摘要：PJR - Z 型喷浆机器人是一种喷射混凝土的新型专用设备。介绍了其整体结构、动作原理， 阐述了机器人液压系统和电控系统的总体设计方案以及可靠性设计。实践证明， PJR- Z 型喷浆机器人喷射均匀， 回弹和粉尘大大减少。具有很高的可靠性和稳定性， 实用性强， 完全满足混凝土喷射工艺要求。
关键词：喷浆；机器人；设计；可靠性
中图分类号：TH137文献标识码:A

国外从20 世纪60 年代初开始采用机械手喷浆。我国从60 年代中后期起， 有不少单位研制喷浆机械手[ 1， 2 ]。但由于种种原因， 虽经过20 多年的努力， 也未形成过关的产品。存在的主要问题是，结构不合理、自动化水平低和可靠性差， 其主要表现为操作复杂、动作不适应地下工程的恶劣环境。现国内采用的喷浆机械手全是进口的， 价格比较高， 且维修和配件供应困难。

1喷浆作业原则及其对喷浆机器人的要求

喷浆分为干喷和湿喷。干喷是将干的水泥、砂子、石子和速凝剂粉按一定比例送到转子式搅拌机(俗称喷浆机) 内搅拌， 在搅拌机出料口被高压风吹到送料管内， 送料管出口装着喷枪(也称喷嘴) ， 喷枪的入口处设有环形喷水器， 能连续向枪内喷水。水与混凝土就在这1 m 左右的运动中混合， 大部分变成混凝土浆。靠着高压风赋予的冲击力， 混凝土撞到受喷面上后， 一部分粘着在受喷面上， 一部分又弹落回来， 回弹量的多少(即回弹率)主要和喷枪与受喷面之间的角度及距离有关。湿喷是将加水搅拌好的混凝土借助高压风的力量通过送料管送入喷枪喷射到受喷面上。湿喷的原理有几种， 有的是靠混凝土泵将浆送至喷枪入口， 有的是靠湿式喷浆机(转子式湿式搅拌机) 和高压风将浆送至喷枪入口。喷浆的最佳工艺原则是喷枪始终与受喷面保持垂直、喷枪口至受喷面的距离为1 m 左右， 在此工况下， 最有利于减少回弹。国内广泛采用的干喷法存在的三大技术难题(粉尘、回弹、混凝土品质不稳定) 长期以来困扰着人们。国内外的施工实践证明， 实现湿喷是解决这三大难题的根本途径。由于湿喷时整个料管充满混凝土， 人很难抱得动喷枪， 所以需要机器人和机械手。从发展趋势看， 使用喷浆机器人将是大势所趋。

2机器人的总体设计

机器人本体的设计原则是机器人应尽可能好地满足喷浆工艺和作业环境的要求。

PJR- Z 型喷浆机器人(喷射高度可达10 m )是在国家863 计划项目“喷浆机器人产品样机”研究成果的基础上开发出来的， 其结构原理见图1。它由机械手、液压系统、控制系统、操作器等组成。该机器人有6 个自由度， 即大臂俯仰、小臂摆动、水平伸缩臂纵向进给、手腕转动、喷枪摆动和喷枪转动。动作原理与结构特点如下：①大臂1 在油缸2 驱动下做俯仰运动；②小臂3 做水平摆动， 由于小臂采用四连杆机构， 故摆动时其末端做平动运动， 从而使得固定于其末端的水平伸缩臂4 与受喷面的相对距离和姿态不变；③水平伸缩臂4 能在与隧道轴线平行的方向进给， 使得喷枪做水平移动并保持姿态不变；④手腕5 可完成喷枪沿拱部划弧， 同时保证喷枪与受喷面垂直；⑤油缸6 可调整喷枪的姿态， 从而在遇到大凹坑时， 仍能调整喷枪与受喷面垂直；⑥借助于喷枪划圆机构7， 可使喷枪沿锥面运动， 从而使喷枪口划出一个360°的连续圆。

1. 大臂四连杆2. 大臂油缸3. 小臂四连杆4. 水平伸缩臂
5. 手腕转动机构6. 喷枪调姿油缸7. 喷枪划圆机构8.
喷嘴9. 送料管10. 水平伸缩臂油缸11. 小臂油缸
图1PJR- Z 喷浆机器人结构原理图

