凿岩机器人的国内外研究现状

１ 引言
隧道开挖是现代交通、水电工程等大 规模基本建设中的一项难度大、耗资耗时 多 、劳 动 条 件 差 但 又 十 分 重 要 的 施 工 作 业 。 在目前的隧道开挖中， 凿岩（ 钻孔） 然后爆 破成形的钻爆法还是占主导地位。凿岩设 备是钻爆法施工中用到的主要设备之一。 自 上 个 世 纪 ７０ 年 代 末 以 来 ， 液 压 凿 岩 机 和 与 之 配 套 的 液 压 台 车 形 成 了 高 效 节 能 、劳 动条件好的液压凿岩设备， 在世界发达国 家采掘作业中开始逐步取代原有的低效耗 能、劳动条件十分差的手持式气动钻孔机 具 。几 乎 在 液 压 凿 岩 台 车 实 用 化 的 同 时 ， 国 外许多厂商都将计算机技术和自动控制技 术引入新型液压凿岩设备， 将机器人技术 引入液压凿岩台车， 从而产生了一种新的 特 种 机 器 人— —— 凿 岩 机 器 人 。
７０ 年 代 末 ， 英 国 Ｐｅｒａｒｄ Ｔｏｒｇｕｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ 公司研制的计算机辅助凿岩钻车采用激光 导 向 ， 精 确 定 位 采 用 闭 环 控 制 。控 制 系 统 的 主要部件有： 微处理机， 司机操作台和显示 器， 臂杆铰接处均装有精确耐用的角度传 感 器 ， 伸 长 臂 、推 进 机 构 和 滑 盘 上 装 有 线 性 测 量 传 感 器 ， 液 压 传 感 器 。全 部 运 动 由 电 液 阀控制。
３ 凿岩机器人国外研究现状
１９７２ 年 ， 挪 威 Ｉｎｇｅｎｉｏｒ Ｔｈｒｏ Ｆｕｒｕｈｏｌｍｅｎ Ａ／Ｓ 公 司 开 始 进 行 隧 道 凿 岩 钻 车 的 自 动 控 制研究， 在实验室作了计算机控制单臂钻车 定位和钻孔实验。并于 １９７７ 年试制出第一 台样机。１９８６ 年， 该公司已制造出第三批自 动控制装置投放市场。该装置控制系统包 括： 以微处理技术为基础的印刷线路板电子 控制装置； 司机控制台上有易于掌握的操纵 手柄； 显示器显示凿岩方案图像， 显示以选 定 轴 线 为 基 准 的 凿 孔 方 向 、凿 速 ； 报 警 信 号 装置和其它操纵及维修辅助设施； 测量位 置 、角 度 、压 力 等 的 传 感 器 ； 带 控 制 机 械 臂 运动和凿岩用电液控制阀的液压动力机构。 控制系统以标准设计为基础， 用到带不同数
液 压 凿 岩 设 备 以 其 明 显 的 先 进 性 、经 济性和安全性， 激发世界上众多厂商相继
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凿岩机械气动工具， ２００５（ ３）
研 制 与 开 发 。 瑞 典 Ａｔａｌｓ Ｃｏｐｃｏ 公 司 ， 芬 兰 Ｔａｍｒｏｃｋ 公 司 是 当 今 世 界 液 压 凿 岩 设 备 市 场占有率最高的两大公司。
凿岩机械气动工具， ２００５（ ３）
