摘" 要：該文研制一種退役廢液儲(chǔ)罐清洗作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。介紹該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、軌跡規(guī)劃方法，可靈活移動(dòng)、越障，實(shí)現(xiàn)對(duì)退役廢液儲(chǔ)罐的高效清理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在平面和曲面壁上均具有卓越的規(guī)劃效果，為廢液儲(chǔ)罐清理提供一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：退役處理;清洗機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;軌跡規(guī)劃;廢液儲(chǔ)罐

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0026-04

Abstract： In this paper， a robot system for cleaning retired waste liquid storage tanks is developed. The structural design， kinematic model， and trajectory planning method of the robot are introduced. It can flexibly move and overcome obstacles to achieve efficient cleaning of retired waste liquid storage tanks. Experimental results show that the system has excellent planning effect on both flat and curved walls， thereby providing a key technology for cleaning waste storage tanks.

Keywords： decommissioning; cleaning robot; kinematic model; trajectory planning; waste liquid storage tank

核能被認(rèn)為是人類(lèi)清潔、高效的能源之一，其可再生性引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注。隨著大量早期民用核電反應(yīng)堆陸續(xù)結(jié)束運(yùn)行，全球核工業(yè)預(yù)計(jì)將在未來(lái)10至15年迎來(lái)歷史上第一輪退役高潮。目前，我國(guó)最早建設(shè)的核工業(yè)設(shè)施隨著使用年限的增長(zhǎng)，大多數(shù)都面臨退役或已經(jīng)完成退役。在核退役設(shè)施中，存在大量放射性固體廢物需要處理，通常采用水泥、金屬餅或玻璃固化的方式，或者利用高壓水槍進(jìn)行清洗。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，這種處理方式具有更低的污染程度和更高的安全性，但仍然存在一定的挑戰(zhàn)[1]。

核退役機(jī)器人在高強(qiáng)度作業(yè)、持續(xù)時(shí)間和安全性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，污染更少、安全風(fēng)險(xiǎn)更小[2]。國(guó)內(nèi)外部分國(guó)家的核退役技術(shù)已相對(duì)成熟，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列專(zhuān)用于核設(shè)施退役的機(jī)器人設(shè)備。德國(guó)的Top Tec系列機(jī)器人和芬蘭的Avant Robot 185機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和各種鋼筋混凝土的拆除任務(wù)中[3]。瑞典的Brokk公司已經(jīng)研發(fā)了600多臺(tái)機(jī)器人，用于核工業(yè)領(lǐng)域的放射性廢物回收和處置、核設(shè)施退役拆除、儲(chǔ)罐拆除以及核設(shè)施去污和核事故應(yīng)急救援等各個(gè)方面[4]。

在核退役設(shè)施中，廢液儲(chǔ)罐的清理工作尤為關(guān)鍵。為了降低人工操作的安全隱患并提高作業(yè)效率，本文成功研制出一種適應(yīng)核輻射復(fù)雜環(huán)境的廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人。這一創(chuàng)新性的機(jī)器人技術(shù)為核退役后處理提供了一種更安全、高效的廢液儲(chǔ)罐清理解決方案。

1" 廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

1.1" 總體介紹

廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)移動(dòng)底盤(pán)用于移動(dòng)越障，搭載精密的液壓機(jī)械臂，利用高壓水槍清理廢液儲(chǔ)罐，使其在高輻射環(huán)境下具備高效、安全、精準(zhǔn)的清理能力。廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人具備精準(zhǔn)控制和操作的能力，可執(zhí)行各種復(fù)雜的清理任務(wù)，包括廢液儲(chǔ)罐內(nèi)部的角落和難以到達(dá)的區(qū)域。

廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人由液壓機(jī)械臂、本體升降機(jī)構(gòu)、腿部移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人可通過(guò)腿部移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活越障，液壓機(jī)械臂配合本體升降機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐壁的全面清理，機(jī)器人各部件的工作范圍見(jiàn)表1。

1.2" 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

作業(yè)機(jī)器人的腿部移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人在地面上的移動(dòng)和壁障，主要由立式舵輪地面移動(dòng)系統(tǒng)、支撐腿系統(tǒng)和腿部升降系統(tǒng)3部分組成，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

