基于全向輪的核電檢修全方位移動平臺的研究與實現

杜林寶， 龔衛民， 王晨

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢430074）

0 引言

全方位移動機器人作為一種特殊的輪式移動機器人，具有在零回轉半徑下實現平面內任意方向運動的特點，能夠在擁擠、狹窄的環境中高效運動[1]。在平面內，全方位移動平臺有3個自由度，可分別前后或左右直線運動、斜向45°直線運動、原地360°回轉及上述任意運動形式組合[2]。全方位移動機構與傳統移動機構相比具有許多優點，所需工作空間小、效率高，已在倉庫儲運等作業場合狹小的領域得到了應用[3]。核電站反應堆水池內設備較多、空間狹小，在水下檢修過程中由于空間受限，使得檢修工作受到很大限制。

針對上述情況，為了保證核電站水下檢修工作的順利實施，研究一種適用于核電站水下檢修的全方位移動平臺，平臺上設計有負載接口，可搭載攝像頭、機械手等不同的檢修工具完成水下檢修工作。

1 全方位移動平臺輪系結構

全方位移動平臺通常由機械結構和控制系統組成。移動平臺機械結構常采用三輪組合或四輪組合，多為四輪組合，輪子通常采用Mecanum輪或全向輪（瑞士輪）。對于四輪配置的移動平臺，一般將其設計成矩形、對稱配置四輪，以保證系統有穩定的結構和平穩的運行狀態[4]。輪組的布局一般四輪組合布局方式，其中使用較多的有圓形布局、菱形布局及H形布局[5]，如圖1所示。

圖1 輪組的典型布局方案圖

本文所設計的全方位移動平臺輪組采用圓形布局，輪子采用具有雙排輪的全向輪，如圖2所示，該類型的全向輪錯開分布的兩排輥子增加了輪子運行的連貫性。

將全方位移動平臺的運動方式分解為零半徑的旋轉運動和前后左右的直線運動，這樣移動平臺就只有5種基本運動形式，在向非特殊方位角運動時，移動平臺通過旋轉運動和直線運動相結合即可實現全方位的運動。移動平臺的5種基本運動形式對應的4個驅動電動機的轉動方式如圖3所示。

圖2 雙排全向輪

圖3 全方位移動平臺運動圖

2 機械結構設計

圖4 全方位移動平臺結構圖

根據核電水下檢修的特點及常用檢查類型，水下檢修過程中全方位移動平臺通常是在水池底部運動，為了保證檢查的準確性，通常要求低速運動，在0～0.5 m/min 可滿足檢查要求；池底為不銹鋼結構，相對平整；維修檢查過程中最大負載約為250 kg。全方位移動平臺主要由平臺板、驅動裝置和連接支撐件組成，結構如圖4所示。

2.1 結構介紹

全方位移動平臺上裝有4組全向輪（全向輪的運動學直徑為127 mm），每組全向輪配1個驅動電動機，4組全向輪采用圓形布局，每個電動機驅動1組全向輪。通過系統內預定算法控制各個驅動電動機按照不同的轉動方向、順序等驅動全向輪轉動，通過運動組合實現全方位移動平臺在水平任意方向移動、原地360°回轉及各運動微調的功能，從而將移動平臺上搭載的檢修工具運送到預定地點。

為了提高產品的工藝性和可維修性，將全向移動平臺的4個電動機、驅動軸、全向輪等組裝成4個驅動裝置。電動機減速后直接驅動錐齒輪轉動，通過錐齒輪傳動將動力傳遞給驅動軸，全向輪連接在驅動軸上，隨驅動軸同步轉動。

2.2 驅動力矩計算

為保證全方位移動平臺具有足夠的負重能力，必須選擇合適的電動機和減速機。選擇電動機和減速機時，按照移動平臺最大承重時單個驅動輪所需要的驅動轉矩進行計算，保證移動平臺具有足夠的動力。

平臺移動時需要克服阻力的影響，阻力可分為摩擦阻力、水的阻力和加速阻力。由于平臺設計運動速度和加速度均較小，因此設計計算中忽略水的阻力和加速阻力，只考慮摩擦阻力。

查機械設計手冊可得橡膠輪胎與混凝土路面的滾動摩擦因數μk=2.5，構件池底部為不銹鋼板，鋼板比混凝土堅硬光滑，所以輪子和水池底部的滾動摩擦因數可以取μk=2.5，工作中單個全向輪對水池底部產生的壓力N=100×9.8=980 N，全向移動平臺運動時每個輪子需克服的滾動阻力為

