基于鉆機遙控改造的鉆爆堵一體化機器人設(shè)計

褚明杰 張鋒 孟慶鑄

【摘要】針對山區(qū)地震搶險救援危險度高，搶險設(shè)備智能化程度低，工作效率差等問題設(shè)計了基于鉆機遙控改造的集鉆孔、封堵、爆破于一體的機器人系統(tǒng)，研究了鉆機液壓系統(tǒng)原理，綜合視覺技術(shù)、無線通訊和遙操作等相關(guān)技術(shù)建立了系統(tǒng)的總體方案。

【關(guān)鍵詞】地震搶險救援；機器人；鉆機

Abstract： For Mountain Earthquake Rescue danger of high and low degree of intelligent emergency equipment， poor performance issues design rig remote control transformation set drilling， plugging， blasting in one of the robot system of drilling rig hydraulic system principle， comprehensive vision technology， no line communications and remote operation and other related technologies the overall scheme of the system is established based on.

Key words： earthquake rescue，robot，drilling machine

1、引言

目前，山區(qū)地震搶險救援中處理山石滑落封道的方法通常是采取人工操作鉆機對山石鉆孔，人工裝藥并進(jìn)行爆破。作業(yè)過程中經(jīng)常伴有余震及山石二次滑落發(fā)生，嚴(yán)重危害救援人員的人身安全，且救援作業(yè)經(jīng)常被打斷，效率低下。所以建立一套安全、高效、智能的鉆爆一體化機器人系統(tǒng)勢在必行。本文在改造手動操作鉆機的基礎(chǔ)上應(yīng)用了視覺技術(shù)、無線通訊及遙操作等相關(guān)技術(shù)，建立了集鉆孔、封堵及爆破于一體的鉆爆堵機器人系統(tǒng)。

2、機器人總體方案設(shè)計

2.1總體方案 在全液壓履帶式鉆機（以阿特拉斯D7型號為例）基礎(chǔ)上進(jìn)行遙控改造，增加裝藥與封堵機構(gòu)及相應(yīng)液壓驅(qū)動裝置，通過鉆機的換桿機構(gòu)更換放藥裝置及封堵裝置，并通過攝像機來協(xié)助定位，完成整個鉆孔、放藥、封堵的工作流程?？傮w系統(tǒng)框架如圖所示。

整個系統(tǒng)分為遙操作盒及車體控制系統(tǒng)兩部分，遙操作盒與車體間通過工業(yè)級無線寬帶設(shè)備點對點連接。車體控制系統(tǒng)分為主站控制器及從站控制器，主站控制器做為系統(tǒng)主控單元，接收遙操作指令并完成系統(tǒng)邏輯控制。從站控制器為系統(tǒng)執(zhí)行單元，完成液壓系統(tǒng)驅(qū)動及信號采集。主從站間通過CAN總線通訊。

考慮到應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)抗震性和穩(wěn)定性的較高要求，從站控制器采用專為工程車輛開發(fā)的面向液壓控制的控制器，此類控制器具有CAN接口，支持CANopen和SAE J1939協(xié)議。主站控制器由于需要具有視覺定位功能，需要有較高的處理能力，采用定制的基于X86架構(gòu)的嵌入式主板。遙操作盒采用工程化設(shè)計，滿足野外應(yīng)用要求，帶有操縱桿、旋鈕開關(guān)、撥動開關(guān)及指示燈等。

2.2液壓控制系統(tǒng)遙控改造方案 阿特拉斯D7鉆機液壓系統(tǒng)采用直控式控制系統(tǒng)，主要分為鉆機行走系統(tǒng)、懸臂與推進(jìn)梁定位系統(tǒng)、鉆進(jìn)操作系統(tǒng)、鉆桿操作系統(tǒng)。

