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1、土工离心机机器人发展概况与应用实例 孔令刚 张利民 （ 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室 、 浙江杭州 香港科技大学土木工程系 ， 香港九龙清水湾） 摘 要 ： 土工离心机机器人是近年出现的新型离心机实验设备 。 本文对该新型设备近年的发展现状及在土工离心 机实验研究领域的应用进行回顾 。 介绍土工离心机机器人的结构组成 、 工作特点 、 使用范围等 。 最后以单 桩扭转离心机模型实验为例 ， 具体介绍基于离心机机器人的模型实验过程 。 关键词 ： 土工离心机 ； 机器人 ； 模型实验 1 引 言 在岩土工程领域 ， 离心模型实验是解决工程问题和进行科学研究的有力手段 。 土工离心机实
2、 验的基本原理是将土工模型置于高速旋转的离心机中 ， 模型受到高于重力加速度的离心加速度作 用 ， 来补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重应力损失 ， 使模型土体能够复制原形土体的应力 状态 。 如果实验者不能在离心机运转过程中用手来直接干预实验过程 ， 往往需要停机来达到实验目 的 ， 从而导致试验扰动 。 要避免试验扰动 ， 就必须开发出各种机械装置来完成预想的实验操作 。 近 年来 ， 国际上出现了一种新的离心机机载设备 土工离心机机器人 。 该设备以其可以连续完成 多种实验操作 、 灵活高效 、 基于该设备的二次开发成本低等众多优点 ， 越来越受到各国同行的认可 和青睐 。 本文简述了土
3、工离心机机器人近年的发展情况 、 设备结构和性能等 ， 然后总结了土工离心 机机器人目前的应用情况 ， 最后以一个应用实例来直观说明该设备在土工离心模型实验中的突出 优点 。 2 土工离心机机器人 2 1 目前发展现状 土工离心机机器人的出现是近十年左右的事情 ， 但是它的出现很快就引起了广泛关注 。 十年 间 ， 土工离心机机器人获得了快速的发展 。 目前 ， 已经投入使用的土工离心机机器人已经有三台 。 法国 LCPC 实验室的 Derkx 等 于 在日本东京召开的国际离心机会议上对首台土工离心机 机器人进行了详细报道 。 该机器人是由 Actidyn 公司和 Cybernetics 公司
4、联合为 LCPC 实验室设 计制造 。 Ng 等 于 年的加拿大国际物理模型会议上详细介绍了香港科技大学（HKUST）的 土工离心机机器人 ， 该设备是由国内多家单位合作为香港科技大学 g 吨土工离心机研发制造 的 ， 设计最大工作离心加速度为 g 。 第三台土工离心机机器人是由 Actidyn 公司为美国纽约伦 斯勒理工学院（RPI）研制 。 Ubilla 等 于 年在中国香港召开的国际物理模型会议上介绍了该 设备的情况 。 UCDAVIS 的岩土实验中心目前也在建造一台土工离心机机器人 。 此外 ， 具有相似 功能的设备也不断出现 。 比如 ， 同济大学的复合型岩土离心机配备有一台机械手
5、， 该机械手可以在 模型箱的不同位置完成压桩和拔桩的过程 ， 还可以完成基坑和隧道开挖的模拟 。 土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 蝤罚龈 ( 下罂) 工曾蜂转器 工曾罂 驱蜂帖郫器 x 抑 】、抑 x 抑 2 2 土工离心机机器人系统组成 目前 ， 公开报道的三台机器人在外观 、 大小和性能等方面存在有差异 ， 但是它们整体结构和功 能有许多相似之处 。 本文以香港科技大学的 HKUST 离心机机器人为例 ， 简要介绍系统组成和性 能指标等情况 。 图 所示为 HKUST 离心机机器人的结构示意图 。 机器人的骨架均采用高强度 、 高性能 、 低密度的材料并被固定在铝质模型