由于驅動軸上設計有雙重機械動密封，所以減速機驅動輪子轉動的過程中必須克服機械動密封中的密封圈與軸之間的摩擦阻力。機械動密封中每個密封圈對軸的摩擦阻力為[6]

式中：f為密封圈與軸之間的摩擦因數；e為密封圈的壓縮率，本設計中壓縮率為0.2；E為密封圈材料的彈性模量；μ為密封圈材料的泊松比；D為密封圈自然狀態下的外徑，所選O形圈D=27.13 mm；d為密封圈的截面直徑，d=2.62 mm。

查機械設計手冊可得：f=0.22（鋼和夾布橡膠），E=0.00784 GPa，μ=0.47。

由于雙重機械動密封所產生的摩擦阻力矩為

所以在全向移動平臺運動的過程中，每個電動機驅動全向輪運動所需克服的阻力轉矩M′為

M′=M1+Me=2.45+1.36=3.81 N·m。

經查機械設計手冊，加工精度8級的錐齒輪在稀油潤滑時的機械效率為η1=0.97，滾動軸承的機械效率η2=0.99，綜上所述，需要驅動電動機經減速后的輸出轉矩為

設計過程中考慮2倍的安全系數，因此選用輸出轉矩大于2×3.98=7.96 N·m的驅動電動機。

2.3 密封設計

為保證移動平臺能夠適應水下環境，必須保證電動機和水下接頭等處于密封的環境。如圖5所示，通過電動機密封罩、減速箱體、驅動軸和密封件等的作用下，電動機處于一個相對封閉的環境，驅動裝置上設計有多重機械動密封和靜密封，保證驅動裝置在額定負載下能夠避免進水。

圖5 驅動裝置及機械密封結構

圖6 電氣密封結構

4個驅動電動機和全方位移動平臺上攝像頭線纜從控制系統集成為一根電纜，該電纜通過航空插頭連接到全向移動平臺上的一個水密集成盒上，從水密集成盒內分出多條分支線路再連接到各個電動機及攝像頭，各個分支線路的末端連接有可拔插水密接頭，可拔插水密接頭固定在水密集成盒上，如圖6所示。

3 試驗

為了驗證全方位移動平臺的承載能力、運動能力及密封性等能否滿足設計的要求，對全方位移動平臺的樣機進行了多項試驗驗證，試驗的內容主要包括空載運動、負載運動試驗和水下密封試驗等。

1）空載試驗。將全方位移動平臺放置在地面上，通過操作控制系統設定全方位移動平臺的運動速度，然后通過軟件或操作手柄使其向任意方位運動，觀察全方位移動平臺運動是否連續、靈活，運動速度是否與設置相符合，轉動過程中是否有卡澀現象。

試驗表明：在空載情況下，全方位移動平臺在地面上運動連續、靈活，可實現不同的運動速度，且運動過程中無卡澀現象，能夠按照指定的方向運動。

2）負載運動試驗。在空載試驗合格的基礎上進行負載試驗，負載試驗時將250 kg的重物放置在全方位移動平臺上，通過操作控制系統設定全方位移動平臺的運動速度，然后通過軟件或操作手柄使其朝向任意方位運動，觀察全方位移動平臺運動是否連續、靈活，運動速度是否與設置相符合，轉動過程中是否有卡澀現象；卸載后仔細檢查機械結構是否存在明顯變形或損傷。

圖7 全方位移動平臺負載試驗圖

試驗表明：全方位移動平臺在負載250 kg的情況下其運動性能與空載運動無明顯差異；卸載后經檢查，機械結構無明顯變形或損傷。

3）水下密封試驗。為保證全方位移動平臺能否適應水下工作環境，將其放置在水下進行試驗，實際工作時最大深度為水下12 m，即0.12 MPa的水壓，試驗時將全方位移動平臺放置在密閉容器內，將容器充滿水并將水壓充至0.16 MPa（相當于水下16 m深）。通過操作控制系統使其在容器內運動，通過水下攝像系統觀察運動狀態。試驗完成后將全方位移動平臺從容器內取出，檢查各機械密封和電氣密封是否有漏水情況。

試驗結果表明，全方位移動平臺在0.16 MPa的水下運動與在地面上運動無明顯異常；從水中取出后經檢查各個機械密封部位和電氣密封部位無漏水現象。

上述試驗表明，全方位移動平臺能夠應用于核電站水下環境，可搭載各種執行機構進行水下檢修工作。

4 結語

針對核電站水下環境復雜、空間小等特點及水下檢修過程中所受到的限制，研制了適用于水下的全方位移動平臺，為水下檢修工作的順利實施提供了有力保障。