study on mechanical structures of shotcrete robot
li yunjiangfan binghuirong xuewensu xuecheng
（shandong mining institute）
abstract：the mechanical structure and movement theory of shotcrete robot is presented in the paper. it is shown through application that the shotcrete robot ,with simple and reasonable structure,and high reliability,is easy to use and maintain.
keywords：shotcrete robot, structure design, shotcrete working▲
喷浆支护是建设施工中广泛采用的支护方法，但也存在着亟待解决的重要缺陷。人工喷浆时，回弹造成的飞砂走石使工人不敢睁眼、抬头,无法实施喷枪与受喷面垂直、喷枪口与受喷面保持最佳距离等喷浆工艺的要求。因而造成：
1. 混凝土的回弹率高，材料浪费大；
2. 施工现场的空气中粉尘严重超标，使作业人员的健康严重受损；
3. 混凝土结构疏密不一，喷层质量不能保证；
4. 对于大断面隧道，人工喷浆需搭脚手架，影响施工速度且费工、费料。
克服上述缺陷的根本出路是采用机器人、机械手。国外从1960年开始采用机械手喷浆。从1965年以后，我国煤炭部、铁道部和冶金部都有不少单位研制机械手，但一直未获得令人满意的成果。现国内采用的喷浆机械手全是进口的，价格高，且维修和配件供应均很困难。因此山东矿业学院机器人研究中心于1989年开始我国煤矿井下第一台机器人——喷浆机器人的研究（国家863计划项目）。
机械结构和动作原理
喷浆机器人的结构方案如图1所示。
图1 喷浆机器人结构示意图
该机器人有6个自由度，即大臂俯仰，小臂摆动，手腕转动，喷枪摆动，喷枪转动和整车行走。其动作原理与结构特点是：
1. 大臂由四连杆组件和平衡拉杆组件构成的三重四连杆机构组成，在油缸的驱动下作俯仰运动，由于四连杆件各部件尺寸的制约，大臂末端的运动轨迹为1条近似的铅垂线。
2. 小臂（即平衡四杆）在液压马达2的驱动下可在水平面内摆动，由于小臂四连杆做成平行四边形机构，故摆动时，其末端做平动运动。
3. 手腕由液压马达及蜗轮蜗杆机构3构成，手腕转动带动枪杆在隧道横断面的拱部摆动。
4. 液压马达5驱动喷枪摆动，以调整喷枪的姿态，这样可在遇到大凹时，使得喷枪垂直受喷面。
5. 液压马达4驱动喷枪转动。即当喷枪自转时，就可以完成喷枪口的划圆动作。
6. 液压马达1驱动底盘车作前后往复运动，使得喷枪能水平移动。
依靠这6个自由度，就可实现图2～图4所示的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。
图2 隧道断面轮廓
图3 喷枪的瞬间位置与姿态
图4 喷枪口运动轨迹与喷枪移动路线
由于隧道中的铁轨一般不在正中，即使是用胶轮，底盘车一般也不在隧道中央，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；再调整枪杆在手腕部夹持器中的位置，使得喷枪口至受喷面的距离1m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，机器人开始在轨道上移动，喷射物在受喷面上划出一串螺旋线，形成1条20cm宽的喷射带；机器人边在铁轨上移动，喷枪边划着圆圈，当移至设定距离后，靠大臂的仰起动作抬高20cm，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，依靠枪杆转动设定的角度和机器人底盘车在铁轨上的平移，喷枪口在划圆的过程中也在拱部受喷面上形成20cm宽的喷射带并与帮的喷射带紧密相接；喷拱部的过程与喷帮类似，依次进行，直至拱顶。到达拱顶后，或返回至起始位置进行第2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。
理论分析与工业试验
经理论分析，特别是实践表明，机器人的结构设计是合理的，实施后获得了十分满意的结果，受到机器人界和地下工程界的专家、工程技术人员和工人的普遍好评。这里仅以3个主要的自由度为例。
1. 大臂俯仰，由于采用图1所示的三重四连杆机构，四连杆件和平衡拉杆，只需驱动1个油缸，就可实现大臂俯仰时其末端沿铅垂于轨道平面的直线运动和小臂的水平平动，从而可方便地实现图4要求的运动轨迹，若为关节型机器人，则至少需3个关节动作，这不仅减少了2套关节控制系统，降低了成本，而且是使得操作既简单又直观，很适合操作工的实际。
2. 小臂摆动，由于采用平衡四杆，使得小臂摆动时，喷枪的姿态能够保持不变，这对一般的关节型机器人来说，也至少需2个以上的关节同时动作，有与大臂设计的同样效果。
3. 枪杆采用以小臂末端为圆心的摆动，充分适应了隧道拱部为一半圆柱面或部分柱面这一特点，使得拱部喷浆作业变得非常容易实现。实践表明，简化操作不仅是减少几个操作动作的问题，更重要的是，无需调整或无需经常调整，或若需调整但很快就能调整好，意味着工作在最佳工况下的时间长、偏离最佳工况的时间少；因为喷浆作业是连续进行的，如果喷浆作业从1个位置移至下1个位置时需要几个动作才能保证喷枪与受喷面垂直和等距的话，那么喷枪在连续运动中就必须连续不停地调整，这样就使得喷枪在大部分时间里处于非最佳工况（垂直、等距）；而按本喷浆机器人的机构设计，只需在某几个轨迹转折点上（如图4所示）作一个动作，调整即可完成，因此可长时间地稳定工作于最佳工况。此外，自由度少，也意味着所需的伺服控制系统少，可大大降低成本，增强竞争力。
结语
可以认为该喷浆机器人的研制是成功的，特别在大、小臂和枪杆摆动的结构上，明显优于国外代表性产品meyco robojet。1997年9月，经国家科委审定，将该产品列入“国家科技成果重点推广计划项目”；1998年初，国家科委和国家863计划专家组共同组织并主持由机器人领域、隧道领域专家组成的评审委员会对本项目进行专题评审，将其确定为国家863计划的目标产品项目（编号：863-512-806-02）。
基金项目：国家863计划资助项目和“九五”科技成果重点推广计划项目
作者单位：李云江（山东矿业学院机器人研究中心 250031）
樊炳辉（山东矿业学院机器人研究中心 250031）
荣学文（山东矿业学院机器人研究中心 250031）
苏学成（山东矿业学院机器人研究中心 250031）
参考文献：
［1］王焕文，王继良.锚喷支护.煤炭工业出版社，1989.
［2］syd.s.peng. coal mine ground control. wiley-interscience publication john wiley & sons,new york,1988. |
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