壓力容器檢測(cè)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)與工作空間分析*

肖 華，張 輝，靳靜娟

(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢430072)

0 引 言

壓力容器是一種被廣泛應(yīng)用于石化、核能等領(lǐng)域的設(shè)備，在使用時(shí)，有相當(dāng)一部分壓力容器處于腐蝕、非常溫和高壓的工作狀態(tài)［1］，為保障安全生產(chǎn)，需要對(duì)這些容器的關(guān)鍵位置進(jìn)行定期檢查。由于壓力容器內(nèi)部環(huán)境惡劣，用機(jī)器人攜帶檢測(cè)儀器代替工作人員進(jìn)入容器內(nèi)部完成檢查任務(wù)成為一種更為安全、有效的方式，研究者們也一直致力于此類機(jī)器人的研究。

美國(guó)ZETEC 公司針對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器的檢修工作而研發(fā)了兩個(gè)系列的機(jī)器人——ZR 和SM 系列［2］;美國(guó)西屋公司研制的用于蒸汽發(fā)生器檢測(cè)的機(jī)器人ROSA-ⅢC 和法國(guó)阿?，m公司的COBRA 機(jī)器人都為固定基座式［3］;國(guó)內(nèi)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，哈爾濱工程大學(xué)和某研究所合作，在國(guó)內(nèi)首次自主研制了一個(gè)能完成多項(xiàng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)部檢修任務(wù)的機(jī)器人樣機(jī)［4］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)的主要方法為經(jīng)驗(yàn)法和拓?fù)浞治龇ǎ?］，但對(duì)該類密閉容器檢測(cè)機(jī)器人還沒有形成特定的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法;該類機(jī)器人存在重量較大，搬運(yùn)不方便，安裝時(shí)間長(zhǎng)的問題;人工需要進(jìn)入容器內(nèi)部對(duì)機(jī)器人進(jìn)行安裝，容器內(nèi)部的輻射對(duì)人工的健康是極其不利的。

本研究對(duì)檢測(cè)機(jī)器人相關(guān)要求進(jìn)行分析，提出相關(guān)構(gòu)型設(shè)計(jì)的要求，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，可為壓力容器檢測(cè)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

1．1 機(jī)器人相關(guān)要求分析

壓力容器的內(nèi)部空間為若干段曲面組合而成，待檢查的管道與人孔有一定的距離(容器外部示意圖如圖1 所示，圖中間的孔為人孔，兩側(cè)的孔為待檢管道)。容器的人孔是為了便于機(jī)器人定位(將機(jī)器人的基座固定在人孔空口的法蘭面上)，但人孔的直徑通常較小，所以要求該類機(jī)器人的體積要小;由于容器內(nèi)部空間很大，機(jī)器人要有足夠大的檢測(cè)范圍，所以需要較大的工作空間，機(jī)器人要有良好的伸展性;同時(shí)人孔和待測(cè)管道之間的距離較遠(yuǎn)，要求機(jī)器人末端能攜帶20 kg 的儀器運(yùn)送至待測(cè)管道完成檢查作業(yè);機(jī)器人在工作過程中，機(jī)器人桿件變形要在合理范圍以內(nèi)，不能與容器內(nèi)壁產(chǎn)生碰撞。

圖1 容器外部示意圖

目前，大部分機(jī)器人都是先在容器外面將各個(gè)關(guān)節(jié)全部伸展開，然后人員將機(jī)器人末端從人孔伸入到容器內(nèi)部，另外的人員需要進(jìn)入容器內(nèi)抓住機(jī)器人末端協(xié)助外面的人員進(jìn)行機(jī)器人的安裝［2-3］。該類機(jī)器人重量一般在50 kg～70 kg 左右，安裝時(shí)需要多個(gè)人搬運(yùn)，人工還要進(jìn)入容器內(nèi)部協(xié)助安裝，安裝時(shí)間在兩個(gè)小時(shí)左右，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且在惡劣環(huán)境中工作是極其不安全的，所以要求機(jī)器人重量在50 kg 以下，要便于單個(gè)人搬運(yùn)，安裝時(shí)間要縮短，要保障人工的安全。