機(jī)器人在平滑的地面移動(dòng)時(shí)，主要依靠安裝在4個(gè)支腿末端的立式舵輪來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)立式舵輪都具有地面滾動(dòng)和轉(zhuǎn)向2個(gè)自由度，分別采用獨(dú)立的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向和直線移動(dòng)，從而增強(qiáng)機(jī)器人在狹窄空間中作業(yè)的靈活性和壁障性能。

支撐腿系統(tǒng)是作業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)整體的支撐部分，起到在機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)穩(wěn)定保持的作用。同時(shí)在機(jī)器人進(jìn)行地面的移動(dòng)時(shí)，通過(guò)4個(gè)支撐腿的姿態(tài)和角度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)器人的地面越障功能。支撐腿系統(tǒng)主要由實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)、減速器、編碼器，實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)液壓缸、編碼器、力傳感器，用于越障時(shí)在中心進(jìn)行機(jī)構(gòu)輔助支撐的頂升液壓缸和支撐橫梁組成。

腿部升降系統(tǒng)是作業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)避障的關(guān)鍵部件，當(dāng)作業(yè)機(jī)器人遇到障礙時(shí)，腿部升降系統(tǒng)會(huì)將作業(yè)機(jī)器人的腿部提升起來(lái)高過(guò)障礙物的高度，同時(shí)配合立式舵輪的行走使得機(jī)器人腿部能夠越過(guò)障礙。腿部升降系統(tǒng)也是作業(yè)機(jī)器人能夠通過(guò)廢液貯槽口的重要保證，當(dāng)腿部升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至最遠(yuǎn)端時(shí)，整個(gè)作業(yè)機(jī)器人的周向尺寸最小，能夠保證作業(yè)機(jī)器人無(wú)干涉地通過(guò)廢液貯槽口。

1.3" 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

核退役廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)法建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型[5]，標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)由相鄰桿件參數(shù)獲得，如圖3所示。

其中，兩岸坐標(biāo)系建立的原則如下。

1）原點(diǎn)oi：設(shè)在li與Ai+1軸線的交點(diǎn)上。

2）zi軸：與Ai+1關(guān)節(jié)軸線重合，指向任意。

3）xi軸：與公法線li重合，指向沿l由Ai軸線指向Ai+1軸線。

4）yi軸：按右手定則。

5）特殊情況：當(dāng)兩軸相交時(shí)，oi為關(guān)節(jié)軸向的交點(diǎn)，zi為Ai+1軸線，xi由zi-1與zi叉乘獲得，yi軸由右手定則獲得;當(dāng)兩軸平行時(shí)，原點(diǎn)可按照簡(jiǎn)單的來(lái)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法建立的坐標(biāo)系如圖4所示，其中坐標(biāo)系5和坐標(biāo)系4原點(diǎn)處于同一位置。

采用D-H參數(shù)法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行建模，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

1.4" 軌跡規(guī)劃方法

完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模之后，根據(jù)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的軌跡規(guī)劃。規(guī)劃過(guò)程中，將處理后的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為機(jī)器人的原始路徑信息，后計(jì)算可達(dá)域和最大清掃面積。其基本流程如圖5所示。

對(duì)于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)降噪處理后，首要任務(wù)是計(jì)算中點(diǎn)位置的距離，以驗(yàn)證其是否在機(jī)械臂的靈活工作空間內(nèi)。若機(jī)械臂無(wú)法覆蓋指定儲(chǔ)罐壁位置，必須通過(guò)底盤(pán)移動(dòng)來(lái)調(diào)整機(jī)器人位置，經(jīng)過(guò)移動(dòng)、越障，確保機(jī)械臂能夠達(dá)到更為優(yōu)越的工作姿態(tài)。此過(guò)程涉及對(duì)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的深度分析，以及底盤(pán)運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃和控制，旨在確保機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中能夠高效執(zhí)行特定任務(wù)。

若機(jī)器人已到達(dá)較好的工作位置，需要判斷激光雷達(dá)數(shù)據(jù)類(lèi)型。對(duì)于平面儲(chǔ)罐壁，需根據(jù)起始點(diǎn)和末端點(diǎn)進(jìn)行線性插值;對(duì)于曲面儲(chǔ)罐壁，需要獲取曲面參數(shù)再進(jìn)行插值，參數(shù)由以下公式獲取[6]。

對(duì)于數(shù)據(jù)中的起始點(diǎn)（x1，y1，z1）、中間點(diǎn)（x2，y2，z2），末端點(diǎn)（x3，y3，z3），曲線參數(shù)應(yīng)為