量机械臂和带不同型号液压凿岩机的钻车 上 很 方 便 。 电 子 设 备 、操 纵 室 和 传 感 器 都 是 专门设计的， 能在隧道中的恶劣环境下正常 工作。计算机控制的钻车可以三种方式工 作： 根据预定凿岩方案， 自动定位和凿岩； 计算机导向， 人工操作； 用备用的人工直接 控 制 系 统 进 行 人 工 控 制 。控 制 系 统 的 设 计 便 于选择不同的作业方式， 对不同机械臂的作 业方式可用控制台上的按钮逐个选择， 如果 控制系统失灵或不能按预定位置凿孔时， 可 选用直接控制方式由人工控制。该公司于 １９８７ 年 生 产 出 的 凿 岩 机 器 人 ， 不 仅 有 上 述 的三种工作方式， 并且采用激光导向， 自动 进行钻孔定位， 可显示钻孔方向、位置、凿 孔 速 度 、故 障 及 维 修 信 号 。 操 作 工 人 只 需 监 督凿岩工作过程， 并根据需要修改布孔方 式。
２ 凿岩机器人发展原因
６０ 年代初， 在手持式气动凿岩机的基础 上出现了第一台手控气动机械化凿岩钻车， 与此同时， 凿岩领域开始应用液压技术， １９６５ 年前后， 带液压机械臂的凿岩钻车在欧洲问 世。１９７０ 年， 法国 Ｍｏｎｔａｂｅｒｔ 公司研制的第一 台实用液压凿岩机 Ｈ４０、Ｈ５０ 投入市场。液压 凿岩设备具有凿速快、高效、节能、噪声低， 污 染小、自动化程度高等优越性， 气动凿岩设备 无法与之相比， 因此在世界各地得到了广泛 应用和迅速发展。
上 个 世 纪 ７０ 年 代 以 后 ， 计 算 机 技 术 的 迅猛发展与应用为解决上述问题指明了道 路。世界各国开始研究把凿岩技术与电子 计算机和自动控制技术相结合， 形成了一 个 崭 新 的 凿 岩 技 术 领 域— —— 计 算 机 控 制 凿 岩 。在 液 压 凿 岩 设 备 问 世 不 久 ， 世 界 各 国 就 开始对计算机控制凿岩进行了实用性研 究， 近十几年来各种型号的计算机控制的 全自动、半自动液压凿岩钻车相继问世并 投入使用。
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获得很多信息， 如凿岩方案图； 已钻孔和正在 钻孔图； 钻孔循环报告等。这些信息同样可通 过数据传输设备传至办公室计算机进行处 理、保存和打印。目前， Ｂｅｖｅｒ 数据系统已成 为全世界凿岩机器人和计算机辅助凿岩钻车 上使用最广 泛 的 数 据 导 向 系 统 。８０ 年 代 后 期， 美国的 Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－ ｒａｎｄ 公司推出一系列装 有 Ｂｅｖｅｒ 全 自 动 数 据 导 向 系 统 的 凿 岩 机 器 人， 主要型号有 ２１ＧＢＣ－ ＣＲ 型和 ＡＭＶ３ＧＢＣ－ ＣＣ 型。
８０ 年 代 初 ， Ｓｅｃｏｍａ 公 司 研 制 出 Ｓｅｃｏ－ ｍａ７０ 型程序凿岩钻车以及装有电子调 节 装 置 的 ＳｅｃｏｍａＡＴＨ２２ 和 ＮＴＨ３５ 型 凿 岩 钻 车 。 日 本 东 洋 公 司 于 １９８２ 年 研 制 出 ＴＨＭＪ － ２３５０ － ＡＤ（ 四 臂 ） 和 ＴＨＣＪ － ２ － ＡＤ（ 两 臂 ） 样 机。该凿岩机器人具有钻进自适应控制系 统 ， 还 具 有 气 压 、水 压 、液 压 、流 量 、电 压 等 方 面 的 连 锁 监 控 功 能 。机 械 臂 的 定 位 误 差 在 ５ ｃｍ 以 内 。 机 器 人 的 定 位 时 间 仅 需 ２５～３８ 秒钟。