該檢測(cè)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)采用“臂腕分離”原則，機(jī)器人的臂部和腕部將分開研究［6］。

1．2 機(jī)器人臂部構(gòu)型的奇異性

機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)避免設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)奇異性，以防止無效的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)增加到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。機(jī)器人在奇異位置附近時(shí)可控性很差，需要在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中加以考慮。王才東［7］通過分析計(jì)算機(jī)器人臂部的雅克比矩陣，得出了20 類非奇異性的臂部結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)可以從中選取。

1．3 機(jī)器人臂部構(gòu)型的負(fù)載能力特性

筆者研究的機(jī)器人選擇基座安裝方式，安裝在人孔的法蘭盤上，機(jī)器人要將儀器運(yùn)到待測(cè)管道內(nèi)部，根據(jù)容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇臂部第一個(gè)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。由于機(jī)器人負(fù)載較大，需要良好的負(fù)載能力和剛度，筆者根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的相關(guān)原則［8］，讓第1 關(guān)節(jié)的軸線與重力方向平行，第1 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器就無需承擔(dān)末端負(fù)載力;考慮到人孔的幾何約束以及機(jī)器人的實(shí)際體積，機(jī)器人的關(guān)節(jié)在通過人孔時(shí)，沿人孔軸線方向移動(dòng)進(jìn)入容器較為合適，第2 個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié);在臂部結(jié)構(gòu)進(jìn)入容器后再利用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)將小臂伸展開。該設(shè)計(jì)選擇第1 關(guān)節(jié)和第2 關(guān)節(jié)軸線共線，為增大機(jī)器人負(fù)載能力，第3 關(guān)節(jié)軸線和第1 關(guān)節(jié)軸線之間的距離盡量小。

1．4 機(jī)器人工作空間分析

該檢測(cè)機(jī)器人在一個(gè)1/4 圓球容器中工作，同時(shí)機(jī)器人檢測(cè)的是一個(gè)管道，考慮到需要讓機(jī)器人的工作空間可以覆蓋足夠的區(qū)域，選擇圓柱形的工作空間比較有利于任務(wù)的完成。劉成良［9］通過對(duì)機(jī)器人臂部提出了若干種備選構(gòu)型，從中確定R∥P⊥R 構(gòu)型為臂部構(gòu)型。其中:R—轉(zhuǎn)動(dòng)副;P—移動(dòng)副;∥—兩運(yùn)動(dòng)副的軸線平行(包含重合情況);⊥—兩運(yùn)動(dòng)副軸線垂直相交。

1．5 機(jī)器人腕部構(gòu)型分析

末端檢測(cè)儀器只需要兩個(gè)方向調(diào)整姿態(tài)，故腕部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為R⊥R，但是考慮到管道與人孔距離的不同，本研究在3、4 關(guān)節(jié)之間增加一個(gè)移動(dòng)副，增加了機(jī)械臂的伸展范圍，并沒有改變?cè)瓉淼?、4 關(guān)節(jié)之間的空間配置關(guān)系。當(dāng)進(jìn)入容器時(shí)，小臂處于最短狀態(tài)，當(dāng)關(guān)節(jié)3帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)到預(yù)定角度時(shí)，小臂再伸長(zhǎng)至所需長(zhǎng)度。

本研究通過對(duì)檢測(cè)機(jī)器人具體要求的分析，從機(jī)器人臂部構(gòu)型的奇異性、負(fù)載能力、工作空間等多個(gè)角度考慮，最后確定此檢測(cè)機(jī)器人為6 個(gè)自由度，構(gòu)型為R∥P⊥R⊥P⊥R⊥R，快速轉(zhuǎn)換接頭如圖2 所示。

