濕噴機械臂自動化作業技術及仿真實驗分析

王 春

（鐘山職業技術學院，江蘇 南京 210049）

濕噴作業是在隧道爆破結束后，使用設備向隧道避免噴射混凝土，從而起到支撐、加固避免的效果。在我國制造業向高端轉型的背景下，建筑市場上出現了許多自動化、智能化的施工設備。在隧道施工中，濕噴機械臂可根據預設的運行軌跡和設定好的噴射參數，自動完成隧道壁面的補坑、填充、掃面等作業任務。濕噴機械臂自動化作業技術的應用，不僅顯著提高了隧道濕噴作業效率，減輕了一線施工人員的壓力，而且還能保證噴射混凝土與隧道巖面緊密貼合，提高噴射質量。在濕噴機械臂自動化作業中，隧道三維信息的獲取、濕噴機械臂軌跡規劃、噴射方量和噴射角度等參數的設計等，都是決定該技術應用效果的關鍵點。

1 濕噴機械臂自動化作業技術

1.1 補坑作業技術

隧道爆破后，在隧道壁上會形成若干不同深度的坑，自動化濕噴作業的第一步就是要將這些深坑填平，這樣在下一步的濕噴作業中才能保證噴層與巖面能夠充分貼合，保證濕噴作業質量滿足施工要求。基于濕噴機械臂自動化技術的補坑作業，首先通過三維掃描的方式，獲取隧道壁面的點云數據，并通過對點云數據的進一步處理，將爆破輪廓與設計輪廓展開對比分析。通過生長三棱臺的高度辨別處深坑的位置坐標和體積信息[1]。在此基礎上，依靠深坑位姿信息規劃濕噴機械臂的移動路徑，并燮制濕噴機械臂的末端噴槍到達指定的補坑點。同時，再根據深坑的體積信息確定噴漿方量、噴漿時間，參數設計完畢后開始噴漿補坑。在補坑結束后，使用三維激光掃描儀對隧道壁面再次掃描，根據掃描結果判斷補坑作業質量。如果掃描結果顯示還有深坑未被填充，則根據該深坑的位姿信息，重新燮制機械臂移動到該位置，重復上述濕噴步驟，直到所有的深坑被填平。基于自動化濕噴技術的補坑作業流程見圖1。

圖1 補坑作業流程

1.2 填充作業技術

該步驟的主要任務是對基底層和拱架層進行噴漿填充。由于這2 層的噴射面積大、噴漿方量多，對最終的濕噴作業質量影響最為明顯，因此也是需要重點關注的技術要點。在濕噴機械臂自動化填充作業中，選擇分區、分塊多次薄噴的作業模式。所謂分區，就是將整個隧道按照自上而下、從左往右的順序，劃分成若干個噴射區。這樣分區的作用是保持鋼拱架左右兩側的受力均衡，避免濕噴作業過程中鋼拱架因為單側受力太大而發生變形問題。把每個噴射區再劃分成若干個面積相同的矩形噴射塊，將噴射塊的中心點作為噴射點，規劃好移動路徑后將噴槍移動至噴射點處，完成均勻噴射。基于自動化濕噴技術的填充作業流程見圖2。

圖2 填充作業流程

由于填充作業使用的混凝土方量較大，因此為了避免噴射的混凝土在隧道壁面上出現流掛、掉塊問題，在實際噴射作業時必須做到多次薄噴，要求單次噴射混凝土的平均厚度小于10 cm。

1.3 掃面作業技術

掃面作業是在填充作業基礎上，于兩榀拱架之間再噴射一層混凝土并形成表面層。由于隧道巖壁表面層對平整度、均勻性均有著較高的要求，因此在使用濕噴機械臂進行自動掃面作業時，一方面需要保證機器人做橫向勻速運動，另一方面還要保證噴頭上下刷動，其運動軌跡為“弓”字形。濕噴機械臂噴頭的刷動范圍（L）的計算公式為：

式中：d 表示噴頭與掃面作業面之間的噴射距離，單位為m；θ 表示噴頭在掃面作業面上下刷動角度，單位為°。噴頭勻速移動速度（V）的計算公式為：

式中：S 表示混凝土的噴射方量，單位為m3/h；α 表示噴漿回彈率，單位為%；H 為掃面層厚度，單位為m。

按照上述計算公式分別求得噴頭的L值和V 值后，根據L將隧道設計點云沿周向進行均勻分割。在利用分割后得到的點云數據，獲得“弓”字形拐點的位姿信息。然后利用直線將各個拐點連接起來，即可得到濕噴機械臂的運行軌跡。最后按照該運行軌跡進行掃面作業，整個流程見圖3。

圖3 掃面作業流程

2 濕噴機械臂作業軌跡規劃

2.1 繪制隧道輪廓

為了方便規劃濕噴機械臂的作業軌跡，本研究將隧道參數化為可展曲面。這種結構的特點是曲面上每個點的高斯曲率均為0，這也就意味著三維的可展曲面，在展開成為二維平面時不會出現失真的情況。在濕噴機械臂的軌跡規劃中，將二維平面的運動軌跡轉換到三維空間，可以保證濕噴機械臂的運動距離和運動速度不變，從而減輕了軌跡規劃的工作量[2]。在確定了隧道結構后，本研究使用參數多項式描述隧道斷面輪廓線，使隧道輪廓線的（y，z）坐標相對于u 參數化，利用關于u 的參數多項式擬合隧道輪廓。分別選擇1～4 階參數多項式擬合y,z坐標的均方誤差，擬合結果表明使用3 次多項式擬合y坐標、4 次多項式擬合z坐標，誤差最小。基于此，分別用u,v坐標描述隧道鍛煉輪廓線的參數方程：