图1 所示的6 自由度喷浆机器人可根据现场需要或安装于汽车上， 或安装在有轨底盘车上。该机器人既可与湿喷机相配套， 也可与干喷机相配套。依靠这6 个自由度， 可以实现喷枪作业所需的任何运动轨迹。现以典型的喷浆作业过程为例简述之。底盘车一般不在隧道中央， 因此只能依靠小臂摆动把小臂末端摆至隧道的纵向对称面上；为减少回弹， 喷浆是由下而上进行的， 故开始时， 小臂末端位于对称面的最下方， 使得喷枪口至受喷面的距离1 m 左右， 这就做好了作业准备。喷浆开始后， 喷枪即转动， 喷枪口划着圆圈， 喷射物在受喷面上划出一串螺旋线， 形成一条20 cm 宽的喷射带；机器人水平伸缩臂在水平方向上一边伸缩， 喷枪一边划着圆圈， 当移至设定距离后， 靠大臂的仰起动作抬高20 cm ， 如此依次往复， 直至喷到邦与拱的交界线处；此后， 小臂末端一直处于拱部圆弧面的中心线上， 依靠枪转动一个设定的角度和机器人底盘车在隧道的平移， 喷枪口在划圆的过程中也在拱部受喷面上形成20 cm 宽的喷射带并与邦的喷射带紧密相接；喷拱部的过程与邦类似， 依次进行， 直至拱顶。

到达拱顶后， 或返回至起始位置进行第二次喷射， 或转至对面的邦底(与前述过程类似) 对另半面进行喷浆。

2. 1机器人液压系统总体设计

由于液压驱动具有功率重量比大、力矩惯量比大、易实现直线驱动和直接驱动、易于实现防爆等优点， 因此被广泛应用在惯量大、承载重量大、需要防爆的工作场合所。根据喷浆的环境， 并从技术、经济、体积、适应性、防爆性等方面综合考虑，喷浆机器人选用了液压驱动系统[ 3 ]。在设计喷浆机器人的结构时， 针对喷浆作业的特点、控制系统及操作过程的要求， 把喷浆机器人的大臂和小臂设计成一种多重四连杆机构。

液压驱动系统的动作原理如下：大臂油缸2驱动大臂四连杆1 实现上下升降运动；小臂油缸11 驱动小臂四连杆3 在水平面内摆动， 用以调整喷枪口相对壁面的距离；水平伸缩臂油缸10 驱动水平伸缩臂4 纵向进给；喷枪调姿油缸6 驱动喷枪头8 做±45°的调姿摆动。由工作参数作受力分析及求解， 求得系统最高压力为16M Pa。

液压系统的工作控制方式有全自动方式与主从方式两种。在全自动方式时， 液压系统在计算机的控制下， 根据工作面的几何尺寸， 按照设定的程序及喷浆工艺过程， 可自动顺序完成各操作动作;在主从方式时， 液压系统按照操作器发出的信号，可任意完成各动作的人工操作[ 4 ]。

2. 2机器人电控系统的总体设计

电控系统设计的指导思想是尽量采用先进技术和元器件， 以确保系统恶劣环境下的高可靠性和操作的简易性与直观性；控制系统尽可能模块化、标准化， 以利于规范化、系列化生产。PJR - Z型喷浆机器人采用将全自动控制与主从遥控融为一体的控制方案， 且两种控制方式可以随意互相平滑地转换， 也能够根据用户要求只保留一种控制方式(为简化系统) ， 方便地满足各类用户的需求。

在示教再现的自动轨迹控制方式下， 机器人能按照人事先教给它的运动轨迹和姿态自动地进行作业， 无需人工操作。本机器人示教的方式有两种， 一种是轨迹示教方式， 另一种是特征点示教方式。操作者可根据隧道断面情况选择示教方式。在遥控主从控制方式下， 借助于15～ 20 m 长的电缆， 通过遥控器对机器人进行操作， 遥控器可看作机器人的主手， 机器人的手臂则看作从手， 从手则按照主手发出的指令， 亦步亦趋地跟随主手动作，很直观。特别是通过对软硬件的精心设计， 两种控制可在轨迹的任一点随意转换， 并能保持运动轨迹的平滑连续。

控制系统的设计主要包括计算机系统、伺服放大器、电源、操作器、系统抗恶劣环境等方面。计算机控制系统采用二级分布式控制， 即由规划级(上位机)、CAN 总线和直接控制级(多个下位机) 组成分布式控制系统， 见图2。