从 本 世 纪 初 起 ， 我 国 的 交 通 、能 源 产 业 中 的 铁 路 、高 速 公 路 、水 电 工 程 等 重 点 建 设 项目进入一个新的发展阶段， 隧道开挖工 程量大幅度增加， 以及现有液压凿岩设备 需要更新， 对现代化凿岩设备的需求将更 加明显。目前国内隧道开挖的液压凿岩设
备大部分都是从国外进口， 普通的计算机 辅 助 凿 岩 钻 车 ， 每 台 耗 资 约 １００ 余 万 美 元 。 而据估计， 如果自行设计、制造凿岩机器 人 ， 平 均 价 格 在 ４５０～５００ 万 元 人 民 币 之 间 ， 成本比进口设备大为降低。虽然凿岩机器 人 比 普 通 液 压 钻 车 成 本 高 ２０～３０％， 但 根 据 国外使用经验估计， 在我国使用凿岩机器 人 开 挖 １ｋｍ 长 的 隧 道 即 可 收 回 成 本 。 正 因 为如此， 开展凿岩机器人的研制对于我国 的现代化建设具有重要的现实意义。
芬 兰 Ｔａｍｒｏｃｋ 公 司 于 １９８５ 年 生 产 出 第 一 台 Ｄａｔａｍａｔｉｃ 计 算 机 辅 助 凿 岩 三 臂 钻 车 。 １９８６ 年 １０ 月， Ｔａｍｒｏｃｋ 公司展出了最新的第 二 代 Ｄａｔａｍａｔｉｃ 钻 车 — ——Ｄａｔａｍａｔｉｃ ＨＳ３０５Ｍ 型 凿 岩 机 器 人 。 其 电 子 控 制 系 统 ＥＣＵ 与 Ｂｅｖｅｒ 数据系统类似。凿岩机器人有三种工 作方式： 全部人工控制； 人工操作， 计算机控 制平移机构； 自动定位、凿孔。钻车装有视频 显示装置， 可显示机械臂的位置， 钻孔的布置 型式以及凿孔速度。可以根据岩层条件的变 化自动调节凿岩参数； 可修改布孔方式； 一个 操作工可同时操作三个机械臂， 降低了劳动 成本。
凿岩机器人的国内外研究现状
Hale Waihona Puke Baidu周友行
（ 湘潭大学 机械工程学院， 湖南 湘潭 ４１１１０５）
摘要： 就隧道开挖的自动化凿岩设备— ——凿岩机器人的研究， 在指出了凿岩机 器人发展的原因的基础上， 在总体上详细介绍了其国内外研究现状， 并指出了凿岩 机器人的发展研究方向。
关键词： 凿岩机器人； 隧道开挖； 液压凿岩台车； 自动控制
１９８７ 年 ， Ａｔｌａｓ Ｃｏｐｃｏ 公 司 的 Ｒｏｂｏｔ Ｂｏｏｍｅｒ 型 凿 岩 机 器 人 在 瑞 典 基 律 纳 铁 矿 投 入使用。Ｒｏｂｏｔ Ｂｏｏｍｅｒ 的机载计算机 ３．５″软 盘上存储了 ９９ 种 不 同 的 布 孔 方 案 供 凿 岩 工 选用； 可自动防碰撞， 机械臂移向一个孔位 时， 感觉有碰撞的危险， 就自动移向另一个 孔位； 如果钻头在开孔时打滑， 机械臂自动 在 离 开原孔 ０．１５ ｍ 再选择一个位置开孔。该 凿岩机器人凿孔孔深控制精度可达 １ ｃｍ， 如 果不能将某一孔凿至令人满意的精度， 那么， 该孔就留待人工控制凿岩。Ｒｏｂｏｔ Ｂｏｏｍｅｒ 在 花岗岩上的凿进速度可达 ３．６ ｍ／ｍｉｎ， 从 机 械 臂移位到按给定布孔图钻孔， 全部工序完全 自 动 化 ， 可 在 无 人 操 作 时 继 续 工 作 。 １９９８ 年， Ａｔｌａｓ Ｃｏｐｃｏ 公司开发了基于网络的 ＲＣＳ （ Ｒｉｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ） 控 制 系 统 ， 它 是 一 个 有
