，進行自動移位．顯示屏上顯示釺杆的位姿 與移動過程，對鑽臂的移動進行跟蹤。

(6)、自動鑿巖：上位機根據鑿巖開始時釺杆的實際姿態角度，按照炮孔共底面要求，計算釺杆實際要求鑽鑿的目標鑽孔深度．下位機根據目標鑽孔深度，控制比例減壓的開度及各釺杆的推進、旋轉及衝擊的重衝與輕衝。鑿巖過程中出現轉釺壓力高時，進行自動防卡釺處理。當鑽進深度達到要求的深度時，釺杆自動回退，釺杆回退到位後，鑿巖結束。上位機在顯示屏上顯示衝擊壓力、釺杆推進壓力、轉釺壓力、鑽進深度等參數，對鑿巖過程進行跟蹤。

(7)、孔序動態規劃：在雙臂同時工作時，兩臂分別按各自的孔序工作，但是由於工作故障、岩石堅固程度、孔的位姿、移位與鑽進的速度等因素的影響，兩臂的工作進度可能不同步，甚至可能出現相互干涉的情況，這時，上位機應及早作出判斷，及時對鑽孔任務與孔序進行動態調整，以做到兩臂不干涉，儘量使兩 臂同時結束斷面的鑿巖工作，充分利用兩臂的資源。

(8)、人工干預：當需要手工操作以提高進度時，或遇緊急情況或自動功能難以處理的情況時，需要進行人工干預。在自動移位或自動鑿巖過程中，檢測到手動優先開關信號後，暫停自動功能，轉入到人工干預狀態，實現電腦導向的功能，直到人工干預結束後，恢復自動作業狀態。

(9)、急停：當遇緊急情況，可能出現碰撞、或可能危及機器與周圍人員安全時，啓動急停功能，停止一 切動作排除故障後，而且所有開關恢復至初始化狀態後，可以解除急停狀態，開始新的工作。 ^[2] 

與國外的電腦導向台車相比，研發的隧道鑿岩機器人具有如下特點：

(1)、門架式結構適合我國鐵路隧道施工要求， 不產生煙霧污染，通風條件好；門架式結構中間可通過312型挖裝機進行裝碴。斷面爆破時台車可不退 出洞外或叉道，縮短輔助時間。

(2)、這種門架式結構可以伸縮，便於大件運輸， 運輸時工作臂與輔助臂和車架可以不拆卸，進行整 體運輸，避免運輸時液壓管路、電纜、控制線路的斷開。當然，對於特殊情況，也可以分體運輸。

(3)、具有我國鐵路隧道標準數據庫的斷面設計 (TucAD)系統。

(4)、採用具有電腦導向功能的雙三角結構工作臂。直角座標結構的工作臂由於其單缸運動控制簡單，進口的電腦導向台車大都採用這種結構。 由於雙三角結構的工作臂有其固有的優點，因此 本台車採用這種雙缸複合控制定位的結構驅動工作臂。

(5)、完全密封鎧裝的傳感器組件，不光進行了鎧裝，而且傳感原理也不相同，提高了電腦導向系統中傳感器的可靠性、可維護性與實用性。

(6)、整機的多種工作方式，保證了工作的可靠性。台車具有手動和電腦導向2種操作方式，電腦導向系統採用上、下位機結構。上位機完成任務分配、人機交互界面、圖形導引顯示功能；下位機 (PLc)實現傳感器信號的採集、運動軌跡的控制功能。還需實現工作臂移動時，預先給定孔序的單孔 自動定位與鑿巖時的單孔自動鑽孔

(7)、控制系統與台車本體的統一化設計，保證了控制系統的工作穩定性與可靠性。

(8)、具有機載控制器完全本土化的操作界面

(9)、有多重防油液污染的過濾保護裝置。 ^[1] 

實踐證明，如果鑽孔定位精確，在每一斷面循環中可以減少5%~10%的孔而實現同樣的爆破效果，而在隧道施工中的時間主要用在鑽孔和出渣上，其中鑽孔作業佔了施工的大半時間。因而精確的鑽孔定位將會帶來巨大的效率提高與經濟效益。而不精確的鑽孔定位，往往帶來超挖或欠挖現象，對於超挖，需要進行大量襯砌填補，對於欠挖,則需要進行二次爆破後再填補,而人們希望藉助鑿岩機器人來提高鑽鑿質量、鑽進速度、爆破效率和大幅度降低隧道開挖成本、改善勞動條件。

造成機器人運動誤差的因素主要有兩個： 首先是機器人動作的誤差分析的數學模型是否準確; 其次是實現這個數學模型的控制系統、驅動系統、檢測系統以及執行機構等的精度如何。

隨着機器人速度的提高，動力學因素對機器人性能的影響越來越大，高速時在慣性力的作用下，必將產生彈性變形和振動。目前通常採用的機器人數學模型都是假設構件為剛體、各運動副之間沒有間隙的理想模型，而在機器人實際作業中不可避免要產生誤差，而且實際構件不可能沒有彈性，因此機器人運動時在重力、慣性力和外力作用下肯定要發生彈性變形

從控制的角度看，由於機器人各關節的位置伺服系統都是採用電機軸(而不是關節軸) 上的位置檢測器構成位置反饋，實際上是一個半閉環位置伺服系統，故無法消除由機械傳動結構引起的位置誤差，必須實際計算出來，作為補償的基礎。 ^[3] 

隨着計算機技術性價比的提高，隨着電子與軟件技術在鑽車上的應用，自動功能將逐步應用於所有大小鑽車。控制系統有以下發展趨勢：

(1)即插即用化，當現場鑽車接上現 場網絡後，現場控制與管理系統即能收集 鑽車的工作數據與鑽車內部數據，鑽車電 可通過網絡下載新的工作任務與信息。

(2)智能化，隨着遙控操作技術、導航 技術、自動操作的發展，鑽車與現場數據交 換用户界面的標準化，鑿巖鑽車將是自動 化與智能化的機器。

(3)在線服務，技術服務部將能通過 撥號網與鑽車故障報告或用户端連接而進 行遠程故障診斷。

(4)當然，在可預見的一段時間內，鑿巖鑽車的自動化還不能缺少人工干預與人機交互。

我國是個多山的國家，基礎設施建設工作量十分巨大，隨着國民經濟的不斷髮 展，不論是鐵路還是公路，為了提高運營質量，在越嶺線路方案的選定上，都越來越多地選用長隧道方案。水利及市政輸(引)水洞也越來越多地採用長隧道方案。可以設想，21世界我國隧洞工程必將越來越多。國產鑿巖鑽車將以成本低、鑿巖速度快、動力消耗少、 功效高等優點成為國內隧道鑿巖的主要設備，並與國外產品一比高低。而且現代化機 械設備替代人在繁重、危險、惡劣環境下作業是必然趨勢，因而隧道鑿岩機器人必然具有廣闊的市場前景。 ^[4]