式中：系數a0-3和b0-4均由隧道斷面輪廓線尺寸確定。

2.2 平面濕噴作業規劃

正常情況下，濕噴機械臂完成一個完整的濕噴作業循環，至少需要補坑、填充、掃面3 道工序[3]。在這些工序中，補坑作業要求準確識別坑的具體位置，在此基礎上決定濕噴機械臂的動作。由于坑的位置有較強的隨機性，這里不做討論；而填充和掃面兩道工序的噴射策略基本一致，因此本研究以填充作業為例，簡要概述平面作業軌跡繪制方法。

填充作為濕噴作業的核心步驟，其噴射策略是在規劃的噴射點處進行定點噴射，某個噴射區域內的填充噴射平面軌跡見圖4。

圖4 填充工序中噴射區域I的平面作業軌跡

圖4 中，Lt表示相鄰兩個拱架之間的距離；St和dt分別表示噴射點的橫向間距與縱向間距，這兩個值分別由噴射點處的擺動角度和刷動角度確定。其中，橫向間距（St）的計算公式為：

式中：D 表示噴槍回轉中心與受噴避免之間的距離，單位為m；β 表示噴槍橫向擺動角度，單位為°。同樣的，縱向間距（dt）的計算公式為：

式中：K 表示噴槍縱向刷動角度類型系數，在不同的區域中取值不同，這里取1；D 表示噴槍回轉中心與受噴壁面之間的距離，單位為m；α 表示噴槍縱向刷動角度，單位為°。

2.3 三維濕噴作業規劃

結合上文分析可知，在二維濕噴作業中，填充作業是需要噴槍橫向運動，而掃面作業則需要噴槍縱向運動；而三維濕噴作業中，具體的作業軌跡又可分為4 種，分別是填充工序的橫向軌跡和縱向軌跡，掃面工序的橫向軌跡和縱向軌跡。除此之外，根據作業軌跡是否連續，又可以將其分為連續型作業軌跡（機械臂末端按照規劃好的路徑和確定的速度，從起點移動至終點）、點到點型作業軌跡（機械臂末端在特定時間內從起點移動至終點）2 種類型[4]。

從結構組成上來看，濕噴機械臂主要由機械臂連桿、噴槍兩部分組成，并且噴槍的上下兩端各有一個關節，保證在濕噴作業中能夠在上下方向刷動。本研究在規劃三維濕噴作業軌跡時，設計了一個有6 個關節的濕噴機械臂連桿，這6 個關節的運動軌跡需要滿足的運動學約束見表1。

表1 關節運動學約束

3 濕噴機械臂自動化作業仿真實驗

3.1 濕噴機械臂的建模

本研究基于開源操作系統ROS 創建濕噴機械臂模型。在ROS 系統中，提供了URDF 文件創建機械臂模型，該文件中囊括了機械人的一些常規信息，如形狀、尺寸、質量、關節類型等。由于濕噴機械臂的結構較為復雜，無法從URDF 文件中選擇常規形狀直接建立模型，因此本研究首先在SolidWorks 軟件上創建了濕噴機械臂的三維模型，然后再調用一個sw_urdf_exporter 插件，將已經得到的三維模型轉化成一個包含模型信息的數據包，然后在對數據包中的模型參數進行修改，最終得到了濕噴機械臂的URDF 模型[5]。

在創建URDF 模型后，還要從ROS 系統中另外選取一個三維可視化工具Rivz，該工具的功能是詳細展示機器人的關節狀態、運動軌跡；同時，還可借助于Rivz工具中的滑塊來燮制機器人的運動，使濕噴機械臂完成補坑、填充和掃面等一系列作業內容，并且整個作業流程均能做到可視化。

3.2 濕噴機械臂的作業仿真

在ROS 系統中，MoveIt 是一個集運動規劃、操作燮制、3D感知等多種功能于一體的開發平臺[6]。本研究在進行濕噴機械臂的仿真實驗時，選擇該平臺進行濕噴機械臂模型的燮制，同時利用Topoc 和Action 通訊機制實現燮制終端和前端執行器的數據交換，保證仿真作業的順利完成。基于MoveIt 平臺的濕噴機械臂模型燮制流程為：

步驟1：加載已經創建好的URDF 模型，為MoveIt提供燮制對象。

步驟2：啟動Setup Assistant 工具箱，分別配置濕噴機械臂的初始位姿、自碰撞矩陣等相關信息。

步驟3：啟動Arbotix 功能包中的燮制器插件，使濕噴機械臂模型的各個關節能夠正常運動。

步驟4：利用MoveIt 平臺的python 接口，將編寫好的濕噴機械臂軌跡規劃燮制程序導入到MoveIt 平臺中。在該程序的燮制下，濕噴機械臂模型按照既定的軌跡完成相應的動作，完成濕噴作業仿真。最后將運行結果以move_group 文件保存，將該文件發送到Rivz中[7]。

在本次仿真實驗中，分別進行了補坑作業、填充作業、掃面作業。根據可視化結果，本研究設計的濕噴機械臂自動化仿真作業模型可以在虛擬環境下，按照規劃的軌跡準確、快速地完成濕噴作業，達到了設計預期。

4 結論

濕噴作業是隧道工程施工中的一項重要內容，雖然近年來隧道工程中濕噴作業感知系統得到了廣泛應用，但是由于存在智能化程度不高、濕噴機械臂運動穩定性差等問題，導致濕噴作業質量達不到理想效果。本研究設計的自動化濕噴作業系統，通過掃描隧道爆破面，將獲取到的爆破點云與設計點云進行對比，并按照規劃好的路徑，準確找出補坑作業位置，在此基礎上由濕噴機械臂自動完成填充、掃面作業。從仿真實驗結果來看，該系統具有濕噴作業效率快、作業結果與設計方案一致性強等優勢，應用效果良好。