合肥智能所智能機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室

高理富 孫建

（中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽合肥，230031）

中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所智能機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室，是國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）先進(jìn)制造與自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人傳感技術(shù)網(wǎng)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以信息獲取科學(xué)、人機(jī)交互臨場感、多傳感器信息融合與傳輸、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)工程和智能機(jī)器人應(yīng)用為主要研究方向，開展力信息獲取和感知系統(tǒng)、智能機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字運(yùn)動(dòng)員和運(yùn)動(dòng)員指導(dǎo)系統(tǒng)等方面的工作。

一、傳感器系統(tǒng)及其應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室圍繞多維力傳感器的關(guān)鍵技術(shù),以研究六維力傳感器的結(jié)構(gòu)和信息處理為切入點(diǎn),研制機(jī)器人六維腕力/指力/腳踝力傳感器、多維陣列式類皮膚傳感器、水下和空間特殊環(huán)境下的六維力傳感器；以六維力傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的帶有力/觸覺臨場感的機(jī)器人裝配作業(yè)平臺(tái)；機(jī)器人傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；用于體育競技領(lǐng)域的六維力測試平臺(tái)、數(shù)字鉛球；科學(xué)普及領(lǐng)域的測力機(jī)器人等方面。本實(shí)驗(yàn)室自行研制了各種不同量程的六維力傳感器標(biāo)定和測試系統(tǒng)10余臺(tái)（套），可完成從50g-2000kg以上各種力量程的標(biāo)定和測試，并有自行設(shè)計(jì)的標(biāo)定和評價(jià)軟件。

目前，公司研制的多維力傳感器在中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等科研單位以及ABB公司均有應(yīng)用。

圖1 傳感器系統(tǒng)及其應(yīng)用

圖2 多種類型力傳感器

主要基本參數(shù)：

二、863機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

依托“十五”863基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“機(jī)器人傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”，安徽省科技重點(diǎn)項(xiàng)目“智能化、高性能機(jī)器人傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”和機(jī)器人學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目“基于傳感信息的可視化機(jī)器人虛擬控制仿真支持系統(tǒng)” 的研究背景，實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及到信息處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（各傳感器可通過CAN總線即插即用，可現(xiàn)場完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和評價(jià)）、多傳感器系統(tǒng)、機(jī)器人控制、虛擬現(xiàn)實(shí)（可通過虛擬傳感器仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行力和超聲避碰等虛擬傳感器現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)）等多個(gè)學(xué)科的前沿技術(shù)，用于對智能機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器的各種傳感器的實(shí)驗(yàn)、測試、標(biāo)定和評定。

三、掰手腕機(jī)器人

圖3 深圳高技術(shù)交流博覽會(huì)展覽

掰手腕機(jī)器人是一種以電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力，以腕力傳感器和臂力傳感器測量信息作為反饋的科普性、娛樂性機(jī)器人。該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力分為5個(gè)級別，對應(yīng)力的量程為（15kg-80kg），能夠滿足不同力量人群的需要。該機(jī)器人攜帶的腕力機(jī)器人和臂力機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)測量在比賽過程中人的施力過程，并計(jì)算出整個(gè)過程力的最大、最小值，該機(jī)器人還能夠記錄比賽過程中精彩片段以及現(xiàn)場打印工作。該機(jī)器人主要應(yīng)用于科研院校、科普館以及一些娛樂場所。

四、ITER部件轉(zhuǎn)運(yùn)車

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor），國際熱核實(shí)驗(yàn)堆，是目前核聚變領(lǐng)域內(nèi)全球規(guī)模最大，影響最深遠(yuǎn)的科學(xué)工程項(xiàng)目。其主要目標(biāo)是建造一個(gè)可持續(xù)燃燒的托克馬克聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證人類和平利用核聚變的可能性。托克馬克真空室內(nèi)有一些設(shè)備是由含鈹材料制造，鈹本身是一種劇毒物質(zhì)，工作人員不能直接與之接觸。為了解決這些問題，本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)一種ITER部件轉(zhuǎn)運(yùn)車，采用遠(yuǎn)程操作的方式完成移動(dòng)、與上中下窗口對接、取出內(nèi)部部件，與窗口分離，與熱室對接等一系列工作，完成托克馬克真空室內(nèi)零部件的轉(zhuǎn)運(yùn)、拖拉和維修等工作。ITER轉(zhuǎn)運(yùn)車分為氣墊車系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、六自由度平臺(tái)系統(tǒng)、雙向密封門系統(tǒng)、大負(fù)載拖拉機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)共6個(gè)子模塊。

