No canteiro de obras do Túnel da Ilha Huandao da Ponte Xiamen-Kinmen (Trecho de Xiamen), um "braço de aço" com onze graus de liberdade opera com flexibilidade dentro de uma tuneladora de diâmetro supergrande de 16,15 metros — ele não exige mais que trabalhadores entrem em câmaras pressurizadas para transportar manualmente cortadores de rocha pesados com mais de 200 kg em condições lamacentas e abafadas. Em vez disso, sob o comando de um sistema de gêmeo digital, ele realiza de forma autônoma a identificação de ferramentas, o planejamento de trajetória e a substituição precisa. Em 25 de junho, o primeiro robô inteligente de troca de ferramentas para tuneladoras de carga pesada da China, desenvolvido pelo China Railway 14th Bureau Group após seis anos de pesquisa, foi oficialmente lançado e aplicado com sucesso, marcando a entrada da construção de túneis com tuneladoras de grande diâmetro em uma nova fase de "troca não tripulada".
Desgaste dos "dentes" da tuneladora: trocar ferramentas é como "desarmar minas subterrâneas"
A tuneladora é um equipamento nacional de grande porte para perfurar montanhas e cruzar mares. As ferramentas na frente do cabeçote de corte, como "dentes", cortam rochas e solos, desgastando-se continuamente com o avanço. A troca eficiente e segura de ferramentas é a chave para manter a capacidade de combate da tuneladora.
No entanto, o ambiente de trabalho tradicional para troca de ferramentas sob pressão é extremamente adverso. Na construção com tuneladoras de equilíbrio de lama, os trabalhadores precisam entrar em câmaras pressurizadas, enfrentando não apenas dificuldades de movimento, mas também múltiplos riscos, como instabilidade da face de escavação, gases nocivos e doença descompressiva. O espaço dentro da câmara de troca de ferramentas é pequeno, mal iluminado, abafado, úmido e com ar turvo. A troca tradicional exige que três operadores trabalhem por mais de quatro horas, com baixa eficiência e alto custo.
"Detecção difícil, troca perigosa" tornou-se um problema reconhecido na indústria. Especialmente na construção de túneis com tuneladoras de diâmetro supergrande, o grande número de ferramentas e o alto risco de desgaste aumentam exponencialmente a frequência e a dificuldade das operações de troca. O trecho em túnel da Ilha Huandao da Ponte Xiamen-Kinmen (Trecho de Xiamen) utiliza uma tuneladora supergrande com diâmetro de escavação de 16,15 metros, sendo o túnel de maior diâmetro na província de Fujian. O túnel passa sob áreas urbanas densas e movimentadas, com camadas geológicas compostas de solo mole na parte superior e rocha dura na parte inferior em longas distâncias, e a cobertura de solo mais rasa é de apenas 8,1 metros, destacando o risco de desgaste das ferramentas — o método tradicional de troca manual já não consegue atender aos requisitos duplos de segurança e eficiência.
Quatro avanços tecnológicos principais: da "operação manual" à "inteligência não tripulada"
A equipe de pesquisa e desenvolvimento do China Railway 14th Bureau Group, partindo da mecanização, não tripulação e inteligência, após seis anos de pesquisa, criou este robô inteligente de troca de ferramentas para tuneladoras com propriedade intelectual totalmente independente. O hardware e software do robô são 100% nacionalizados, e até o momento foram solicitadas 38 patentes de invenção, 5 patentes de modelo de utilidade e registrados 7 direitos autorais de software.
Destaque 1: Braço robótico híbrido com onze graus de liberdade — o braço robótico com o maior número de graus de liberdade na indústria
A operação de troca de ferramentas sob pressão em tuneladoras ocorre atrás do cabeçote de corte, em um espaço extremamente apertado. Para realizar movimentos flexíveis nesse espaço limitado, a equipe desenvolveu um braço robótico híbrido com onze graus de liberdade, também o de maior número de graus de liberdade na indústria. Através de uma configuração de retração flexível e sensores de obstáculos de múltiplas fontes, este braço robótico pode cobrir todo o cabeçote de corte de tuneladoras de diâmetro supergrande de 10 a 18 metros.
Destaque 2: Capacidade de carga de 500 kg — lida facilmente com cortadores de rocha pesados de mais de 200 kg
As ferramentas de tuneladoras são feitas de ligas metálicas, e muitos cortadores de rocha pesam mais de 200 kg. A equipe combinou um braço robótico de carga pesada com retração multinível, superou o problema de estabilidade operacional em balanço grande e, através da otimização de algoritmos, aumentou a capacidade de carga do equipamento para 500 kg, permitindo agarrar facilmente cortadores de rocha pesados e realizar a substituição com precisão.
Destaque 3: Posicionamento por visão 3D infravermelha — precisão controlada em menos de 1 mm
Na construção com tuneladoras de equilíbrio de lama, grandes quantidades de lama preenchem a câmara, tornando o reconhecimento visual tradicional insuficiente para atender às necessidades de automação. A equipe desenvolveu a tecnologia de posicionamento por visão 3D infravermelha, equipando o robô com um "olho estereoscópico" de alta precisão, capaz de escanear e identificar rapidamente a posição exata e o estado de desgaste de cada ferramenta em condições complexas, com precisão de posicionamento controlada em menos de 1 mm.
