智能破拆機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：綜述國(guó)內(nèi)外液壓破拆機(jī)器人研究現(xiàn)狀，總結(jié)了主流破拆機(jī)器人性能指標(biāo)及技術(shù)特點(diǎn)。分析了國(guó)內(nèi)智能破拆機(jī)器人的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及彎道超車的方向，提出了破拆機(jī)器人智能化、多功能化的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：破拆機(jī)器人；液壓系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；智能化

0" "引言

智能破拆機(jī)器人是一種被廣泛應(yīng)用于城市建筑拆除、隧道施工、水泥工業(yè)、核工業(yè)以及應(yīng)急救援的智能遙控工業(yè)機(jī)器人。其糅合了多種技術(shù)學(xué)科，如機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、液壓技術(shù)、信號(hào)與處理、自動(dòng)控制等，具有無(wú)線與有線遙控操作、安全可靠、噪聲小、振動(dòng)低、粉塵少、無(wú)廢氣、工作效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、使用靈活等特點(diǎn)[1]。我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，高危場(chǎng)所中破拆、搬運(yùn)和救援作業(yè)的情況大幅增加，智能拆除機(jī)器人的特點(diǎn)決定了其將成為上述特殊工況下作業(yè)的最佳選擇。

1" "國(guó)外破拆機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，世界上第一臺(tái)遙控破拆機(jī)器人誕生，進(jìn)而引起了極端工況下破拆方式的巨大變革。它的創(chuàng)造者瑞典的布魯克（Brokk）也更是成為目前破拆機(jī)器人行業(yè)的引導(dǎo)者，經(jīng)過(guò)隨后近50年的研究歷程，拆除機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅猛，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前在國(guó)外，部分狹小空間和極端條件工程施工中的破拆作業(yè)已完全通過(guò)破拆機(jī)器人完成。

目前，除布魯克公司外，國(guó)外智能破拆機(jī)器人行業(yè)翹楚還有德國(guó)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(jī)器人

Brokk機(jī)器人系列現(xiàn)有Brokk60Ⅱ、Brokk70、Brokk110、Brokk120DⅡ、Brokk200、Brokk300、Brokk500、Brokk520D、Brokk900等9種在售型號(hào)。部分拆除機(jī)器人性能參數(shù)見(jiàn)表1。

Brokk60Ⅱ（見(jiàn)圖1），作為世界上最小的遙控拆除機(jī)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(yè)效率遠(yuǎn)超人工，可以在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全、高效拆除工作，廣泛應(yīng)用于樓層的拆除作業(yè)。

Brokk900（見(jiàn)圖2）是Brokk破拆機(jī)器人家族中破碎能力最強(qiáng)的機(jī)型，在重型拆除和隧道行業(yè)開(kāi)啟了一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。它可以攜帶1.5t的工具頭，破碎錘沖擊力可達(dá)3050J，配備了Smart Power智能動(dòng)力系統(tǒng)，性能得到優(yōu)化，能更加穩(wěn)定地長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

1.2" " TopTec系列拆除機(jī)器人

德國(guó)TopTec公司目前擁有破拆機(jī)器人系列產(chǎn)品，包括TopTec1500E、TopTec1850E、TopTec2500E、TopTec4500E/D、TopTec5500E/D、TopTec6500 E/D、TopTec7500E/D，TopTec系列產(chǎn)品主要應(yīng)用在鋼鐵、水泥和核工業(yè)。其中TopTec7500 E/D是目前TopTec系列拆除機(jī)器人的最新產(chǎn)品（見(jiàn)圖3）。為了能夠適應(yīng)任何合適的工作位置，TopTec7500D/E所有支撐腿都可以單獨(dú)，垂直或水平運(yùn)行。液壓履帶調(diào)整和完全冗余作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，包含在TopTec7500D/E中。