1.氣墊車

氣墊車是利用氣體層流效應(yīng)托舉載荷，實(shí)現(xiàn)大噸位負(fù)載的運(yùn)輸。氣墊車可作為一種重載的轉(zhuǎn)運(yùn)工具，實(shí)現(xiàn)ITER部件遙操作的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。

圖5 氣墊車模塊配置圖

氣墊車采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括桁架式車架單元，氣壓驅(qū)動(dòng)單元，精密行走單元，控制單元和配置的傳感單元，氣墊車定位精度4mm，轉(zhuǎn)向精度在0.1°范圍內(nèi)。氣墊車有三種控制模式：遙操作，自主避障模式，遙控器模式。

本實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的氣墊車，可作為ITER遙操作中重載轉(zhuǎn)運(yùn)的重要技術(shù)手段。

主要技術(shù)參數(shù)匯總表

2.六自由度并聯(lián)平臺(tái)

六自由度并聯(lián)平臺(tái)是轉(zhuǎn)運(yùn)車上的一個(gè)核心部件，其主要功能是：在導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下，調(diào)整轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂空間的六個(gè)姿態(tài)，從而完成車廂與托克馬克真空室的準(zhǔn)確對接。

圖6 六自由度并聯(lián)平臺(tái)系統(tǒng)

該平臺(tái)在空間具有六個(gè)自由度的調(diào)節(jié)功能，即yaw（偏航）、roll（橫滾）、pitch（俯仰）以及Tx（x軸方向移動(dòng)）、Ty（y軸方向移動(dòng)）、Tz（z軸方向移動(dòng)）運(yùn)動(dòng)功能。該平臺(tái)集成機(jī)械、液壓和控制為一體，應(yīng)用高精尖的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和理念，設(shè)計(jì)目標(biāo)可以承載20t的載荷和具有0.03mm(0.5。)的重復(fù)定位精度，可以滿足ITER部件轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂的對接需求。

3.雙向密封門系統(tǒng)

雙向密封門系統(tǒng)是ITER部件轉(zhuǎn)運(yùn)車的一個(gè)很重要的組成部分，其主要作用是保證部件轉(zhuǎn)運(yùn)車本身的密封性、托克馬克裝置以及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車與托克馬克裝置之間的對接、鎖緊以及分離等。

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雙向密封門系統(tǒng)安裝在部件轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂前后兩端，主要有兩扇門組成——維護(hù)門（Maintenance Door）和小車門(Cask Door)。當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車沒有與真空室對接時(shí)，維護(hù)門與小車門聯(lián)接在一起；當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車與真空室窗口對接并完成一系列操作后，維護(hù)門與小車門脫離，小車門繼續(xù)留在轉(zhuǎn)運(yùn)車上，而維護(hù)門與真空室窗口聯(lián)接在一起，充當(dāng)密封真空室窗口的作用。車廂后端只有小車門，在緊急情況（如轉(zhuǎn)運(yùn)車出現(xiàn)故障）下，救援車通過后端的小車門與該轉(zhuǎn)運(yùn)車對接。其中，在車廂與窗口、維護(hù)門與窗口，維護(hù)門與小車門、小車門與車廂之間都設(shè)置有密封圈，窗口與車廂之間的密封力由車廂底盤來施加，維護(hù)門與真空室窗口之間的密封力和小車門與維護(hù)門之間的密封均由螺旋鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)施加，小車門與車廂之間的密封力由提升機(jī)構(gòu)提供。

4.重型機(jī)械臂與拖拉機(jī)構(gòu)

重型機(jī)械臂（舉升機(jī)構(gòu)）與拖拉機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要是將相關(guān)內(nèi)部部件從真空室移動(dòng)到轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂內(nèi)，包括舉升機(jī)構(gòu)和拖拉機(jī)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車與真空室窗口對接完成后，通過車廂內(nèi)部的導(dǎo)軌將重型機(jī)械臂移動(dòng)到指定位置，利用傾斜機(jī)構(gòu)將重型機(jī)械臂伸入到待操作部件內(nèi)并舉起，然后再利用提升機(jī)構(gòu)將該部件拉到車廂內(nèi)，等轉(zhuǎn)運(yùn)車到熱室后，再利用重型機(jī)械臂將部件送到熱室內(nèi)。

圖7 雙向密封門系統(tǒng)

舉升機(jī)構(gòu) 拖拉機(jī)構(gòu)舉升機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)源的六連桿機(jī)構(gòu)方式，將操作對象舉升后并由拖拉機(jī)構(gòu)拖入車廂。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩牽引，實(shí)現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)行，完成操作對象搬運(yùn)操作。

圖8 舉升機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)構(gòu)