1．6 機(jī)器人設(shè)計(jì)分析

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人在不影響機(jī)器人剛度的情況下，部分材料采用了鋁合金，將機(jī)器人的重量減少到了50 kg 以下;該機(jī)器人的第2 個(gè)關(guān)節(jié)和第5 個(gè)關(guān)節(jié)都為移動(dòng)副，增大了機(jī)器人的伸展性，使得機(jī)器人在初始狀態(tài)時(shí)的體積小，可以順利通過人孔，進(jìn)入容器內(nèi)部后可以伸展檢測(cè)遠(yuǎn)距離的管道。

圖2 快速轉(zhuǎn)換接頭

本研究對(duì)該機(jī)器人的安裝方式進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。即機(jī)器人先安裝在人孔法蘭上，然后再進(jìn)入容器內(nèi)部伸展，無需人員進(jìn)入具有輻射的容器內(nèi)部進(jìn)行工作，利于人員的安全;在該機(jī)器人的第4 關(guān)節(jié)和第5 關(guān)節(jié)之間添加了一個(gè)快速轉(zhuǎn)換接頭(如圖2 所示)，將該機(jī)器人分成了兩個(gè)部分，每個(gè)部分的重量都在30 kg 以下，很方便一個(gè)人安裝;先將機(jī)器人的第一部分(基座部分)安裝在人孔法蘭上，然后通過快速轉(zhuǎn)換接頭將第二部分(檢測(cè)機(jī)構(gòu)部分)和第一部分連接在一起，最后連接相關(guān)電纜。

2 機(jī)器人工作空間研究

2．1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本研究用D-H 法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模［10］，機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系如圖3 所示。D-H 參數(shù)表如表1 所示。

表1 機(jī)器人D-H 參數(shù)表

為簡(jiǎn)化模型，參數(shù)的長(zhǎng)度單位未標(biāo)明的均為某一單位長(zhǎng)度。T 是一個(gè)4 階方陣，被稱為直角坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換，它建立了兩個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系。

根據(jù)D-H 法，表1 和圖3 中:α—兩相鄰Z 軸的角度;a—相鄰Z 軸公垂線的長(zhǎng)度;θ—繞Z 軸旋轉(zhuǎn)角;d—在Z 軸上的兩條相鄰X 軸之間的距離。

圖3 六自由度機(jī)器人構(gòu)型示意圖和D-H 連桿坐標(biāo)系

各連桿間的變換矩陣為:

式中:Sθn—sinθn;Cθn—cosθn;Sαn—sinαn;Cαn—cosαn。

將表1 中的各參數(shù)分別代入式(1)，機(jī)器人的基座與機(jī)器人末端之間的總變換為0T6，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程［13］:

式中:s1—sinθ1，c1—cosθ1，依此類推。

2．2 機(jī)器人工作空間求解

通過運(yùn)用Matlab 軟件可以得到表示機(jī)器人工作空間的點(diǎn)云圖［12］，由式(2)可知機(jī)器人末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置向量為:

結(jié)合表1 及公式(3)，本研究運(yùn)用蒙特卡洛法對(duì)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行描述［13］，機(jī)器人工作空間點(diǎn)云圖如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人工作空間點(diǎn)云圖

通過在各關(guān)節(jié)變量變化范圍內(nèi)隨機(jī)取250 000 個(gè)點(diǎn)所形成的機(jī)器人工作空間點(diǎn)云圖如圖4 所示。由圖4 可看出，機(jī)器人的工作空間無明顯空洞，且能較好地覆蓋四分之一圓球形的容器內(nèi)部空間，由此證明了前述容器機(jī)器人構(gòu)型綜合方法的合理性。

2．3 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)機(jī)器人完成了各零部件的設(shè)計(jì)之后，本研究用三維軟件Solidworks 對(duì)其進(jìn)行了三維建模，機(jī)器人攜帶檢查設(shè)備進(jìn)入壓力容器中的工作過程如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人攜帶檢查設(shè)備在容器內(nèi)部伸展的工作過程

