柔性搬移機器人在輻射環境下的遙控維護應用研究

吳賁華 賈學軍 湯泓

摘? 要：針對深井輻射環境下移動遙控維護設備種類多，一旦行駛道路上出現障礙物，往往導致移動遙控維護設備無法正常行駛，而工作人員不適宜到達現場清理障礙物。鑒于此，文章提出利用一種柔性搬運機器人代替工作人員進行清理障礙物，保證其他移動遙控維護設備的正常運行;文章基于履帶機構設計機器人的移動平臺，基于六軸機械手設計機器人的抓取裝置。

關鍵詞：輻射;遙控;維護;機器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0158-02

Abstract： In view of the fact that there are many kinds of mobile remote control maintenance equipment in the deep well radiation environment， where once there are obstacles on the road， the mobile remote control maintenance equipment is often unable to drive normally， and the staff are not suitable to arrive at the scene to clean up the obstacles， this paper proposes to use a flexible handling robot instead of the staff to clean up obstacles to ensure the normal operation of other mobile remote control maintenance equipment. In this paper， the mobile platform of the robot is designed based on the crawler mechanism， and the grasping device of robot is designed based on six-axis manipulator.

Keywords： radiation; remote control; maintenance; robot

前言

在科研工作中，同時由于輻射對人體健康的影響嚴重[1]，通常所有產生輻射的研究都是在一個密閉的空間進行，使用遙控維護設備代替工作人員的所有維護工作，避免工作人員受到輻射的影響。其中，所有移動遙控維護設備都是基于平整的行駛路面下完成設計，當出現工作異常導致零部件掉落路面或上一移動遙控維護設備裝載的物體掉落路面的情況，下一移動遙控維護設備則無法正常行駛，導致無法完成工作。針對上述問題，本文提出一種利用履帶機構設計機器人的移動平臺，移動平臺能夠在不平整路面行駛，再利用六軸機械手與軟體夾爪抓取路面的障礙物體到收集盒;運用遙控技術控制該機器人去抓取路面上的障礙物，并將所有收集的障礙物體搬移到輻射實驗室以外區域。

1 移動平臺

在存在輻射的密閉空間內，針對路面出現障礙物導致遙控維護設備無法達到指定位置的情況，必須使用一種柔性搬移機器人將障礙物從存在輻射的密閉空間搬移至實驗室以外區域。為柔性搬移機器人具有良好的通行能力，移動平臺采用履帶機構。相對橡膠輪、麥克納姆輪作為驅動輪的移動方式，履帶式移動機器人對路面要求低，防護性好。履帶式移動機器人作為機器人的一種，具有支撐面積大、越野性能好、牽引附著能力強等諸多優點，適合在危險惡劣的環境下工作[2]。同時履帶式移動機器人自身重量大，適合裝載六軸機械手，保證六軸機械手工作時移動平臺的穩定性。移動平臺由動力系統、車架、視頻系統組成。本文設計的移動平臺的結構如圖1所示。配備減速器的電機與驅動輪鏈接，導向輪通過履帶與驅動輪，組成一個動力總成。左右兩個動力總成通過車架組成動力系統。機械手安裝板設置于車架上方，并將攝像儀器安裝于機械手安裝的前方。這種結構具有簡單，重量輕，容易拆裝，適合在平整的路面的行走的優點。選項方面，由于履帶用于將柔性搬移機器人的自重與承載重量傳遞到地面，并承受沖擊與傳送動力，選型時需要保證履帶的耐磨性與剛度。驅動輪用于傳遞動力至履帶，通常設置于動力總成的后方，減少功率損耗，提高壽命。由于步進電機停轉的時候具有最大的轉矩與起停和反轉響應，適合作為動力總成的驅動電機。

2 抓取裝置

針對路面上障礙物的差異性，無法確定障礙物的尺寸、形狀、重量等等參數，傳統的吸盤抓手與夾爪都難以抓取所有障礙物。鑒于此，本文采用六軸機械手加軟體夾爪作為抓取裝置，解決抓取障礙物的差異性問題。軟體機器人的設計靈感來源于對生物體內部構造的模仿。由于采用軟體材料，與傳統機器人相比，具有自由度高、連續變形能力強和環境適應性好等諸多優點，通常采用流體驅動等新型驅動方式[3]。由于市面上六軸機械手種類齊全，性能穩定，價格實惠，所以選用一種輕量化六軸機械手即可。六軸機械手的第一關節選用伺服電機，并通過RV減速器與第二關節連接;第二、第三關節同理。第四關節選用伺服電機，并通過諧波減速器與第五關節連接，保證負載能力的同時縮小總體體積;第五、第六關節同理。軟體夾爪通過機械臂連接件與安裝支架設置于第六關節末端。軟體夾爪為四個材料為柔性聚合物的軟體手指，呈圓周分布，間距為100mm。相比傳統夾爪的，模塊化的軟體手指設計簡化了安裝、調試與拆卸維護的流程。軟體夾爪利用向每一軟體手指輸入正負氣壓差產生不同的動作的原理，以完成不同物體的抓取任務。當向軟體手指輸入正氣壓，軟體手指呈握緊趨勢，自適應地包覆在障礙物外表面，完成抓取動作。當向軟體手指輸入負氣壓，軟體手指張開，釋放障礙物。當障礙物是一個重要的實驗素材，包覆式抓取能夠保證實驗素材的安全性，防止被損壞。六軸機械手加軟體夾爪作為抓取裝置結構如圖2所示，該結構具有高精度與速度的優點，提高工作人員對柔性搬移機器人的操作性。

3 遙控控制系統

在存在輻射的密閉空間內，工作人員必須要通過視頻裝置才能實時了解密閉空間內的情況，并利用遙控技術控制柔性搬移機器人將障礙物從存在輻射的密閉空間搬移至實驗室以外區域，實現清理路面的任務。通訊方式采用有線通訊的方式，并通過設置于機器人的伸縮卷管器收納線纜與氣管。相比無線通訊，有線通訊更可靠，時延低，保證工作人員操控的準確性。視頻儀器將采集的圖像信息實時反饋至室外工作站，工作人員根據圖像信息向移動平臺的驅動電機的控制器發送指定指令，使柔性搬移機器人移動在障礙物前;再發送指令至六軸機械手的控制器發送指定指令，使柔性搬移機器人的柔性夾爪移動到障礙物外表面;向柔性夾爪的氣動控制器發送正氣壓的指令，柔性夾爪抓取障礙物;六軸機械手將障礙物移動至收集盒;向柔性夾爪的氣動控制器發送負氣壓的指令，柔性夾爪釋放障礙物。完成收集密閉空間的所有障礙物任務后，柔性搬移機器人行駛出存在輻射的密閉空間，完成將路面上的障礙物搬移的功能。

4 結束語

本文主要對柔性搬移機器人在輻射環境下的遙控維護應用進行了研究，并對其中的移動平臺、抓取裝置與遙控控制系統展開了詳細介紹與分析，可為在輻射環境下遙控維護的應用提供參考借鑒。

參考文獻：

[1]輻射可能對人體造成的長期影響是什么？[J].口岸衛生控制，2011，16（02）：13.

[2]張凡.履帶式移動機器人的控制與避障[D].南京理工大學，2013.

[3]李卓雨.軟體機器人的發展應用與展望[J].科技傳播，2018，10（23）：109-110.