輻射環(huán)境下遙控維護的高空作業(yè)機器人開發(fā)

引言

隨著我國經(jīng)濟、科學技術(shù)的發(fā)展,核科學的研究與應用也同時在大幅度地發(fā)展,先后建設(shè)了多座現(xiàn)代化的核電站。核科學裝置涉及發(fā)生裝置、冷卻裝置、防輻射屏蔽裝置、傳動裝置等,防輻射屏蔽裝置是其中尤為重要的部分,擔負著隔離輻射源、保護實驗人員工作環(huán)境以及保護外部環(huán)境的職責。然而,防輻射屏蔽裝置本身就處于輻射環(huán)境與無輻射環(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期受到大量強輻射的影響,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的關(guān)鍵重點技術(shù)。對于靶站而言,第一,是禁止工作人員進入的場所,由于強輻射會對人體組織、細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程機械手或機器人進行操作: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)置吊裝的機械手活動導軌并配有吊裝機械手,該方法不僅制作復雜,而且會增加成本,還存在死角位置。利用在地面移動的機器人對固定的螺栓進行拆裝不僅能夠降低設(shè)計的復雜性,而且移動機器人移動的輕便型也會使得屏蔽塊固定螺栓拆裝的難度降低。本文研究一種移動靈活、可對不同高度的固定螺栓進行作業(yè)的機器人在輻射環(huán)境下的應用。

1全向輪移動平臺設(shè)計

機器人在與實驗人員隔離的輻射環(huán)境下工作是需要通過遙控信號進行的,機器人移動的靈活性很大程度上取決于移動平臺的本身,常見的直流電機驅(qū)動橡膠輪的移動平臺在轉(zhuǎn)彎時表現(xiàn)得比較笨拙,特別是移動平臺的上方還需要進一步承載升降機械手裝置,其導致輪子與地面的摩擦力倍增,即轉(zhuǎn)彎的靈活性降低,還會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平臺具有全方位移動的功能優(yōu)勢,適合本文的應用環(huán)境,但除了麥克納姆輪式全方位移動平臺,還可以利用全向輪式的移動平臺來實現(xiàn)本文的需求。全向輪式移動平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于全向輪,每個全向輪由若干個小滾輪組成,各個滾輪的母線組成一個完整的圓。機器人既可以沿輪面的切線方向移動,也可以沿輪子的軸線方向移動,這兩種運動的組合即可實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運動。為增加移動平臺的穩(wěn)定性,往往需要通過組合多個全向輪構(gòu)成該平臺,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)生全向移動的情況。

本文設(shè)計的全向輪式移動平臺如圖1所示,利用三個全向輪組合,三個全向輪均勻分布在一個圓周上,其運動學模型如圖2所示,設(shè)v8的方向為轉(zhuǎn)向正方向,即逆時針轉(zhuǎn)向為正,在切線方向上,圖中的v1、v2、v3都是該點的正方向,當三者的數(shù)值相等時,該平臺能平穩(wěn)地進行逆時針轉(zhuǎn)向,即可以任意變化移動的角度:當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)生直線運動。如此構(gòu)成的全向移動平臺較于一般的輪式移動平臺,可以利用車輪所具有的定位和定向功能,實現(xiàn)狹窄環(huán)境的自由移動,特別適用于核環(huán)境下屏蔽塊安裝場所的運輸機械手作業(yè)任務(wù)。

2機械手舉升機構(gòu)設(shè)計

遙控全向移動平臺便能靈活地運載機械手在屏蔽塊周圍進行維護工作,但如果僅是將機械手設(shè)置在全向移動平臺的上方,那么該機械手的可活動范圍只有一個小高度,對于屏蔽塊高處的固定螺栓就接觸不到了。為了增加機械手在豎直方向上的可活動范圍,本文在全向移動平臺與機械手之間設(shè)計了剪叉式液壓舉升機構(gòu),如圖3所示,主要由導軌、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、平衡閥進入液缸下端,使液缸的活塞向上運動,完成抬升機械手動作:當回油至液缸上端,液壓推桿回收,機械手就能相應地下降。

圖3 液壓剪叉式舉升機構(gòu)及機械手

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

3結(jié)語

本文圍繞輻射環(huán)境下遙控維護的高空作業(yè)機器人開發(fā),主要探討了全向輪移動平臺的設(shè)計以及機械手舉升機構(gòu)的設(shè)計,可為該應用環(huán)境下的機器人研究提供一定的參考。