蛇形机器人成盾构机刀具“随行医生”

王程持操作手柄演示蛇形检测机器人。 洪恒飞摄

◎洪恒飞 本报记者 江 耘

作为开掘隧道的利器，盾构机在地下势如破竹，依靠前端刀盘上的刀具可切削泥土或者破碎岩石。但刀具是易耗品，其运行状态直接影响施工效率。盾构过程中，泥土在高温的作用下易形成泥饼粘在刀具上，此外硬质岩石等硬物也会影响刀具的使用寿命。而且，盾构机内部空间复杂、狭小，工作环境恶劣，人工开展检测作业难度大、有安全隐患。因此，蛇形机器人是检测刀具健康情况的好帮手。

记者近日了解到，由浙江大学高端装备研究院特种机器人部科研团队研制的超冗余蛇形检测机器人已经在盾构场景应用。该机器人参照蛇骨架结构与肌腱驱动原理，能在65摄氏度、压强2兆帕、湿度90%以上的环境下作业。其身体分节，直径十多厘米，总长2.4米，可通过手柄控制。

“蛇形机器人首先要灵巧，才能顺利避开障碍、抵达工作区域。”浙江大学高端装备研究院特种机器人部负责人王程介绍，严格来说，蛇形机器人属于拉索驱动串联机器人的一种，普遍存在装配误差、拉索弹性变形、负载导致的定位控制难等问题。

为此，团队在机器人关节间铰链中嵌入微型磁感应角位移传感器，研究刚柔耦合动力学建模方法，并设计了一种智能闭环控制算法，实现误差补偿。这满足了机器人需要进行高精度轨迹跟踪的控制需求，令机器人头部定位精度达到毫米级。

“安装摄像机、高压喷嘴等工具的一端，可以被看作蛇形机器人的头部。”王程介绍，由于蛇形机器人有十几个自由度，在避障时同时控制所有自由度非常困难。为此，团队提出了一种蛇行随动避障控制算法。在操作机器人时，工作人员只需控制机器人头部的方向和机器人整体的运动方向，机器人的身体便会沿着头部走过的路径动作，从而实现自动避障。

除了从技术层面确保行动性能外，团队还采用数字孪生技术，在控制端建立起机器人与盾构机的数字化模型，用来判断机器人与盾构机刀具的相对位置。这样，操作人员就可以通过操作手柄轻松实现蛇形机器人在盾构机内的导航。

进入工作区域后，蛇形机器人通过对盾构机刀具的特征识别，能实现刀具上泥块的自动冲洗。此外，此识别功能还可采集刀盘刀具图像数据，分析刀具磨损的视觉特征，为进一步开展换刀工作提供决策依据。该识别功能对盾构机刀具检测的精度可达到毫米级。

王程介绍，2022年3月至7月，这款蛇形检测机器人已在深圳机场至大亚湾城际铁路工程先开段隧道工程中的“先锋2号”双模盾构机上成功应用，是国内首个通过技术应用验证的盾构机蛇形检测机器人。

浙江大学高端装备研究院副院长沈洪垚说，该检测机器人能够有效降低人工入舱风险，降低工人劳动强度，从而大幅提升施工效率与安全水平。此外，该机器人还可实现对盾构机刀具的健康管理，有效延长刀具使用寿命，缩短施工周期，降低施工成本。

他介绍，研究院目前正与国内盾构机行业龙头企业开展合作。下一步，他们将小批量试产盾构机蛇形检测机器人，并在多种型号的盾构机上进行试用，推动其标准化、产业化发展。