張星星

（上海電機(jī)學(xué)院 高職學(xué)院，上海 200000）

核電站水下作業(yè)機(jī)械手研究及工作空間分析

張星星

（上海電機(jī)學(xué)院 高職學(xué)院，上海 200000）

文章通過(guò)對(duì)核電站水下作業(yè)環(huán)境分析，研制了一款用于核電站反應(yīng)堆和乏燃料水池水下作業(yè)的六自由度機(jī)械手。然后分別用圖解法、蒙特拉羅法、仿真法共三種方法對(duì)機(jī)械手末端執(zhí)行器進(jìn)行工作空間分析，針對(duì)此次機(jī)械手自由度多、正運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題易求解等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)比蒙特卡洛法相對(duì)來(lái)說(shuō)更快速準(zhǔn)確地求解該機(jī)械手末端執(zhí)行器的工作空間。

水下作業(yè)機(jī)械手；圖解法；蒙特卡洛法；仿真法

1 引言

目前，核能及核電站在很多國(guó)家所占比例越來(lái)越高，特別是自1986年烏克蘭切爾克貝利發(fā)生核泄漏事故以及2011年日本福島核電站發(fā)生核泄漏事故之后。核電站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備多處于水下放射中，可能發(fā)生乏燃料水池裂紋、孔洞、破口等，采用機(jī)器人技術(shù)代替人工來(lái)維護(hù)和維修，既保護(hù)了維修操作人員的人身安全，又能提高作業(yè)效率，具有重要意義。其中美國(guó)和日本在核電站機(jī)器人研制方面發(fā)展最快，而我國(guó)也越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注，普通的核電站陸地機(jī)器人很多，而針對(duì)水下作業(yè)環(huán)境，尚存在密封性能低、負(fù)載能力弱等特點(diǎn)。因此文章研制了一種專門用于水下核電站的機(jī)械手，其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大。

而機(jī)械手的末端工作空間對(duì)于其作業(yè)和工作能力扮演重要角色，也是設(shè)計(jì)和研究階段必須要考慮的因素。文章對(duì)幾種典型求解方法進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算對(duì)比，對(duì)于以后求解此類工作空間具有重要意義。

（1）水下機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案。在核電站反應(yīng)堆水池、乏燃料水池和構(gòu)件池水下工作的機(jī)械手，對(duì)密封性、材料、重量等要求嚴(yán)格，要求既能滿足水下深度要求，重量又要輕，還要防輻射。文章水下機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)采用的是模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)內(nèi)密封，每個(gè)關(guān)節(jié)配備有編碼器，可檢測(cè)轉(zhuǎn)角信息。如圖1所示，整個(gè)機(jī)械手采用六自由度形式，分別由腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、大、小臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、腕部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，分別為±160、-60～150、-140～140、±180、-120～120、±180。關(guān)節(jié)密封有動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件之間的密封，靜密封實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止結(jié)構(gòu)之間的密封，最大可實(shí)現(xiàn)水深20m。

圖1 水下機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)

（2）關(guān)節(jié)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示采用的電機(jī)是直流力矩電機(jī)，響應(yīng)速度快，輸出力矩大，減速器采用諧波類型的，精度高、尺寸小、傳動(dòng)比大等，互相配合可使關(guān)節(jié)達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩大、小型化要求。

圖2 關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 工作空間

機(jī)械手末端位置范圍是由其工作空間大小決定的，求解串聯(lián)機(jī)械手工作空間的方法主要有圖解法、蒙特卡洛法和仿真法等。文章從各個(gè)方面進(jìn)行工作空間求解，最后通過(guò)對(duì)比分析得到各種方法優(yōu)缺以選擇最適合此機(jī)械手的求解方法，并為后續(xù)其他機(jī)械手求解提供參考。