1.3" " AVANT系列拆除機(jī)器人

AVANT是一家主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的國(guó)外企業(yè)，近年來(lái)，為擴(kuò)大其業(yè)務(wù)范圍對(duì)FINMAC公司進(jìn)行了收購(gòu)。AVANT ROBOT185是AVANT公司在FINMAC F16（見(jiàn)圖4）的基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)的破拆機(jī)器人，并將其主要應(yīng)用于建筑拆遷工作[3]。

1.4" " 國(guó)外其他相關(guān)機(jī)構(gòu)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(jī)器人DXR310，在一些狹窄的特殊場(chǎng)合中，DXR310拆除機(jī)器人工作表現(xiàn)良好，得到了業(yè)內(nèi)一致好評(píng)。除此之外，Husqvarna還研發(fā)生產(chǎn)了DXR系列破拆機(jī)器人DXR140、DXR250、DXR270、DXR300、DXR315等[4]。

TMSUK是日本最早從事破拆機(jī)器人的公司，T52 Enryu（圖6）為1994年TMSUK公司設(shè)計(jì)的一款破拆機(jī)器人，T52 Enryu憑借其特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)作[5]，因此T52 Enryu也被冠以了“超級(jí)救援機(jī)器人”。

2" "國(guó)內(nèi)拆除機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)拆除機(jī)器人是由上世紀(jì)末開(kāi)始引進(jìn)的，1993年，中國(guó)企業(yè)為提高水泥行業(yè)的回轉(zhuǎn)窯維修效率，引進(jìn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)破拆機(jī)器人，極大提高了拆除效率，從而引起了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的重視。2003年，第一臺(tái)布魯克公司的Brokk90型拆除機(jī)器人被引進(jìn)國(guó)內(nèi)，并開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)轉(zhuǎn)爐打渣的新時(shí)代[6]。

近幾年，隨著市場(chǎng)對(duì)拆除機(jī)器人需求量的增加以及為了打破國(guó)外的壟斷，我國(guó)陸續(xù)出現(xiàn)了一批具備核心競(jìng)爭(zhēng)力的相關(guān)產(chǎn)品，其中具代表性的有驚天智能裝備研發(fā)生產(chǎn)的GTC系列破拆機(jī)器人、詹陽(yáng)動(dòng)力重工研發(fā)生產(chǎn)JY903-C型破拆機(jī)器人，以及宣化鼎信礦冶機(jī)械研發(fā)生產(chǎn)的 DXCC 系列多功能拆除機(jī)器人[7]。

2.1" " GTC系列拆除機(jī)器人

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

2.2" " DXCC系列拆除機(jī)器人

DXCC650型多功能拆除機(jī)器人（見(jiàn)圖9）應(yīng)用領(lǐng)域廣，適應(yīng)性能強(qiáng)。DXCC650型拆除機(jī)器人采用電液比例驅(qū)動(dòng)，環(huán)保性好；低重心設(shè)計(jì)安全性高。

2.3" " JY903-C型拆除機(jī)器人

詹陽(yáng)動(dòng)力重工生產(chǎn)JY903-C型拆除機(jī)器人（見(jiàn)圖10）可用于各種應(yīng)急救援作業(yè)、城市建筑拆除、隧道作業(yè)施工等，其具有機(jī)身小巧、靈活、作業(yè)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品動(dòng)力采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)選擇負(fù)載敏感控制系統(tǒng)，遙控操作，安全高效。

2.4" " 國(guó)內(nèi)其他相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究

除上述驚天智能GTC系列和宣化鼎信DXCC拆除機(jī)器人之外，國(guó)內(nèi)還有眾多廠商進(jìn)行了相關(guān)研究，如徐工、三一重工以及山河智能等公司生產(chǎn)的智能遙控破拆機(jī)器人。

ET110型步履式遙控挖掘機(jī)（見(jiàn)圖11）是徐工集團(tuán)生產(chǎn)的一款應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況的全地形挖掘機(jī)械，其行駛裝置采用了輪式與步履相結(jié)合的復(fù)合型底盤，針對(duì)不同工況選擇全輪驅(qū)動(dòng)或步履行進(jìn)，從而保證其進(jìn)行全地形通過(guò)、作業(yè)[14]。