6、箱上 。 从功能上分 ， 该机器人包括驱动机构 、 工具转换 装置和运动控制器三部分 。 驱动机构能够控制两个水平方向（x 轴和 y 轴）和竖直方向（z 轴）的运动及在水平面的转动（ 轴）。 z 轴和轴结构如图 所示的实物照片 。 机器人沿四轴方向的运动均由直流伺服电机驱动 。 x 轴 、y 轴 、z 轴和轴的主要性能指标见表 。 表 1 HKUST离心机机器人主要性能参数 x 轴 y轴 z 轴轴 行程 mm mm mm 度 最大移动速率 mms mms mms 度s 精度 畅 mm 技北畅 mm S畅 mm镲滗畅 度 最大荷载 N N N N m 机器人提供有 个工具盘用于实验操作中不同实验
7、工具的转换使用 。 图 中 ， 在 z 轴底端有 一个工具转换器（上盘）。 实验过程中 ， 机器人在操控下移动到工具架（图 中的 ）位置抓取工具 盘 ， 为实验开发的实验工具则安装在工具盘上 。 图 中所示的实验工具为四指气动抓 。 工具转换 器提供有 个电源通路 、 个气压通路和 个油压通路 。 图 1 HKUST离心机机器人 机器人的运动过程是由机器人控制系统来完成的 。 该控制系统由工业计算机 、 运动控制器 、 人 机交互软件和教学辅助部分组成 。 运动控制器是整套系统的核心 。 它接受控制程序发来的数据 ， 然后进行轨道计算并将计算结果传递到驱动器执行操作 。 人机交互软件为用户提供
8、了一个友好的 交互界面 。 该软件能提供 种操作模式 。 第一种是编辑模式 ，该模式下 ， 操作者可以输入一系列 的控制命令 ， 并将命令储存在文件中供调用 ； 第二种是模拟模式 ， 即利用软件提供的模拟功能来演 示机器人在命令控制下的全部运行过程 ， 这一模式可以大大提高机器人运行时的安全性 ； 第三种是 执行模式 ， 机器人会根据控制命令执行相应的动作 。 此外 ， 还设有暂停和紧急停止装置来应对各种 紧急情况 。 物理模型试验（含土工离心模拟试验） 3 土工离心机机器人应用实例 3 1 已有的应用实例 土工离心机机器人是一个离心机实验平台 ， 在这个平台上进行基于不同实验目的的二次设计
9、开发 ， 可以高效灵活地完成如打桩 、 开挖 、 动静力加载 、 实验测量等以前较难 、 甚至不能实现的实验 工作 。 离心机机器人平台具有方便灵活 、 应用范围广 、 不停机条件下连续完成多个实验操作等显著 特点 。 自第一台土工离心机机器人出现以来 ， 离心机机器人已经被广泛用于模拟不同的岩土工程问 题 。 Derkx 等 为 LCPC 离心机机器人开发了静力触探工具 ， 并开展了有关的离心实验研究 ， 实现 了在不停机条件下连续完成多个实验 ； Garnier 和 K迸nig 利用该机器人完成了钢带的上拔实验来 研究土 结构面性质 ； Gaudin 等 利用该机器人开展了开挖过程中土体与
10、地下连续墙相互作用的 研究 ， 该作者开发了一个 mm 宽的切削刀作为土体挖掘工具 ， 切削土体的厚度和深度通过控制 机器人移动实现 。 Ng 等 利用 HKUST 离心机机器人开展了建筑物纠偏的研究工作 。 实验研究者采用一个不 锈钢空圆筒作为钻孔工具 ， 将其安装在工具盘下 。 钻孔工具由机器人送到指定位置并钻孔 ， 挖取出 指定深度内的土体 ， 然后将土体移入储土罐 。 实验中共连续完成了 个孔 ， 每个孔分两次开挖 。 Kong 和 Zhang 利用该机器人开展了单桩水平加载和扭转加载模型实验研究 。 作者分别开发了 基于机器人的单桩水平加载实验系统和单桩扭转实验系统 。 两实验充分利
