輻射環(huán)境下遙控維護(hù)的高空作業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,核科學(xué)的研究與應(yīng)用也同時(shí)在大幅度地發(fā)展,先后建設(shè)了多座現(xiàn)代化的核電站。核科學(xué)裝置涉及發(fā)生裝置、冷卻裝置、防輻射屏蔽裝置、傳動(dòng)裝置等,防輻射屏蔽裝置是其中尤為重要的部分,擔(dān)負(fù)著隔離輻射源、保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員工作環(huán)境以及保護(hù)外部環(huán)境的職責(zé)。然而,防輻射屏蔽裝置本身就處于輻射環(huán)境與無(wú)輻射環(huán)境(或輕輻射環(huán)境)之間,其內(nèi)部所包括的靶站屏蔽塊及其他部件長(zhǎng)期受到大量強(qiáng)輻射的影響,需要定期更換,而屏蔽塊固定螺栓的拆卸和安裝是靶站遙控維護(hù)的關(guān)鍵重點(diǎn)技術(shù)。對(duì)于靶站而言,第一,是禁止工作人員進(jìn)入的場(chǎng)所,由于強(qiáng)輻射會(huì)對(duì)人體組織、細(xì)胞造成不可逆的傷害,因此屏蔽塊固定螺栓的拆卸和安裝常常需要遠(yuǎn)程機(jī)械手或機(jī)器人進(jìn)行操作:第二,用于屏蔽塊安裝的固定螺栓在空間上有不同高度的分布,如果在屏蔽塊的周圍設(shè)置吊裝的機(jī)械手活動(dòng)導(dǎo)軌并配有吊裝機(jī)械手,該方法不僅制作復(fù)雜,而且會(huì)增加成本,還存在死角位置。利用在地面移動(dòng)的機(jī)器人對(duì)固定的螺栓進(jìn)行拆裝不僅能夠降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,而且移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的輕便型也會(huì)使得屏蔽塊固定螺栓拆裝的難度降低。本文研究一種移動(dòng)靈活、可對(duì)不同高度的固定螺栓進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人在輻射環(huán)境下的應(yīng)用。

1全向輪移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在與實(shí)驗(yàn)人員隔離的輻射環(huán)境下工作是需要通過(guò)遙控信號(hào)進(jìn)行的,機(jī)器人移動(dòng)的靈活性很大程度上取決于移動(dòng)平臺(tái)的本身,常見(jiàn)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠輪的移動(dòng)平臺(tái)在轉(zhuǎn)彎時(shí)表現(xiàn)得比較笨拙,特別是移動(dòng)平臺(tái)的上方還需要進(jìn)一步承載升降機(jī)械手裝置,其導(dǎo)致輪子與地面的摩擦力倍增,即轉(zhuǎn)彎的靈活性降低,還會(huì)造成橡膠輪的易損現(xiàn)象。

現(xiàn)有的著名的麥克納姆輪移動(dòng)平臺(tái)具有全方位移動(dòng)的功能優(yōu)勢(shì),適合本文的應(yīng)用環(huán)境,但除了麥克納姆輪式全方位移動(dòng)平臺(tái),還可以利用全向輪式的移動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)本文的需求。全向輪式移動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于全向輪,每個(gè)全向輪由若干個(gè)小滾輪組成,各個(gè)滾輪的母線組成一個(gè)完整的圓。機(jī)器人既可以沿輪面的切線方向移動(dòng),也可以沿輪子的軸線方向移動(dòng),這兩種運(yùn)動(dòng)的組合即可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運(yùn)動(dòng)。為增加移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性,往往需要通過(guò)組合多個(gè)全向輪構(gòu)成該平臺(tái),然而全向輪的組合方法,即輪系,影響著組合后的結(jié)構(gòu)能否產(chǎn)生全向移動(dòng)的情況。

本文設(shè)計(jì)的全向輪式移動(dòng)平臺(tái)如圖1所示,利用三個(gè)全向輪組合,三個(gè)全向輪均勻分布在一個(gè)圓周上,其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示,設(shè)v8的方向?yàn)檗D(zhuǎn)向正方向,即逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?在切線方向上,圖中的v1、v2、v3都是該點(diǎn)的正方向,當(dāng)三者的數(shù)值相等時(shí),該平臺(tái)能平穩(wěn)地進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)向,即可以任意變化移動(dòng)的角度:當(dāng)三者有一速度值為零,另外兩者速度值相等,并且轉(zhuǎn)向互為相反,此時(shí)合速度正指速度為零的全向輪的軸心,該情況產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。如此構(gòu)成的全向移動(dòng)平臺(tái)較于一般的輪式移動(dòng)平臺(tái),可以利用車輪所具有的定位和定向功能,實(shí)現(xiàn)狹窄環(huán)境的自由移動(dòng),特別適用于核環(huán)境下屏蔽塊安裝場(chǎng)所的運(yùn)輸機(jī)械手作業(yè)任務(wù)。

2機(jī)械手舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

遙控全向移動(dòng)平臺(tái)便能靈活地運(yùn)載機(jī)械手在屏蔽塊周圍進(jìn)行維護(hù)工作,但如果僅是將機(jī)械手設(shè)置在全向移動(dòng)平臺(tái)的上方,那么該機(jī)械手的可活動(dòng)范圍只有一個(gè)小高度,對(duì)于屏蔽塊高處的固定螺栓就接觸不到了。為了增加機(jī)械手在豎直方向上的可活動(dòng)范圍,本文在全向移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械手之間設(shè)計(jì)了剪叉式液壓舉升機(jī)構(gòu),如圖3所示,主要由導(dǎo)軌、液壓推桿、剪叉架、支撐結(jié)構(gòu)組成,液壓油由葉片泵構(gòu)成一定的壓力,經(jīng)濾油器、隔爆型電磁換向閥、節(jié)流閥、液控單向閥、平衡閥進(jìn)入液缸下端,使液缸的活塞向上運(yùn)動(dòng),完成抬升機(jī)械手動(dòng)作:當(dāng)回油至液缸上端,液壓推桿回收,機(jī)械手就能相應(yīng)地下降。

圖3 液壓剪叉式舉升機(jī)構(gòu)及機(jī)械手

液壓升降渠道主要是經(jīng)過(guò)液壓油的壓力傳動(dòng)從而完成升降的作用,其剪叉式機(jī)械結(jié)構(gòu),使承載平臺(tái)的升降有較高的穩(wěn)定性。結(jié)合剪叉式的機(jī)架,可伸長(zhǎng)又可折疊,使得高空工作規(guī)模更大。舉升機(jī)構(gòu)影響著機(jī)械手末端夾具的效率,搖晃的舉升機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致工作人員在遙控機(jī)械手時(shí)與螺栓固定定位的難度增加,而經(jīng)剪叉式液壓舉升機(jī)構(gòu)抬升的機(jī)械手在高空工作中效率更高,安全性更強(qiáng)。

3結(jié)語(yǔ)

本文圍繞輻射環(huán)境下遙控維護(hù)的高空作業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā),主要探討了全向輪移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),可為該應(yīng)用環(huán)境下的機(jī)器人研究提供一定的參考。