液压拆除机器人发展现状研究

第４期（总第２０９期）２０１８年８月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．４Ａｕｇ．文章编号：１６７２６４１３（２０１８）０４０２１２０３櫜液压拆除机器人发展现状研究李　炯１，２，王　瑜１，２，刘宝林１，２，王志乔１，２（１．中国地质大学（北京）工程技术学院，北京　１０００８３；２．国土资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京　１０００８３）摘要：综述了国内外液压拆除机器人的应用领域和配套工具头的发展特点，总结了液压拆除机器人的性能现状、技术特点和关键技术，提出国内拆除机器人可发挥成本优势，缩小同国外产品差距，并设计研发新型破拆原理工具头。最后指出拆除机器人应将朝着结构紧凑、智能、绿色、环保的方向发展。关键词：液压；拆除机器人；工具头；研究现状中图分类号：ＴＰ２４２．３　　　文献标识码：櫜Ａ国家自然科学基金资助项目（４１６７２３６６）；中央高校基本业务费项目（２９２０１７０６２）；国家科技支撑项目（２０１５ＢＡＤ２０Ｂ０２）收稿日期：２０１８０２０１；修订日期：２０１８０５１０作者简介：李炯（１９９３），男，河南周口人，在读硕士研究生，研究方向：地质工程机械与拆除机器人。０　引言拆除机器人是为适应粉尘、高温、高辐射、高噪声等恶劣工作环境而开发的一种遥控工业机器人［１］，其广泛应用于建筑拆除、抢险救援、冶金、核能、水泥、轨道交通等行业［２－３］，随着我国社会的发展，拆迁的工程量增大，拆除机器人的应用范围将越来越广。拆除机器人涉及到机械设计与制造、液压技术、信号处理、自动控制、传感器、人工智能、软件技术等领域，它主要包括主机和工具两大部分，而主机又包括液压驱动系统、无线信号控制系统、履带底盘系统、回转系统和工作力臂等部分。本文综述了国内外液压拆除机的应用领域和发展趋势，总结了液压拆除机的性能现状、技术特点和关键技术，提出国内拆除机器人的发展方向。１　国外拆除机器人发展现状目前，国外研制生产拆除机器人的厂家主要有瑞典ＢＲＯＫＫ公司、德国ＴＯＰＴＥＣ公司、芬兰ＡＶＡＮＴ公司及美国ＳｔａｎｌｅｙＢｌａｃｋ＆Ｄｅｃｋｅｒ公司，而ＢＲＯＫＫ公司是拆除机器人最大的供应商。１．１　Ｂｒｏｋｋ系列机器人Ｂｒｏｋｋ多功能破拆机器人在建筑拆除、隧道开挖、抢险救援、冶金炉窑的打渣和内衬拆除及核设施退役等方面都有成功应用，其部分性能参数见表１。Ｂｒｏｋｋ４００（见图１）凭借灵活的机动性、巨大的冲击力、超大作业半径等优点，在国内拆除领域备受到青睐。１．２　ＴｏｐＴｅｃ系列拆除机器人ＴｏｐＴｅｃ系列拆除机器人主要用于工业生产和各类钢筋混凝土建筑的拆除，其最大工作压力均为２５ＭＰａ，其他主要性能参数见表２。ＴｏｐＴｅｃ公司目前拥有的４种产品外观相近且均能与液压破碎锤、液压剪及液压铲斗搭配使用，其中ＴｏｐＴｅｃ５５００（见图２）工作范围高达７ｍ，托举重量达１２８０ｋｇ，适合条件苛刻的拆除工作。表１　部分Ｂｒｏｋｋ系列拆除机器人性能参数型号几何尺寸（宽×高）（ｍｍ）工作范围（宽×高）（ｍｍ）工作压力（ＭＰａ）动力功率（ｋＷ）最大流量（Ｌ／ｍｉｎ）Ｂｒｏｋｋ６０５９０×８７４２５００×３１００１８６２２Ｂｒｏｋｋ１１０７８０×１１４７３７００×４３００１８１６．５５４Ｂｒｏｋｋ１２０Ｄ７８０×１２５０３７００×４３００１８１８．５５０Ｂｒｏｋｋ１６０７８０×１２５４４４００×４８０１７．５２２６２Ｂｒｏｋｋ２８０１２００×１５３０５８００×６２００１７２７１００Ｂｒｏｋｋ４００Ｄ１６００×１９７５６７００×７１００１７７４１３０Ｂｒｏｋｋ４００１６００×１７９２６７００×７１００１７３６１１５表２　ＴｏｐＴｅｃ系列拆除机器人性能参数型号几何尺寸（宽×高）（ｍｍ）工作压力（ＭＰａ）动力功率（ｋＷ）最大流量（Ｌ／ｍｉｎ）ＴｏｐＴｅｃ１８５０Ｅ７８０×１４５０１８１８．５９０ＴｏｐＴｅｃ２５００８００×１６００１８３０７０ＴｏｐＴｅｃ４５００１４８０×１８５０２０３５１００ＴｏｐＴｅｃ５５００１４８０×１８５０２０３５１００图１　Ｂｒｏｋｋ４００拆除机器人图２　ＴｏｐＴｅｃ５５００拆除机器人１．