１９８４ 年， 德国的 Ｆ·Ｒｉｃｈｔｅｒ 对计算机控 制凿岩进行了研究。通过对计算机控制机械 臂运动和获取有关数据的理论和试验研究表 明： 在准确遵守预定的爆破设计图的条件下，
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孔口偏 差 和 孔 底 偏 差 均 小 于 １ ｃｍ； 移 换 孔 位 的 时 间 减 少 至 １０ 秒 以 下 ； 爆 破 后 巷 道 断 面 轮 廓 相 当 精 确 ， 超 挖 量 小 ， １９８７ 年 ， 德 国 萨尔茨吉特机械公司在汉诺威展览会上展 出 计 算 机 控 制 的 ＢＷ４５Ｐ 型 凿 岩 机 器 人 。它 装 有 带 多 重 处 理 器 的 微 型 计 算 机 ， 存 储 １０ 种凿岩布孔图； 机械臂定位和凿岩机运动 均由传感器测定； 液压系统用电液比例阀 控 制 ； 可 实 现 定 位 、开 孔 、停 钻 和 回 退 的 全 自动控制。
但是， 尽管液压凿岩设备的自动化程 度比气动设备要高得多， 其效率却在很大 程度上依赖于凿岩工人。仅由于凿岩工人 控制机械臂和凿岩机的熟练程度不同， 凿 岩 效 率 相 差 可 高 达 ３０％左 右 。此 外 ， 爆 破 效 率依赖于凿岩效率， 而凿岩效率又由凿孔 速 度 、凿 孔 精 度 所 决 定 ， 凿 岩 效 率 越 高 ， 爆 破效率就越高。而一般的液压凿岩钻车难 于同时控制影响凿孔精度的各个相关因 素。
８０ 年 代 中 期 ， Ｂｅｖｅｒ 公 司 为 计 算 机 控 制 的钻车 开 发 了 Ｂｅｖｅｒ 全 自 动 数 据 导 向 系 统 ， 该系统是用于实现准确的隧道轮廓控制和每 个工作断面开挖计划的一套隧道数据系统， 它由大量的硬件和软件组成。硬件主要由安 装在各机械臂关节点上的角度传感器、测量 机 械 臂 外 伸 和 推 进 器 回 缩 的 线 性 传 感 器 、测 量凿孔速度的传感器、测量钻车倾斜度的倾 斜仪、机载 ＩＢＭ 兼容机以及有关数据转换装 置组成。各传感器的信号被传输到机载计算 机上， 转换为可读数据在显示器上显示。 Ｂｅｖｅｒ 数据 系 统 软 件 包 括 隧 道 制 图 软 件 ＴＵ－ ＣＡＤ， 隧道轴线和激光束信息的控制软件和 自动定位与凿岩控制软件。ＴＵＣＡＤ 用电子图 表的形式在三向坐标系中表示隧道轴线与激 光束之间的关系， 并由办公室的计算机通过 数据转换盒转换到机载计算机。控制系统的 存储器至少可存储 １５ 种凿岩方案以供调用。 凿岩时， 操作工人可从机载计算机显示器上
法 国 Ｍｏｎｔａｂｅｒｔ 公 司 的 Ｒｏｂｏｆｏｒｅ 型 凿 岩 机器人， 其计算机控制系统存储有 ９０ 种凿岩 布孔图， 凿岩工作均由计算机通过传感器和 电液阀进行检测与控制。该机器人在法国的 Ａｌｂｒｅｄ 公司地下铁矿使用时， 操作工人只需 选择存储在计算机内的布孔图， 确定钻车的 初始位置， 凿岩工作自动进行， 无需人参与。 机 械 臂 的 一 次 定 位 时 间 由 一 般 的 ２５～３０ 秒 减少到 １０ 秒， 钻孔位置误差不大于 １０ ｍｍ， 采矿成本降低了 ２０％。