Destaque 4: Sistema inteligente de controle de gêmeo digital — simulação prévia, intervenção durante a operação e rastreabilidade posterior
Em ambientes subterrâneos complexos, depender apenas do controle manual ainda apresenta muitos riscos. A equipe construiu um sistema inteligente de controle de gêmeo digital, que recebe dados em tempo real e planeja automaticamente a sequência ideal de troca de ferramentas e a trajetória de movimento do braço robótico, realizando o controle inteligente de todo o processo de troca de ferramentas, incluindo simulação prévia, intervenção durante a operação e rastreabilidade posterior.
Eficiência aumentada em mais de 50%, realizando verdadeiramente "entrada não tripulada na câmara"
Com o suporte das tecnologias acima, o desempenho prático do robô inteligente de troca de ferramentas é animador:
| Indicador | Troca manual tradicional | Robô inteligente de troca de ferramentas |
|---|---|---|
| Tempo de substituição de um cortador de rocha | Mais de 4 horas | 25 a 40 minutos |
| Operadores | 3 pessoas em câmara pressurizada | Nenhuma pessoa necessária na câmara |
| Aumento de eficiência | — | Mais de 50% |
| Taxa de nacionalização | — | 100% |
Com o uso do robô inteligente de troca de ferramentas, combinado com o sistema inteligente de controle de gêmeo digital do projeto, o tempo para substituir um único cortador de rocha é de apenas 25 a 40 minutos, com um aumento de eficiência de mais de 50%. Durante todo o processo, nenhuma pessoa precisa entrar na câmara, realizando verdadeiramente operações com pouca ou nenhuma mão de obra, melhorando efetivamente a segurança intrínseca da construção com tuneladoras.
Avaliação de acadêmicos: "No geral, atinge o nível líder internacional"
Na reunião de avaliação de resultados de tecnologias-chave do robô inteligente de troca de ferramentas para tuneladoras de grande diâmetro, organizada pela China Highway and Transportation Society na tarde do mesmo dia, o grupo de avaliação, composto por acadêmicos da Academia Chinesa de Engenharia, incluindo Qian Qihu, Liang Wenhao, He Chuan e Xiao Mingqing, concluiu por unanimidade: "Este resultado de pesquisa representa o mais alto nível técnico da China neste campo, atingindo, no geral, o nível líder internacional".
O acadêmico Qian Qihu elogiou altamente o desenvolvimento do equipamento, afirmando que escolher o robô de troca de ferramentas como direção de pesquisa foi "uma escolha precisa e boa", alinhando-se com a tendência de autonomia, não tripulação e inteligência dos equipamentos de transporte, abrindo um novo caminho em termos de segurança, eficiência e custo.
Da Ponte Xiamen-Kinmen aos projetos de tuneladoras supergrandes da China
O primeiro campo de batalha do robô inteligente de troca de ferramentas para tuneladoras é o Túnel da Ilha Huandao da Ponte Xiamen-Kinmen (Trecho de Xiamen). Este túnel tem 3.291 metros de comprimento total, e a parte do túnel com tuneladora utiliza uma tuneladora supergrande com diâmetro de escavação de 16,15 metros, sendo o túnel de maior diâmetro na província de Fujian. O robô foi aplicado com sucesso na tuneladora "Xiamen-Kinmen" de 16 metros, ajudando na escavação segura e eficiente do túnel.
No futuro, esta tecnologia tem amplas perspectivas de aplicação:
Para projetos de tuneladoras supergrandes em geologias complexas: Com o desenvolvimento dos projetos de túneis na China em direção a "geologias ultraprofundas, ultra longas e ultracomplexas", o risco de desgaste das ferramentas continua aumentando. O robô inteligente de troca de ferramentas oferece uma solução segura e eficiente para operações de troca de ferramentas de alto risco e alta frequência.
Promovendo a "substituição de pessoas por máquinas" em túneis com tuneladoras: Os especialistas participantes realizaram discussões aprofundadas sobre cenários futuros de construção de túneis com tuneladoras, focando em direções como "substituição de pessoas por máquinas", construção inteligente com pouca ou nenhuma mão de obra. A aplicação bem-sucedida do robô inteligente de troca de ferramentas marca o avanço da construção de túneis com tuneladoras em direção à não tripulação de todo o processo.
Impulsionando a atualização da cadeia industrial de equipamentos nacionais de alta qualidade: O hardware e software do robô são 100% nacionalizados, com propriedade intelectual totalmente independente. Isso não apenas quebrou o monopólio tecnológico estrangeiro, mas também estabeleceu uma base sólida para o desenvolvimento industrial dos equipamentos de construção inteligente de túneis com tuneladoras da China.
De depender de trabalhadores entrando em câmaras pressurizadas para transportar manualmente cortadores de rocha de mais de 200 kg em condições lamacentas e abafadas, a um braço robótico com onze graus de liberdade realizando de forma autônoma a identificação e substituição precisa de ferramentas sob o comando de um sistema de gêmeo digital — a aplicação bem-sucedida do primeiro robô inteligente de troca de ferramentas para tuneladoras de carga pesada da China liberta as pessoas do ambiente subterrâneo mais perigoso, fazendo com que a construção de túneis com tuneladoras de grande diâmetro entre verdadeiramente em uma nova era de "troca não tripulada".
Este é um salto histórico da "tática de massa" para a "inteligência não tripulada", e mais um marco importante no desenvolvimento autônomo e inteligente dos equipamentos de construção subterrânea da China.