全方位移動機(jī)器人在輻射環(huán)境下的遙控維護(hù)應(yīng)用研究

賈學(xué)軍 東莞中子科學(xué)中心 廣東東莞 523000 吳賁華 江蘇鐵錨玻璃股份有限公司 江蘇南通 226000 湯泓 東莞中子科學(xué)中心 廣東東莞 523000

前言

由于科研的需要，很多實(shí)驗(yàn)避免不了要使用特殊物質(zhì)以及特殊工藝，從而使得工作環(huán)境會存在很大的輻射，例如核輻射，而輻射會對環(huán)境和工作人員的健康帶來不可逆的傷害，所以研發(fā)工作人員為了減少或避免輻射帶來的傷害，會將工作環(huán)境設(shè)置為深井式，可以讓工作人員遠(yuǎn)距離遙控維護(hù)輻射環(huán)境下的靶體，然而深井環(huán)境由于遠(yuǎn)離工作人員，工作人員不能第一時間檢測到深井內(nèi)的環(huán)境而使得操作和維護(hù)工作不方便進(jìn)行。針對該問題，本文提出利用機(jī)器人代替工作人員進(jìn)行維護(hù)工作，機(jī)器人向地面工作站返回視頻畫面信息，工作人員再通過地面工作站遙控機(jī)器人進(jìn)行一系列靶體維護(hù)工作。

1 遙控維護(hù)機(jī)器人移動平臺

在科研過程，靶體作為一種損耗品，需要定期更換或因特殊需求急要更換，機(jī)器人的任務(wù)主要是代替工作人員進(jìn)行拆裝工作。靶體所處的環(huán)境為深井式環(huán)境，靶體占據(jù)了一定的空間，機(jī)器人可移動的環(huán)境比較有限，因此在該環(huán)境下，機(jī)器人工作時的移動性能與路線成為制約順利拆裝靶體的因素。為具有一定的承載能力以及強(qiáng)有力的扭矩，一般需要將機(jī)器人設(shè)置為四輪驅(qū)動，這樣不僅使得增大馬力，并且能增大與地面接觸的支點(diǎn)，使得增加了機(jī)器人整體的穩(wěn)定性。機(jī)器人在平面上的移動具有3個自由度，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎方式：兩側(cè)的輪子產(chǎn)生速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎會存在轉(zhuǎn)彎半徑過大、移動路線占據(jù)空間的問題，也有兩側(cè)的輪子轉(zhuǎn)向互為相反實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎存在著轉(zhuǎn)彎啟動時需產(chǎn)生足夠大的瞬時扭矩，然而對豎直方向上設(shè)置的載體例如機(jī)械手等會形成一個扭轉(zhuǎn)的沖擊力，對同一個自由度的電機(jī)產(chǎn)生傷害。利用四電機(jī)驅(qū)動麥克納姆輪能很好解決以上問題，它可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動，增加機(jī)器人移動的靈活性。麥克納姆輪很大區(qū)別于常見的橡膠輪，麥克納姆輪的圓周上分布著一定數(shù)量的棍子，并且棍子的外廓線與輪子的理論圓周重合，棍子軸線和輪子輪廓線成45°，棍子既能繞自身軸線轉(zhuǎn)動，又能繞車輪軸線轉(zhuǎn)動，還能繞棍子與地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，如此使得搭載了四個麥克納姆輪的移動平臺具有3個自由度，包括沿X方向移動、沿Y方向移動、繞中心軸轉(zhuǎn)動，即在當(dāng)前位置機(jī)器人就能按任意方向移動或轉(zhuǎn)動，達(dá)到一個全方位移動的效果，從而適應(yīng)在類似于深井這樣狹小的環(huán)境下工作。本文設(shè)計(jì)的全方位移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人的全方位移動平臺示意圖

2 遙控維護(hù)機(jī)械手

機(jī)器人代替人工，很重要的一個特點(diǎn)就是機(jī)器人能比人工更精確、更穩(wěn)定。機(jī)械手主要由三大部分組成，分別是手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。手部是直接與被作用的對象直接接觸的部分，包括夾取、吸附以及套合等，一般地，很多機(jī)械手就是在于手部的不同，因?yàn)闄C(jī)械手往往需要根據(jù)被作用的對象而導(dǎo)致手部采取不同的樣式。運(yùn)動結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種用于改變手部位置與姿態(tài)的傳動機(jī)構(gòu)，根據(jù)其自由度的差異，因此產(chǎn)生多少個軸的機(jī)械手，一般稱多軸機(jī)械手，其中以三軸機(jī)械手與六軸機(jī)械手為多，但無論軸數(shù)的多少，目的都是使機(jī)械手通過各種傳動、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)擬定的動作，改變手部的狀態(tài)。一般來說，自由度越多，機(jī)械手靈活性越高，適應(yīng)性也越強(qiáng)。目前市場上的六軸機(jī)械手已經(jīng)發(fā)展到非常成熟，本文所使用的六軸機(jī)械手就直接利用市場上的輕量型六軸機(jī)械手，主要由一個底座與六個關(guān)節(jié)組成，從與底座相連的關(guān)節(jié)到機(jī)械手末端的關(guān)節(jié)依次為第一至第六關(guān)節(jié)。為適應(yīng)靶體的拆裝工作，本文設(shè)計(jì)機(jī)械手部為夾取式機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與靶體上的鎖緊機(jī)構(gòu)四角螺栓吻合，除了考慮吻合度，還要考慮其可抓取性，因此本文將機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)為四爪式，如圖2所示，該手爪具有自己的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，控制該機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)手爪的夾緊與松開，該手爪設(shè)置與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的第六個關(guān)節(jié)連接，一方面，通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)定位好手爪（手部）的作用位置，手爪對目標(biāo)進(jìn)行夾緊，然后驅(qū)動第六關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，帶動目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，從而可以擰松或擰緊螺紋連接件；另一方面，通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)定位好手爪（手部）的作用位置，手爪對目標(biāo)進(jìn)行夾緊，然后整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)作，拖動目標(biāo)（靶體）移動。

圖2 四爪式手部

3 遙控維護(hù)指令及視頻傳輸

深井下拆裝靶體的工作是遠(yuǎn)離工作人員、遠(yuǎn)離地面的，必須要通過遙控裝置以及視頻裝置才能使得工作人員實(shí)時了解深井下的工作。機(jī)器人工作的實(shí)時參數(shù)以及視頻數(shù)據(jù)流都是屬于大數(shù)據(jù)類，深井下的環(huán)境基本與混凝土、鋼板等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的封閉，利用無線通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，為保證數(shù)據(jù)的完整性，深井下工作采用電纜式通訊，電纜直通機(jī)器人控制端，為保證電纜不會阻擾機(jī)器人工作，電纜的一部分利用伸縮卷管器收納，如此機(jī)器人可以牽引著電纜進(jìn)行工作，多余的電纜又能自動回縮卷管器里。

4 結(jié)語

本文提供了一種應(yīng)用于輻射環(huán)境下進(jìn)行遙控維護(hù)工作的全方位移動機(jī)器人技術(shù)方法，主要從移動平臺、專用夾具、數(shù)據(jù)傳輸方面進(jìn)行探討。