蛇形機器人成盾構機刀具“隨行醫生”

王程持操作手柄演示蛇形檢測機器人。 洪恒飛攝

作為開掘隧道的利器，盾構機在地下勢如破竹，依靠前端刀盤上的刀具可切削泥土或者破碎岩石。但刀具是易耗品，其運行狀態直接影響施工效率。盾構過程中，泥土在高溫的作用下易形成泥餅粘在刀具上，此外硬質岩石等硬物也會影響刀具的使用壽命。而且，盾構機內部空間複雜、狹小，工作環境惡劣，人工開展檢測作業難度大、有安全隱患。因此，蛇形機器人是檢測刀具健康情況的好幫手。

　　記者近日了解到，由浙江大學高端裝備研究院特種機器人部科研團隊研製的超冗余蛇形檢測機器人已經在盾構場景應用。該機器人參照蛇骨架結構與肌腱驅動原理，能在65攝氏度、壓強2兆帕、濕度90%以上的環境下作業。其身體分節，直徑十多厘米，總長2.4米，可通過手柄控制。

　　“蛇形機器人首先要靈巧，才能順利避開障礙、抵達工作區域。”浙江大學高端裝備研究院特種機器人部負責人王程介紹，嚴格來説，蛇形機器人屬於拉索驅動串聯機器人的一種，普遍存在裝配誤差、拉索彈性變形、負載導致的定位控制難等問題。

　　為此，團隊在機器人關節間鉸鏈中嵌入微型磁感應角位移傳感器，研究剛柔耦合動力學建模方法，並設計了一種智慧閉環控制算法，實現誤差補償。這滿足了機器人需要進行高精度軌跡跟蹤的控制需求，令機器人頭部定位精度達到毫米級。

　　“安裝攝像機、高壓噴嘴等工具的一端，可以被看作蛇形機器人的頭部。”王程介紹，由於蛇形機器人有十幾個自由度，在避障時同時控制所有自由度非常困難。為此，團隊提出了一種蛇行隨動避障控制算法。在操作機器人時，工作人員只需控制機器人頭部的方向和機器人整體的運動方向，機器人的身體便會沿著頭部走過的路徑動作，從而實現自動避障。

　　除了從技術層面確保行動性能外，團隊還採用數字孿生技術，在控制端建立起機器人與盾構機的數字化模型，用來判斷機器人與盾構機刀具的相對位置。這樣，操作人員就可以通過操作手柄輕鬆實現蛇形機器人在盾構機內的導航。

　　進入工作區域後，蛇形機器人通過對盾構機刀具的特徵識別，能實現刀具上泥塊的自動沖洗。此外，此識別功能還可採集刀盤刀具圖像數據，分析刀具磨損的視覺特徵，為進一步開展換刀工作提供決策依據。該識別功能對盾構機刀具檢測的精度可達到毫米級。

　　王程介紹，2022年3月至7月，這款蛇形檢測機器人已在深圳機場至大亞灣城際鐵路工程先開段隧道工程中的“先鋒2號”雙模盾構機上成功應用，是國內首個通過技術應用驗證的盾構機蛇形檢測機器人。

　　浙江大學高端裝備研究院副院長沈洪垚説，該檢測機器人能夠有效降低人工入艙風險，降低工人勞動強度，從而大幅提升施工效率與安全水平。此外，該機器人還可實現對盾構機刀具的健康管理，有效延長刀具使用壽命，縮短施工週期，降低施工成本。

　　他介紹，研究院目前正與國內盾構機行業龍頭企業開展合作。下一步，他們將小批量試産盾構機蛇形檢測機器人，並在多種型號的盾構機上進行試用，推動其標準化、産業化發展。