（1）圖解法。機(jī)械手的6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，末端位置是由前三個(gè)關(guān)節(jié)確定的，所以用圖解法求解機(jī)械手的工作空間，只需要取前三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角即可。機(jī)械手的各個(gè)關(guān)節(jié)在其變化范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，末端的極限位置形成邊界，邊界內(nèi)則構(gòu)成了機(jī)械手的作業(yè)空間。通常情況下，將一個(gè)關(guān)節(jié)固定，另一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生圓弧，不同的很多段圓弧連接，其內(nèi)部就形成了工作空間域，如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂在水平和豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)范圍

（2）蒙特卡洛法。蒙特卡洛法是借助于隨機(jī)抽樣解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的一種數(shù)值方法，通過(guò)求解機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題，得到機(jī)械臂末端在參考坐標(biāo)系中的位置矢量。

蒙特卡洛法是用隨機(jī)函數(shù)Rand()來(lái)產(chǎn)生N個(gè)隨機(jī)數(shù)，由此產(chǎn)生隨機(jī)步長(zhǎng)，從而得到關(guān)節(jié)變量的偽隨機(jī)值。根據(jù)編寫(xiě)的程序，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，可得到機(jī)械手工作空間。

圖4 機(jī)械臂在xz和xy平面內(nèi)的投影圖

（3）仿真法。仿真法是利用Matlab/Simulink工具箱，對(duì)機(jī)械手建模如圖5所示。SimMechanics模型主要由一個(gè)地模塊、6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、6個(gè)剛體模塊、6個(gè)驅(qū)動(dòng)器模塊、6個(gè)關(guān)節(jié)傳感器模塊和一個(gè)關(guān)節(jié)傳感器模塊組成，其中后5個(gè)驅(qū)動(dòng)器模塊封裝成子系統(tǒng)。

具體步驟如下：①建立從手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并分析各個(gè)關(guān)節(jié)；②根據(jù)簡(jiǎn)圖在SimMechanics中建模；③為關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)器、傳感器，設(shè)置關(guān)節(jié)、剛體等各個(gè)模塊的參數(shù)；④進(jìn)行仿真和后處理，得到數(shù)據(jù)及圖形。

當(dāng)仿真停止后，在Matlab主界面調(diào)用Plot3(x,y,z)可得從手的工作空間三維圖（如圖6），通過(guò)XY相位圖直接形成x,y平面投影圖（如圖6）.

圖5 仿真模型

圖6 機(jī)械手工作空間三維圖和x，y平面投影圖

5 結(jié)語(yǔ)

三種求解方法得到的平面圖形一致，圖解法主要是根據(jù)前三個(gè)連桿位置關(guān)系和長(zhǎng)度在繪圖軟件上繪制，如果機(jī)械手自由度增多會(huì)造成很大負(fù)擔(dān)，所以通常用在自由度較少的機(jī)械手工作空間求解上；蒙特卡羅法由從手末端位置坐標(biāo)，對(duì)關(guān)節(jié)取隨機(jī)變量，最后得出關(guān)節(jié)末端隨機(jī)值，由于要用到正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，所以通常用于求解末端位置易求的串聯(lián)機(jī)械手；仿真法需要通過(guò)對(duì)機(jī)械手建模及參數(shù)設(shè)定，仿真和調(diào)試比較復(fù)雜，若熟練后可對(duì)多個(gè)自由度的機(jī)械手求解工作空間，并且求解時(shí)只需要知道機(jī)械手的模型及相關(guān)參數(shù)，建立模型，即可求解，可廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的機(jī)械手。

由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，共六個(gè)自由度而且求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題比較容易，選擇蒙特卡洛法求解速度比較快，所以最優(yōu)，并且用該方法得到的工作空間內(nèi)部點(diǎn)分布均勻，無(wú)空洞及空腔存在，效果很好。因此文章設(shè)計(jì)的水下核電站用機(jī)械手解決了普通機(jī)械手無(wú)法在核電站復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的問(wèn)題，并且運(yùn)用最優(yōu)方法快速求解其工作空間。

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［2］徐文福,毛志剛.核電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)器人，2011，（6）:758-767.

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［4］劉海濤，楊樂(lè)平.空間機(jī)器人工作空間研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011，（8）.

張星星（1990-），女，碩士，助教，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人。