D=2×（x1×（y2-y3）+x2×（y3-y1）+x3×（y1-y2）），

x0=（（x+y）×（y2-y3）+（x+y）×（y3-y1）+（x+y）×（y1-y2））/D，

y0=（（x+y）×（x3-x2）+（x+y）×（x1-x3）+（x+y）×（x2-x1））/D，

r=-0.50，

θ1=tan-1（（x1-x0）/（y1-y0）），

θ2=tan-1（（x3-x0）/（y3-y0））。

得到曲線參數(shù)后，依據(jù)初始角度和終止角度線性插值作為新的軌跡規(guī)劃點(diǎn)，基于擬定的高度差，由一系列插值曲線組成軌跡規(guī)劃曲面，進(jìn)而求取最大的清洗面。

首先，對(duì)于插值曲面，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析求解方式，對(duì)于能夠到達(dá)的位置賦1，不能到達(dá)的位置賦0。這樣，求最大矩形面積的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成了求1構(gòu)成的最大矩形。通過(guò)棧法求出最大矩形面的索引，以下是使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和棧的方法求解最大矩形面積的基本步驟。

1）初始化變量：通過(guò)一個(gè)外循環(huán)遍歷二維列表的每一列，在每次循環(huán)開(kāi)始時(shí)，初始化2個(gè)向量“up”和“down”，以及一個(gè)棧stack。

2）計(jì)算向上和向下的邊界：在內(nèi)循環(huán)中，對(duì)矩陣的每一行進(jìn)行遍歷。對(duì)于每一行，通過(guò)維護(hù)一個(gè)單調(diào)遞減棧stack，計(jì)算出向上和向下的邊界。分別計(jì)算向上邊界時(shí)，如果當(dāng)前元素小于棧頂元素，則出棧，直到棧為空或者棧頂元素小于當(dāng)前元素;向下邊界同理，只不過(guò)是從底部開(kāi)始出棧。

3）計(jì)算面積：在第二個(gè)循環(huán)中，通過(guò)已計(jì)算的向上和向下邊界，計(jì)算當(dāng)前柱子（矩陣元素）形成的矩形的面積。

4）更新最大面積：在每次計(jì)算矩形面積后，與之前得到的最大面積進(jìn)行比較，如果當(dāng)前矩形面積更大，則更新最大面積及對(duì)應(yīng)的矩形的邊界坐標(biāo)。

5）重復(fù)步驟1）—4）：繼續(xù)外循環(huán)，遍歷所有列，重復(fù)以上步驟。最終得到最大矩形面的邊界坐標(biāo)。

2" 仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)對(duì)廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇合適的材料和零件搭建出廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6" 廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人

針對(duì)液壓機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，在Coppeliasim仿真軟件中進(jìn)行軌跡規(guī)劃仿真檢驗(yàn)算法。首先，在仿真軟件中分別導(dǎo)入曲面壁模型和液壓機(jī)械臂URDF模型，設(shè)置關(guān)節(jié)限位，并導(dǎo)入仿真軟件中的2D laser scanner激光雷達(dá)作為測(cè)量工具。如圖7所示，在仿真中機(jī)械臂能夠以最大清洗面積清理曲面壁。

為了驗(yàn)證廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人的實(shí)際操作性能和實(shí)際工作能力，根據(jù)廢液儲(chǔ)罐的實(shí)際工作環(huán)境搭建曲面壁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)狀況如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是準(zhǔn)確無(wú)誤的，同時(shí)所采用的軌跡規(guī)劃算法在廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出色。具體而言，該算法在平面和曲面壁上均展現(xiàn)出卓越的規(guī)劃效果，為廢液清理任務(wù)提供了可靠的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，確保機(jī)器人能夠高效地執(zhí)行清理作業(yè)。

3" 結(jié)論

本研究成功研制出一種適應(yīng)核輻射復(fù)雜環(huán)境的廢液儲(chǔ)罐清理作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)核退役廢液儲(chǔ)罐的高效清理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該機(jī)器人系統(tǒng)在平面和曲面壁上均取得了顯著的作業(yè)效果，為核工業(yè)的廢物管理提供了可靠、安全的解決方案。這一研究成果對(duì)于推動(dòng)核工業(yè)設(shè)施的退役后處理工作，提高清理作業(yè)效率，降低人工作業(yè)污染和安全風(fēng)險(xiǎn)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

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第一作者簡(jiǎn)介：陳建文（1994-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楹斯I(yè)特種機(jī)器人。