XE15R型挖掘機(jī)（見(jiàn)圖12）是徐工集團(tuán)研發(fā)的首款真正意義上的智能遙控挖掘機(jī)，采用了無(wú)駕駛室設(shè)計(jì)，XE15R型挖掘機(jī)得研發(fā)生產(chǎn)，也標(biāo)志著徐工集團(tuán)在智能化挖掘機(jī)研究方面邁入了一個(gè)嶄新的階段。

HCR70D型多功能工程機(jī)器人（見(jiàn)圖13）是安徽恒創(chuàng)自主研發(fā)的一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的破拆機(jī)器人，主要應(yīng)用在應(yīng)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(tuán)研發(fā)消防破拆機(jī)器人（見(jiàn)圖14），采用柴油驅(qū)動(dòng)，行走和消防作業(yè)采用液壓控制，具有實(shí)用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、勞動(dòng)強(qiáng)度低、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，故其可在狹窄范圍內(nèi)作業(yè)[15]。

3" "智能破拆機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)

智能破拆機(jī)器人是一種智能遙控的大功率工業(yè)機(jī)器人，它集機(jī)械仿生技術(shù)、電子通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)以及液壓傳動(dòng)技術(shù)于一體。破拆機(jī)器人技術(shù)是傳統(tǒng)工程技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的深度結(jié)合，將作業(yè)機(jī)器人推向了動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究，其關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走速度快，并且使用輪胎式行走裝置能夠直接通過(guò)鋪裝路面快速到達(dá)施工場(chǎng)地。其缺點(diǎn)是承載能力低、通過(guò)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(dòng)動(dòng)能，并且具有最大30°的爬坡能力。在市區(qū)作業(yè)時(shí)，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(jī)構(gòu)

破拆機(jī)器人工作時(shí)工況復(fù)雜，多功能的液壓屬具將使破拆工作更為高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，現(xiàn)如今的高效破拆機(jī)構(gòu)可分為錘擊式、剪切式等。

3.2.1" "三節(jié)臂設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工程機(jī)械往往采用兩節(jié)臂設(shè)計(jì)，在一定程度上限制了施工工作的范圍；多關(guān)節(jié)的機(jī)械臂是近年來(lái)在工程機(jī)械領(lǐng)域研究并逐漸應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以使的工程機(jī)械的工作臂控制角度更大，活動(dòng)的范圍更廣，從而大大提高了破拆機(jī)器人適應(yīng)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(yīng)用在應(yīng)急救援、礦產(chǎn)開(kāi)采、建筑破拆、隧道施工等作業(yè)中，并且在使用中對(duì)工程項(xiàng)目取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)外大范圍使用的行程反饋式液壓錘，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊能與沖擊頻率進(jìn)行獨(dú)立的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而增加液壓沖擊器對(duì)工作對(duì)象的適應(yīng)能力。

3.2.3" "剪切式工具頭

為滿足特殊工況下剪切作業(yè)的需求，Sullivan等人[25] 對(duì)液壓救援剪進(jìn)行了深入的研究，并嘗試運(yùn)用了十連桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在國(guó)內(nèi)，Zhang等人[26]與Zang等人[27]對(duì)一種具有起縫并將其擴(kuò)張的救援屬具進(jìn)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(guò)擴(kuò)張使縫隙變大，從而進(jìn)行救援作業(yè)。

3.3" " 液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)

對(duì)于液壓破拆機(jī)器人，其行走裝置、回轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)泵、閥門以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組成破拆機(jī)器人液壓系統(tǒng)的控制組件。大量的控制組件的相互配合是液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，這也決定了多種設(shè)備屬性在一個(gè)環(huán)境中進(jìn)行整合并形成了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

