▍多接縫受限空間隧道日常管養(yǎng)亟需智能機(jī)器人加持

當(dāng)前，隧道工程在鐵路、公路、城市軌道交通以城市地下綜合管廊等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，隧道規(guī)模日趨龐大且發(fā)展迅速。隧道工程設(shè)計(jì)使用年限通常為100年，與短短幾年工程建設(shè)期相比，運(yùn)營(yíng)期更為漫長(zhǎng)，期間為保障運(yùn)營(yíng)期間隧道結(jié)構(gòu)的安全，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。以南京某隧道為例，其日常管養(yǎng)的土建工程直接工程費(fèi)用高達(dá)近800萬(wàn)元/年，如若加上由此產(chǎn)生的其他費(fèi)用，這個(gè)數(shù)字高達(dá)近1200萬(wàn)元/年。

盾構(gòu)隧道由管片拼裝而成，管片之間通過(guò)螺栓連接而成，整個(gè)隧道內(nèi)部存在大量的環(huán)縫與縱縫，盾構(gòu)管片接縫的變形，宏觀上看為橫斷面的收斂變形以及縱向的不均勻沉降，細(xì)觀上看是管片的錯(cuò)臺(tái)與接縫的張開。大直徑過(guò)江盾構(gòu)隧道主要用于滿足行車空間，在滿足機(jī)電、通風(fēng)、消防、排水等的要求的前提下，隧道頂部可用于進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)的空間極為受限。加之機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行、車輛尾氣等，使得受限空間內(nèi)隧道的安全監(jiān)測(cè)與檢測(cè)變得極為困難。隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用，大大地減少人工勞動(dòng)量。

典型病害（左：隧道變形，右：隧道滲水）

伴隨著隧道建設(shè)數(shù)量的快速增長(zhǎng)，隧道后期監(jiān)測(cè)與維護(hù)是目前面臨的一個(gè)重大難題，隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人的研究對(duì)于受限封閉空間滲漏水及接縫變形觀測(cè)顯得尤為重要，軌道式隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人尤其適用于大直徑的盾構(gòu)隧道、頂管隧道等的運(yùn)營(yíng)期安全監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，針對(duì)多接縫隧道結(jié)構(gòu)變形與滲漏監(jiān)測(cè)的軌道機(jī)器人可以24小時(shí)，不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病害的變化情況，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，提前預(yù)警。大大降低隧道頂部盾構(gòu)管片接縫張開、錯(cuò)臺(tái)、管片滲水等病害發(fā)生的可能性。在檢測(cè)、監(jiān)測(cè)結(jié)果的指引下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)隧道的病害情況，防患于未然，減小損失。在病害處置完成后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反應(yīng)病害治理的效果，為相關(guān)工作積累經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化曲線，反應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，保障結(jié)構(gòu)的安全。

▍集萃智造協(xié)作機(jī)器人再接省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目

近期，江蘇集萃智能制造技術(shù)研究所有限公司參與了江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（產(chǎn)業(yè)前瞻與關(guān)鍵核心技術(shù)）“多接縫受限空間隧道安全監(jiān)測(cè)智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（BE2020082）”項(xiàng)目，提供協(xié)作機(jī)器人完成隧道安全監(jiān)測(cè)軌道機(jī)器人的開發(fā)。

本項(xiàng)目旨在以軌道上運(yùn)行的六軸協(xié)作機(jī)器人以及仿生爬壁機(jī)器人為載體，通過(guò)多源信息感知與融合技術(shù)的智能化手段解決“長(zhǎng)距離、多接縫、受限空間”條件下長(zhǎng)大隧道的安全監(jiān)測(cè)難題，以實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)的“全覆蓋、全天候、全掌握”，保障隧道安全運(yùn)營(yíng)。

項(xiàng)目通過(guò)協(xié)作機(jī)器人解決在頂部上通過(guò)多軸的運(yùn)動(dòng)控制，利用機(jī)器人的靈活、重量輕和運(yùn)營(yíng)安全等優(yōu)點(diǎn)，解決從各個(gè)角度觀察隧道在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的各種缺陷，尤其是江底隧道、城市軌道交通隧道和公路隧道等，起到保障交通安全運(yùn)輸?shù)姆牢⒍艥u作用。集萃智造為協(xié)作機(jī)器人和爬壁機(jī)器人提供了新的應(yīng)用場(chǎng)景，這一創(chuàng)新，還可拓展應(yīng)用于地下管廊的各種危化品檢測(cè)領(lǐng)域。

▍創(chuàng)新協(xié)作機(jī)器人與爬壁機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景

集萃智造研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)多接縫受限空間隧道——這一特殊環(huán)境下的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，結(jié)合移動(dòng)式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，研制了一種手臂展開收攏與四輪驅(qū)動(dòng)模式切換相結(jié)合的隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人。這款創(chuàng)新的隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人，靈活運(yùn)用協(xié)作機(jī)器人和爬壁機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，集成移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)于一體。

此次研發(fā)的隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人按各部分功能要求將隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分成上位機(jī)、通訊模塊和機(jī)器人本體三個(gè)部分，并對(duì)系統(tǒng)每部分硬件與軟件進(jìn)行了選取與程序設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了由上層操作部分、下層處理單元和傳感裝置組成的硬件系統(tǒng)；基于Labview設(shè)計(jì)了軟件控制系統(tǒng)；功能上該監(jiān)測(cè)機(jī)器人采用了可視化界面，簡(jiǎn)便易操作的手柄遙控方法，實(shí)現(xiàn)了自主和半自主兩種控制模式；搭載高清攝像裝置以及七種氣體采集裝置，能夠再現(xiàn)隧道內(nèi)圖像與氣體成分，基于5G通訊保證通訊的穩(wěn)定可靠，能夠完成要求的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

此次針對(duì)隧道監(jiān)測(cè)機(jī)器人的研究，可以輔助解決隧道內(nèi)多接縫隧道結(jié)構(gòu)變形與滲漏監(jiān)測(cè)難，效率低，準(zhǔn)確率差的問題，將推進(jìn)隧道安全監(jiān)測(cè)工作的快速化、智能化、精確化、全面化發(fā)展，提高工作效率、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、降低隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。在解決實(shí)際問題的同時(shí)，集萃智造在智能機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景上的創(chuàng)新嘗試，也將促進(jìn)我國(guó)智能制造裝備的進(jìn)一步升級(jí)，產(chǎn)業(yè)空間和市場(chǎng)前景巨大，有望帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。