３　ＡＶＡＮＴ１８５拆除机器人和ＳｔａｎｌｅｙＬａＢｏｕｎｔｙＦ１６拆除机器人ＡＶＡＮＴ是芬兰一家以农业机械为主的公司，收购ＦＩＮＭＡＣ之后，在原来ＦｉｎｍａｃＦ１６的基础上设计出用于建筑拆除的ＡＶＡＮＴＲＯＢＯＴ１８５（见图３），它的工作压力为２５ＭＰａ，功率为１８．５ｋＷ，工作范围（宽×高）达到４５００ｍｍ×５２００ｍｍ。ＳｔａｎｌｅｙＬａＢｏｕｎｔｙＦ１６拆除机器人（见图４）由美国ＳｔａｎｌｅｙＢｌａｃｋ＆Ｄｅｃｋｅｒ公司设计生产，可搭配多种工具头，其最小宽度为７８０ｍｍ，驱动功率为１９ｋＷ，５ｍ长的伸缩臂能３６０°旋转，工作时４个撑脚能自动调整高度使其保持稳定。图３　ＡＶＡＮＴ１８５图４　ＳｔａｎｌｅｙＬａＢｏｕｎｔｙ拆除机器人Ｆ１６拆除机器人上述拆除机器人也有一些差异：①工作臂形式：ＡＶＡＮＴ１８５和ＳｔａｎｌｅｙＬａＢｏｕｎｔｙＦ１６拆除机器人采用镂空式工作臂，该形式可以有效地减轻机器人裸机重量；②液压缸安装：Ｂｒｏｋｋ和ＴｏｐＴｅｃ系列拆除机器人大臂和二臂液压缸的安装方式和位置会影响其结构尺寸；③支腿结构：ＳｔａｎｌｅｙＬａＢｏｕｎｔｙＦ１６拆除机器人拥有的能自动调整高度的支腿与其他产品有明显差异。２　国内拆除机器人发展现状拆除机器人的引进引起我国建筑拆除的革命性变革，目前已广泛应用于隧道施工、危险建筑物或构筑物拆除、修补［４］，但长期以来我国拆除机器人技术远远落后于发达国家，近年来，惊天智能装备股份有限公司研发制造出多种具有自主知识产权的国产多功能拆除机器人，打破国外企业在这一领域的垄断［５］，除此之外，宣化鼎信矿冶机械有限责任公司以及中国地质大学（北京）生产的多功能拆除机器人也已用于工程实践中。２．１　ＧＴＣ系列拆除机器人惊天智能装备股份有限公司拥有的ＧＴＣ系列拆除机器人在智能化、节能环保、工作效率、适应性及安全性方面已达到国际领先水平，其主要性能参数见表３。表３　部分ＧＴＣ系列拆除机器人性能参数型号几何尺寸（长×高×宽）（ｍｍ）工作范围（深×高×宽）（ｍｍ）工作压力（ＭＰａ）动力功率（ｋＷ）最大流量（Ｌ／ｍｉｎ）ＧＴＣ１５Ｃ２８２０×１３８０×９９０１４５０×４６５０×４２１５１７１４．２６６ＧＴＣ３０Ｄ３８５０×１５９０×１２１０２７００×６２００×５８００１７２２１００ＧＴＣ４５４０４０×１９１８×１４６３３１５７×７０１５×６３２５２１２２１１０ＧＴＣ５０Ｃ４６６０×１８９０×１６４０２６００×６８００×６５００１７５４１４０２．２　ＤＸＣＣ系列拆除机器人宣化鼎信矿冶机械有限责任公司生产的ＤＸＣＣ６５０（见图５）多功能拆除机器人，可搭配液压剪、扒钩、合金钻等工具头，实现挖、剪、铣、钻钩等作业，凭借环保、节能、安全及工作效率高、适应性能强成为冶金、水泥、建筑拆除、抢险救援及核能高危行业中的佼佼者。２．３　ＲＨＢ系列拆除机器人中国地质大学（北京）与北京力工工程机械联合研发出适用于室内拆除的ＲＨＢ４５拆除机器人（见图６），ＲＨＢ４５拆除机器人几何尺寸为４．２×１．３×２．９（ｍ），最大裸机臂展为３．８ｍ，额定功率为４５ｋＷ，工作压力为２５ＭＰａ，液压泵最大流量为１４０Ｌ／ｍｉｎ。图５　ＤＸＣＣ６５０拆除机器人图６　ＲＨＢ４５拆除机器人不难看出，ＧＴＣ系列拆除机器人无论在结构、形式还是多样性等方面都是国内拆除机器人中的“霸主”。３　工具头的发展特点拆除工作复杂多变，拆除之后产生的建筑垃圾需要及时清理。为使拆除工作高效、经济、环保，拆除机器人工作属具也越来越多样化，可分为锤击式、剪切式、铲斗式及其他［６］。３．１　锤击式锤击式工作属具主要分为传统液压破碎锤和新兴高频破碎锤，均是以风动锤为基础，以液压泵为动力源，以液压油或氮气为工作介质，将液压能或气体储存的能量转换为机械冲击能的破碎工具［７－８］。常见的液压破碎锤冲击功为３００Ｊ～１００００Ｊ，工作效率一般为６０％～６５％。经过４０多年的发展已被广泛应用于矿山岩石破碎、建筑物拆除、道路施工等。３．