规划级的任务是接收示教盒发出的示教数据和控制指令， 接收直接控制级的各种信息， 进行工作环境的识别， 从而完成运动轨迹的规划和生成运动轨迹的控制指令， 指示控制级完成指令规定的运动。

直接控制级是直接面对被控对象的， 喷浆机器人共有6 个自由度， 每个自由度都有自己的相对独立的控制器。它由控制器、功率放大器、I/O驱动电路组成。其任务是接收规划级发来的指令，完成规划级规定的运动控制；接收相关自由度的传感器信息并进行预处理， 然后送规划级， 以便进行下一轮的运动轨迹规划；完成对控制器、伺服放大器等的故障诊断， 并把诊断结果送规划级， 以便做出相应处理。

控制器是伺服控制系统的关键部件， 其核心由In tel80c196KC 单片微机系统及CAN 控制器构成。为了满足控制性和可靠性的要求， CAN 控制器与其接口之间采用了隔离措施， 反馈元件选用了高可靠性、高精度和长寿命的旋转变压器及数字转换器XSZ。控制器的控制量输出采用精度高的高速输出HSO 来获得PWM 输出， 经光电隔离后， 再经有源滤波器获得直流控制电压送往伺服放大器。

2. 3恶劣环境下的可靠性设计

可靠性问题是工程化机器人的最关键问题之一， 也是我国机器人产品普遍存在的弱点和难点，恶劣环境下的机器人可靠性问题则更难[ 5 ]。就整机而言， 最易出问题的是电控系统， 其次是液压系统。

2. 3. 1电控系统的可靠性设计

为了获得喷浆机器人的高可靠性， 采用了高可靠的元器件、容错技术、三防技术、电磁兼容技术、抗干扰技术和防爆技术。

(1) 为了解决控制系统的可靠性问题， 对规划级和控制级分别作了冗余配置， 实现了容错设计，它们的结构示意图见图3 和图4。

(2) 为解决电磁兼容性、散热与冷却、防潮、防蚀、防霉变和抗振等， 考虑到本机器人的工作环境与野战设备相近， 故完全按军用计算机加固技术进行了加固。所以， 该电控系统实为加固计算机控制系统。
(3) 为提高电路本身可靠性， 单片微机与I/O通道均采用了严格的隔离措施， 对模拟量和开关量均实行隔离， 在输入通道中采用双线采样、差动输入、线性隔离和有源滤波等；对电源， 采用变压器隔离， 干扰抑制器滤波等。
(4) 防爆方面， 本系统设计成隔爆兼本安型，并取得了国家级防爆检验合格证。

2. 3. 2液压系统的可靠性设计

液压系统中最易出问题的是电液比例阀， 为了提高液压系统的可靠性， 一是精心设计， 为了防爆和保护恶劣环境中的比例阀及各种电磁阀， 对油路采用集成化设计， 将所有阀集中设计在同一配流块的同一面上， 而后将该面设计为防爆箱的一面， 使所有阀均处于防爆箱内， 达到既防爆又防护的双重效果， 十分经济、合理；二是注重整体质量， 对任何一个局部都十分重视， 防止出现某个元件、甚至一个管接头影响全局的情况。

参考文献:
[ 1 ]王焕文， 王继良. 锚喷支护. 北京：煤炭工业出版社，1989
[ 2 ]李云江， 樊炳辉， 江浩， 等. 喷浆机器人的设计与实现. 机械科学与技术， 2001， 20 (2) ：189～ 190
[ 3 ]刘长年. 液压伺服系统的分析与设计. 北京：科学出版社， 1985
[ 4 ]李云江， 荣学文， 樊炳辉， 等. 大型隧道喷浆机器人液压系统设计. 中国机械工程， 2001， 12 (7) ：735～737
[ 5 ]苏学成， 樊炳辉， 李贻斌， 等. 试论煤矿机器人的研究与开发. 机器人， 1995， 17 (2) ：123～ 127

作者简介：李云江， 男， 1966 年生。山东科技大学(济南市250031) 机器人研究中心副教授。主要研究方向为特种机器人。获国家科技进步二等奖1 项、山东省科技进步一等奖1 项。出版专著2 部， 发表论文40 余篇。
荣学文， 男， 1973 年生。山东科技大学机器人研究中心工程师。
樊炳辉， 男， 1958 年生。山东科技大学机器人研究中心教授。
江浩， 男， 1959 年生。山东科技大学机器人研究中心高级工程师。