全方位移動機器人在輻射環境下的遙控維護應用研究

賈學軍 東莞中子科學中心 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 東莞中子科學中心 廣東東莞 523000

前言

由于科研的需要，很多實驗避免不了要使用特殊物質以及特殊工藝，從而使得工作環境會存在很大的輻射，例如核輻射，而輻射會對環境和工作人員的健康帶來不可逆的傷害，所以研發工作人員為了減少或避免輻射帶來的傷害，會將工作環境設置為深井式，可以讓工作人員遠距離遙控維護輻射環境下的靶體，然而深井環境由于遠離工作人員，工作人員不能第一時間檢測到深井內的環境而使得操作和維護工作不方便進行。針對該問題，本文提出利用機器人代替工作人員進行維護工作，機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器人進行一系列靶體維護工作。

1 遙控維護機器人移動平臺

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，機器人的任務主要是代替工作人員進行拆裝工作。靶體所處的環境為深井式環境，靶體占據了一定的空間，機器人可移動的環境比較有限，因此在該環境下，機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有力的扭矩，一般需要將機器人設置為四輪驅動，這樣不僅使得增大馬力，并且能增大與地面接觸的支點，使得增加了機器人整體的穩定性。機器人在平面上的移動具有3個自由度，傳統的轉彎方式：兩側的輪子產生速度差實現轉彎會存在轉彎半徑過大、移動路線占據空間的問題，也有兩側的輪子轉向互為相反實現轉彎存在著轉彎啟動時需產生足夠大的瞬時扭矩，然而對豎直方向上設置的載體例如機械手等會形成一個扭轉的沖擊力，對同一個自由度的電機產生傷害。利用四電機驅動麥克納姆輪能很好解決以上問題，它可以實現機器人的全方位移動，增加機器人移動的靈活性。麥克納姆輪很大區別于常見的橡膠輪，麥克納姆輪的圓周上分布著一定數量的棍子，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動，又能繞車輪軸線轉動，還能繞棍子與地面的接觸點轉動，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、繞中心軸轉動，即在當前位置機器人就能按任意方向移動或轉動，達到一個全方位移動的效果，從而適應在類似于深井這樣狹小的環境下工作。本文設計的全方位移動機器人的結構如圖1所示。

圖1 機器人的全方位移動平臺示意圖

2 遙控維護機械手

機器人代替人工，很重要的一個特點就是機器人能比人工更精確、更穩定。機械手主要由三大部分組成，分別是手部、運動機構以及控制系統。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，很多機械手就是在于手部的不同，因為機械手往往需要根據被作用的對象而導致手部采取不同的樣式。運動結構實際上是一種用于改變手部位置與姿態的傳動機構，根據其自由度的差異，因此產生多少個軸的機械手，一般稱多軸機械手，其中以三軸機械手與六軸機械手為多，但無論軸數的多少，目的都是使機械手通過各種傳動、移動或復合運動來實現擬定的動作，改變手部的狀態。一般來說，自由度越多，機械手靈活性越高，適應性也越強。目前市場上的六軸機械手已經發展到非常成熟，本文所使用的六軸機械手就直接利用市場上的輕量型六軸機械手，主要由一個底座與六個關節組成，從與底座相連的關節到機械手末端的關節依次為第一至第六關節。為適應靶體的拆裝工作，本文設計機械手部為夾取式機構，其設計與靶體上的鎖緊機構四角螺栓吻合，除了考慮吻合度，還要考慮其可抓取性，因此本文將機械手的手部設計為四爪式，如圖2所示，該手爪具有自己的驅動機構，控制該機構即可實現手爪的夾緊與松開，該手爪設置與運動機構的第六個關節連接，一方面，通過運動機構定位好手爪（手部）的作用位置，手爪對目標進行夾緊，然后驅動第六關節旋轉，帶動目標旋轉，從而可以擰松或擰緊螺紋連接件；另一方面，通過運動機構定位好手爪（手部）的作用位置，手爪對目標進行夾緊，然后整個運動機構協同運作，拖動目標（靶體）移動。

圖2 四爪式手部

3 遙控維護指令及視頻傳輸

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

4 結語

本文提供了一種應用于輻射環境下進行遙控維護工作的全方位移動機器人技術方法，主要從移動平臺、專用夾具、數據傳輸方面進行探討。