２　剪切式剪切式工作属具主要有液压剪、液压钳和废钢剪切机，三者均利用主机液压动力源通过液压缸带动剪切臂进行剪切或咬合破碎从而达到拆除的目的，前两者适用于钢筋混凝土的拆除破碎，而废钢剪切机更适用于金属材料的切割和回收。３．３　铲斗式铲斗式工作属具包括铲斗、夹斗和抓斗，主要是用来挖掘土壤、黄沙、石子和建筑垃圾等松散物料的一种斗状构件。三者又有区别，夹斗是为减少物料翻落在铲斗前面安装挡板而成，在物料容易翻落或装载举升较高的地方其优势更加明显；抓斗主要靠左右两个组合斗或多个颚板的开合抓取和卸出散状物料。３．４　其他除上述介绍的几种工作属具外，液压钻、铣刨头、液压夯、松土器、切割锯、劈裂器等也经常和拆除机器人在隧道、沟槽、路面破碎及有建筑物拆除等施工过程中搭配使用。４　拆除机器人关键技术４．１　液压驱动技术拆除机器人的行走和机械臂收缩及属具工作需要液压驱动，液压驱动技术涉及到大量的控制组件，其与阀门、调节泵以及执行机构融合为一体的特点决定了·３１２·　２０１８年第４期　　　　　　　　　　　　李炯，等：液压拆除机器人发展现状研究液压驱动需要一个供多种设备属性整合的环境。４．２　遥控技术遥控技术是现代拆除机器人在恶劣环境下工作的技术基础，由主端、从端和通信三个子系统组成［９－１０］，为达到系统快速响应和灵活控制动力系统的目的而以电信号为传递媒介，另外需满足多机同时工作的信号兼容，因此，遥控技术应满足精准、灵敏、抗干扰能力强等要求。４．３　整机优化设计拆除机器人工作时包含回转、伸臂、锤击、制动等运动，自身需承受强烈的冲击和振动，随着拆除机器人向轻量化、小型化方向发展，其工作装置在动载荷作用下的振动问题日益突出，因此需采用ＡＮＳＹＳ等软件对拆除机器人典型工况进行模态或运动分析，从而对总体方案与参数进行优化。５　结论与展望拆除机器人与挖掘机等工程机械在功能、产品结构、应用范围等方面有着较大的不同，目前，这项技术在国内刚刚起步，综合国内外研究现状，可得出以下结论：（１）国内拆除机器人同国外产品在液压系统可靠性、遥控操纵性、机械结构的合理性等方面具有较大差距，同时，国外产品已形成成熟系列，可适应不同场合多工况环境，国内拆除机器人需要发挥我国成本优势，在液压驱动、遥控、机械动态设计方面加强技术攻关。（２）配套工具头方面，国外已经开发出种类、功能完备的各型工具头，而国内仅只有系列破碎锤，且破碎锤的使用寿命与韩国、日本等国产品差距依然较大，国内应该在提高破碎工具头寿命和可靠性的同时，研发新型破拆原理的工具头以适应不同工况的要求。（３）拆除机器人主要应用于多粉尘、狭窄空间的拆除和改造工作，工作环境恶劣、复杂，随着我国环保要求的提升，拆除机器人将朝着结构紧凑、智能、绿色、环保的方向发展。参考文献：［１］　司癸卯，刘军伟，罗铭．智能拆除机器人的研究现状及发展趋势［Ｊ］．筑路机械与施工机械，２０１０，２７（１２）：８３８５．［２］　文怀兴，刘晓红．智能挖掘机器人控制系统的研究［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０（１０）：１５７１５９．［３］　ＰｉＭ，ＹａｎｇＴ，ＺｈａｎｇＨ．Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｒｏｂｏｔｕｓｅｄｉｎｎｕｃｌｅａｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ，２０１４，４２（２１）：２０２３．［４］　张振军．拆除机器人液压系统研究［Ｄ］．西安：长安大学，２００９：１４．［５］　蒋君．遥操作拆除机器人工作装置的设计与研究［Ｄ］．绵阳：西南科技大学，２０１６：２５．［６］　ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＦｏｃｕｓ．Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇａｎｄｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｏａｄｓ＆Ｂｒｉｄｇｅｓ，２０１５，５３（２）：５６５８．［７］　杨国平，方建，王亮．液压破