4" "破拆機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

融合多種學(xué)科，并集機(jī)、電、液于一體的智能破拆機(jī)器人，有機(jī)結(jié)合了現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)工程技術(shù)。過(guò)去針對(duì)破拆機(jī)器人的研究，主要集中在節(jié)能、省力、安全以及其工作裝置的設(shè)計(jì)分析上。隨著市場(chǎng)的需求以及工程裝備的智能化趨勢(shì)變化，要求裝備能夠自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、自主工作，未來(lái)破拆機(jī)器人將朝著智能化、多功能化發(fā)展。

4.1" " 智能運(yùn)動(dòng)控制及導(dǎo)航

智能運(yùn)動(dòng)控制能夠有效的提高破拆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度以及作業(yè)完成的可靠性，關(guān)于破拆機(jī)器人的智能導(dǎo)航，是系統(tǒng)在一定的約束條件下，對(duì)自身繪制的周圍地圖進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到一條能夠完成目標(biāo)任務(wù)的最優(yōu)路徑。

智能運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航技術(shù)能夠，使破拆機(jī)器人極大地降低其對(duì)人員操作的依賴，從而實(shí)現(xiàn)自主、精準(zhǔn)、智能的運(yùn)動(dòng)，是破拆機(jī)器人的共性技術(shù)之一。5G通訊技術(shù)是一種具有高速率、云智能、低時(shí)延和大連接特性的新一代移動(dòng)通信技術(shù)，基于5G技術(shù)的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、處理、連接等優(yōu)勢(shì)，在不久的將來(lái)會(huì)給智能破拆機(jī)器人技術(shù)帶來(lái)巨大的革命[28]。

4.2" " 多功能作業(yè)快換平臺(tái)

隨著拆除機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)拆除機(jī)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(shù)含量，集機(jī)電液技術(shù)于一體，具有安全、快捷的優(yōu)點(diǎn)，施工人員可以在遠(yuǎn)處通過(guò)遙控快速完成液壓屬具更換操作。液壓快捷手腕的出現(xiàn)使智能拆除機(jī)器人更具智能無(wú)人化，應(yīng)用前景廣闊[29-30]。

4.3" " 軌跡規(guī)劃

通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系對(duì)拆除機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，從而得到拆除機(jī)器人各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)情況，輔助以即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)指定的作業(yè)目標(biāo)下機(jī)械臂助運(yùn)動(dòng)功能，提高拆除機(jī)器人工作精度以及智能化[31-33]。

4.4" " 集群控制

在通常的應(yīng)急救援工作中，破拆機(jī)器人不是單獨(dú)進(jìn)行工作的，往往和遙控鏟運(yùn)機(jī)、遙控挖掘機(jī)器人、遙控推土機(jī)等進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。以工程數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)施工設(shè)備的同步協(xié)調(diào)、智能調(diào)度，以達(dá)到最佳的工作效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工作質(zhì)量[34-36]。在智能破拆機(jī)器人的基礎(chǔ)上，還要對(duì)機(jī)器人遙控系統(tǒng)和群控技術(shù)進(jìn)行研究。

5" "結(jié)語(yǔ)

智能破拆機(jī)器人是指一款專門在特定工況下研制和使用的工業(yè)機(jī)器人，與傳統(tǒng)的工程機(jī)械在在使用工況、產(chǎn)品構(gòu)造、作業(yè)方式等各方面有著較大的差異。目前來(lái)看，智能破拆機(jī)器人在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)才剛興起，很多企業(yè)就對(duì)這種產(chǎn)品躍躍欲試，已研發(fā)并制造了自己的相應(yīng)產(chǎn)品。

目前國(guó)內(nèi)的破拆機(jī)器人和國(guó)外產(chǎn)品尚有一定的差距，在液壓系統(tǒng)可靠性、控制系統(tǒng)的精確性、作業(yè)屬具的轉(zhuǎn)換能力與通用性等方面仍有些欠缺。國(guó)內(nèi)的破拆機(jī)器人相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)把握“中國(guó)制造2025”的重大發(fā)展契機(jī)，對(duì)破拆機(jī)器人的高端化、智能化和低碳化等方面進(jìn)行突破。

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