2.2.1鉆機行走系統(tǒng)改造 原系統(tǒng)通過兩個手柄分別控制兩個手動先導(dǎo)閥，驅(qū)動液壓馬達(dá)主閥芯，實現(xiàn)液壓馬達(dá)控制，手柄可以控制行走速度和方向，可通過并聯(lián)比例閥方式，實現(xiàn)行走遙控。2.2.2懸臂和推進(jìn)梁定位系統(tǒng)改造 原系統(tǒng)懸臂及推進(jìn)梁的定位控制，通過3個手柄控制手控液壓閥直接控制速度和方向?？赏ㄟ^并聯(lián)比例閥方式，實現(xiàn)懸臂與推進(jìn)梁的定位遙控。2.2.3鉆進(jìn)操作系統(tǒng)改造 原系統(tǒng)通過集成的鉆進(jìn)手柄操作，實現(xiàn)鉆機的旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)及沖擊控制。PLC采集手柄信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪壿嬇袛嗪筝敵隹刂齐姶砰y。該系統(tǒng)主要為開關(guān)量的輸入及輸出控制（液壓及氣壓電磁閥控制）?？稍谶b控盒上并聯(lián)手柄，采集輸入信號，從站控制器經(jīng)過邏輯處理后控制輸出。2.2.4鉆桿操作系統(tǒng)改造 集成鉆機鉆進(jìn)操作以外的全部操作，如換桿接桿系統(tǒng)，點火開關(guān)、行進(jìn)鉆進(jìn)切換、集塵器開關(guān)等功能。該系統(tǒng)一部分為PLC控制，還有一部分為開關(guān)直接控制?？稍谶b控盒上并聯(lián)開關(guān)輸入信號，從站控制器控制經(jīng)過邏輯處理后控制輸出。

3、機器人封堵技術(shù)研究

3.1鉆孔自動識別及定位技術(shù) 遙控鉆機鉆孔后，需將雷管放置到鉆好的孔中，具體方案是在機器人端增加圖像識別與自動定位功能。相機采集鉆孔的二維圖像，并對鉆孔的圓口進(jìn)行特征點識別，計算出圓口的中心坐標(biāo)點。將圓口的中心位置與攝相機視場的中心位置做比較，根據(jù)偏差量控制機械臂來移動注射機構(gòu)。

3.2放藥及封堵方案 設(shè)計機械接口與鉆桿相同的PVC管及橡膠堵蓋，將其預(yù)先置于鉆桿庫中，當(dāng)鉆孔工序完成后，通過換桿機構(gòu)將裝入炸藥的PVC管頂端與滑架回轉(zhuǎn)接頭固定，然后進(jìn)給PVC管，使其下移至鉆孔處，當(dāng)其部分插入鉆孔后，使用上下夾桿器將PVC管與滑架回轉(zhuǎn)接頭脫離，松開夾桿器，使PVC管和炸藥一同落入鉆孔內(nèi)。若PVC管不能可靠落入鉆孔中，通過換管機構(gòu)將一根鉆桿與滑架回轉(zhuǎn)接頭固定，通過慢速推進(jìn)鉆桿，將PVC管推入鉆孔內(nèi)，完成放藥工序。橡膠堵蓋中間為大于鉆孔孔徑的圓盤結(jié)構(gòu)，下部可塞入鉆孔內(nèi)進(jìn)行封堵，上部通過接頭采用螺紋連接方式連接鉆桿，鉆桿另一端連接滑架回轉(zhuǎn)接頭，實現(xiàn)可靠進(jìn)給；進(jìn)給到一定長度后，通過上下夾桿器和回轉(zhuǎn)接頭將鉆桿與橡膠堵蓋分離，完成封堵工序。

4、結(jié)論

本文通過對鉆機原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析后提出了遙控改造的實施方案并增加裝藥與封堵功能。采取視距內(nèi)遙控操作方式，消除救援過程中對人員、設(shè)備的安全事故隱患和危害，解除工人繁重的勞動，有效地提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張為春，鄒廣德，高松.輪式工程車輛遙控操縱電液系統(tǒng)設(shè)計[J].山東交通學(xué)院學(xué)報.16/2-0032（2007）01-0059-04 .