11、用机器人的特点 ， 在不 停机条件下连续地完成了多组模型实验 ； 对于每一组实验 ， 又连续完成打桩和水平扭转加载过程 ， 并且每组实验都采用了不同的加载速率 ， 研究加载速率对单桩承载力的影响 。 在研究盾构开挖失 稳问题中 ， 该机器人也曾用于扫描测量土面沉降 。 Ubilla 等 利用 RPI 离心机机器人模拟了近海风力发电机基础的受力变形情况 。 实验中通过 离心机机器人给模型桩头施加一个由位移大小控制的循环荷载 。 3 2 应用举例 现以 Kong 和 Zhang 的单桩扭转离心模型实验为例 ， 通过介绍完整的实验过程来具体了解 离心机机器人平台方便 、 灵活 、 高效的特点及离心机
12、机器人平台在完成复杂实验中的显著优势 。 以前的研究者采用双向气压作动器或步进电机来实现单桩扭转过程 。 Bizaliele 采用一个圆 盘将双向气压作动器的水平作用力转换为模型桩头的扭矩 。 这种加载装置结构简单 ， 但模型桩头 在受到扭矩的同时还会受到水平力的作用 。 Laue 和 Sonntag 采用了步进电机通过齿轮传递实现 了桩头扭矩加载 ， 克服了 Bizaliele 装置的缺陷 ， 通过采用气压作动器实现了竖向加载 ， 并能够在同 一箱模型土中进行 次实验 。 实验者为此实验建立了一套复杂的加载系统和控制系统 ， 因此从实 验装置设计 、 制作到实验的实现都花费了大量的心血和时间
13、 。 由于该装置为特定实验设计 ， 装置的 可变动性和灵活性较差 ， 很难直接应用到其他实验中去 。 Kong 和 Zhang 利用 HKUST 离心机机器人进行了单桩扭转模型实验研究 。 实验者开发了 个实验工具 ， 一个是模型桩加载工具 ， 另一个是扭转角测量工具 。 加载工具采用的是一个 指气 动抓 。 如图 所示 ， 气动抓固定在工具盘上 。 机器人施加扭矩时 ， 气动抓处于咬合状态 ， 气动抓的 指抱紧模型桩头 ， 当机器人旋转 ， 气动抓将扭矩传递给模型桩 。 扭转角测量工具由激光位移计和 正对该位移计的斜块组成（图 ）。 斜块固定在工具盘上 ， 当机器人施加扭矩时 ， 斜块随工具
14、盘共同 转动 ， 斜面则将扭转角度转变为斜面到激光位移计之间距离的变化 ， 这个变化由位移计测量得到 。 实验前 ， 气动抓抓取模型桩 ， 随后加速离心机到目标离心加速度值 。 实验开始后 ， 机器人首先 土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 图 2 z轴 、轴和单桩扭转实验装置 移动第一个实验位置 ， 以 mms 的速度将模型桩压入模型土中 ， 模拟现场的压桩过程 ； 然后 ， 松开 模型桩并令机器人向上移动少许以释放掉竖向压力 ； 随后 ， 气动抓再次抓紧模型桩 ， 令机器人按某 一转动速度旋转 ， 给模型桩头施加扭矩 ， 机器人转动到设定扭转角度后停止 ； 最后 ， 机器人
15、同样以 mms 的速度将模型桩从模型土中拔出 ， 模拟现场的拔桩过程 ， 完成第一组加载实验 。 机器人再 移动到下一个位置 ， 按上述相同过程进行下一组实验操作 ， 在同一箱模型土中共完成了 组模型实 验 ， 实验顺序如图 所示 。 图 3 实验顺序示意图 通过设计如图 所示的实验装置和上述实验操作过程 ， 整个实验借助离心机机器人实验平台 实现了在同一箱土中不停机地完成了 组模型实验 ， 每组模型实验均包括压桩 、 扭转加载和拔桩三 个过程 ， 且每组实验均采用不同的扭转速率 。 通过本次实验 ， 作者 研究了单桩在压 、 扭 、 拔三种加 载条件下的侧摩阻力规律及加载速率对单桩扭转承载力的影响 。 4 结 语 土工离心机机器人作为一个良好的实验平台 ， 自出现以来以其可连续完成多种实验操作 、 灵活 高效 、 二次实验开发周期短 、 成本低等显著优点 ， 近年来获得普遍认可 ， 获得快速发展 。 可以预见 ， 随着离心机机器人的技术性能不断提高和功能的不断增强 ， 会越来越成为人们开展离心机模型实 验研究的好帮手 。 只要能够充分地利用土工离心机机器人的诸多优点 ， 其应用领域会获得更大的 拓展 。 物理模型试验（含土工离心模拟试验） 参考文献 Derkx ，F ，Mer
