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'^…“L ■ 删确她… 。’ 工程机械… 第39卷2∞8年8月:扬州大学机械工程学院管荣根傅伟顾玲
摘要:成功应用机器人技术是提升工程机械和装备科技含量的重要途径。基于工程施工领域的特殊性和推行现代化施工设备的必要性,介绍机器人在隧道施工、井巷开拓和港口码头等工程机械领域中的应用特点,并就机器人并联机构的各种基本构型、精度及动态测量、机器人工作空间以及控制系统和控制策略等工程机械中机器人发展的关键技术进行分析和探讨。指出这一领域的发展方向、目前的进展、取得的成果和存在的问题,为工程界对该课题的研究提供了有价值的参考意见。
关键词:机器人工程机械关键技术
从事隧道施工、井巷开拓与采掘、港口码头搬运
等作业的工程机械,往往伴随着粉尘、潮湿、振动、噪
声,甚至辐射等严重的环境污染问题。而且,这些施
工作业不仅劳动强度大,有时还会使操作人员遭遇
塌方、透水等危险。在关注和重视工程施工工艺改
进、优化的同时,迫切需要开发研制出现代化的工程
机械和设备,以替代传统装备,改善操作人员的工作
条件。在工程机械中应用机器人技术无疑是这一领
域的发展方向。事实上,国内、外工程技术界,一直
在致力于这方面的研究和探索,并取得了一定的成
果,已逐步应用、推广到工程实践中。以我国为例,
中南大学何清华教授率领的科研团队,在上世纪80
年代就开始了对凿岩机器人的研究,于2000年成功
开发出具有国际先进水平的我国第一台隧道凿岩机
器人(见图1。所谓隧道凿岩机器人,其整个施工作
业过程,是通过计算机系统自动定位、定向,由计算
机实现凿岩过程各输出参数的最优匹配。使凿岩推
进速度和效率达到最优,也使钻头、钻杆和钻车的能
量消耗与机械损耗大大降低。使用这种机器人凿岩
作业,对操作人员的熟练程度要求不高,可以自动、
一38一圈1隧道凿岩机器人
精确控制现场的炮孔分布、孔序及炮孔深度、角度和位置;能解决多机器人、多任务的动态分配问题;并保证精确的隧道断面和轮廓,减少由于“超挖”、“欠挖”所造成的经济损失。与人工凿岩机相比,既提高了施工质量和经济效益,又减少了对围岩的破坏,有利于施工作业安全性,极大地改善了作业环境。图2所示即为受计算机控制的凿岩机器人的系统组成及工作原理图。
针对煤矿生产安全事故频发的现状,太原理工大学的卫进、毛昌明等,提出用6一SPS并联机构液压支架的简易机器人,淘汰因不能承受侧向力而会发生倒架和支架机构损坏且存在原理性缺陷的四连杆液压支架的设想。将6一SPs并联机构中的动平台扩展为液压支架的顶梁,固定平台则是液压支架的底座,通过链和立柱将两
平台相连,构成简易的并联机构液压支架机器人,如图3所示。如果在试验模型已完成试验的现有基础上,再经样机试制和工业性试验获得成功,则可大面积地更换原有的旧装备,确保采煤综合机械化、自动化目标的实现。
河南科技大学的张海潮等,从降低操作者的劳动强度,提高作业性能和作业可靠性出发,探讨了一种有3条“腿”并通过其两端铰链(关节,将动、静平台相连组成称之为3一RRRT的另一类并联机构机器人(见图4,以供港口码头、矿山开采和机械加工、装配等高速搬运设备的使用。
显然,这些机器人或机器人化的工程机械,如果都能够成功开发并投入使用,必将加速我国工程机
械的更新换代,大大提升我国工程机械装备业的科
第39卷2∞8年8月。……。…工程机械
打印机
控制系统电控系统
办公室计算机系统数据存储卡
图2隧道凿岩机器人的系统组成及工作原理
1.顶梁
2.虎克铰
3.立柱(液压缸
4.球铰
5.底座
图36-SPs并联机构液压支架机器人
技含量和科技水平,也必将促进和推动我国国民经济基础工业和基本建设的快速发展。
l工程机械机器人的特点
工业机器人在上世纪60年代迅速发展起来,综合了机、电、液、微机处理、自动控制、人工智能和仿生等学科的最新成果。机器人技术最先取得成果和进展是在制造业,比如已经广泛使用的有焊接机器人、装配机器人和金属切削机器人——并联机床等。因为制造业环境一般认为是相对静止、基本不变、可控和可预测的,即所谓结构化环境,因而,这些机器人通常可以在编制好的程序下作业和运行,完成顺
图43-砌U盯并联机器人模型
序性、重复性的工作,并无智能化要求。可是在非制造业,特别是在工程施工中,其环境条件却完全不同,工作状况和工作条件不仅复杂、多变,有时甚至非常恶劣,常常是突发性、不可预测,即所谓的非结构化环境,如在钻凿炮孔过程中,随时可能遭遇围岩地质、地压突变,以至发生“卡钎”等;铲装时铲齿插入非起爆的矿石裂缝,则会使载荷陡增而发生“失速”或“熄火”等。所以,工程机械机器人的工作状态、工作环境和所要求工作性能的复杂性,是制造业机器人远不能相比的。工程机械机器人除了外形千姿百态、功能迥异外,最为重要的是要能适应环境、条件的变化,并对这种变化自动、及时地作出响应,应该具有判断、决策和执行的能力,也就是说,工程机械机器人应当具有智能化。
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2工程机械机器人的关键技术
2.1适用于工程机械的并联机构及各种基本构型以并联机构为基础构型的机器人,具有结构简单、刚度大、动态性能好,以及并联机构和模块化可重构等优点,已经广泛地应用于各种行业和领域。并联机构最早是由德国学者D.stewan于1965年提出的一种空间多环机构。1978年,一名叫Hunt的澳大利亚人将这种机构首次应用到工业机器人。这种并联机构,一般拥有动、静平台,通过两个或两个以上的分支运动链相连,组成2—6个自由度,不同结构、形式的并联机构。通常,可根据分支链数或“腿”的多少,确定为多少个自由度的机器人,也可以按照各分支链的驱动方式,将它们分为“腿滑动” ——腿的一端通过滑块(或丝杆螺母副沿固定平台导轨移动,从而改变平台位姿(位置和姿态;“腿伸缩”——通过各分支链杆长的长度变化,改变动平台位姿。因而就产生多种结构、形式的并联机构可供选用。据此,图2即为6自由度并联机构机器人,而图3则为3自由度并联机构的机器人。显然,可以通过更换并联机构末端执行器即可演变成具有各种功能的机器人。因此,我们应当针对具体的