通過軟件可以直接測(cè)量機(jī)器人在工作過程中機(jī)器人的避障情況，機(jī)器人在第2 關(guān)節(jié)伸展位移最大時(shí)Z 軸方向距離容器內(nèi)壁最短距離為80．40 mm，Y 軸方向?yàn)? 298．88 mm，X 軸方向?yàn)? 667 mm，各個(gè)方向均距離罐體內(nèi)壁40 mm 以上，滿足間隔要求。該仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述求解的機(jī)器人工作空間能夠滿足檢查任務(wù)的要求。

3 機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

通過對(duì)機(jī)器人的仿真實(shí)驗(yàn)，本研究確定了機(jī)器人方案的可行性，并將研制出來的樣機(jī)負(fù)載20 kg 的設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室1∶1 的壓力容器中模擬進(jìn)行了機(jī)器人樣機(jī)工作實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人末端檢測(cè)設(shè)備上還安裝有攝像頭，可以通過電腦遠(yuǎn)程操控，實(shí)時(shí)觀看容器內(nèi)部檢測(cè)情況。壓力容器機(jī)器人在容器內(nèi)部時(shí)的收攏和展開的兩個(gè)姿態(tài)如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人在容器內(nèi)部收攏和展開的兩個(gè)姿態(tài)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)人可以在0．5 h 以內(nèi)完成機(jī)器人的安裝，驗(yàn)證了機(jī)器人安裝方式的合理性;該機(jī)器人完全能夠攜帶設(shè)備順利進(jìn)入壓力容器內(nèi)部，并且能夠順利展開到達(dá)指定的位置完成檢查任務(wù)，最后能夠順利退出壓力容器，這一結(jié)果表明機(jī)器人有很好的伸縮性;同時(shí)機(jī)器人沒有產(chǎn)生大的塑性變形，與容器內(nèi)壁間隔都在合理范圍之內(nèi)，這一結(jié)果表明機(jī)器人的負(fù)載能力和剛度滿足要求;在整個(gè)工作過程中人工不用進(jìn)入容器內(nèi)部，極大地保障了人工的安全;壓力容器檢測(cè)機(jī)器人代替了人工完成檢測(cè)任務(wù)是一種更加有效的方式。

4 結(jié)束語

本研究對(duì)壓力容器檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行分析，提出了一種機(jī)器人構(gòu)型綜合方法，通過添加移動(dòng)副增加了機(jī)器人的伸縮性，通過增加快速轉(zhuǎn)換接頭和改變機(jī)器人安裝方式，縮短了機(jī)器人的安裝時(shí)間，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了前述容器機(jī)器人構(gòu)型綜合方法的合理性。本研究結(jié)果可為壓力容器檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究提供參考和借鑒。

研究過程中發(fā)現(xiàn)還有不足之處，即只討論了機(jī)器人的工作空間和安裝方式，沒有討論機(jī)器人的靈活性，沒有對(duì)機(jī)器人的路徑進(jìn)行優(yōu)化，在今后的研究中，筆者將重點(diǎn)研究該類機(jī)器人的靈活性，以完善機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

［1］戴 光．壓力容器安全工程［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2010．

［2］丁訓(xùn)慎．核電站蒸汽發(fā)生器在役檢查的遙控裝置和專用工具［J］．核電工程與技術(shù)．2000，13(1):44-49．

［3］PHILIPPE D，GéRARD P． An Overview of the Remote Handling Technologies Developed for Nuclear Hazardous Environments in France［C］//1st Joint Emergency Preparedness and Response/Robotic and Remote Systems Topical Meeting． Salt Lake City，UT，USA:［s． n．］，2006:381-388．

［4］王立權(quán)．核電站蒸汽發(fā)生器檢修機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］．機(jī)器人，2009，31(1):61-66．

［5］CHEN Jin-qiu． Structural Optimization of robots and 3D Modeling of robot Workspace［D］． Ph． D． Thesis，The University of Memphis，2005．

［6］TSAI，Y．C． SONI，A．H． Workspace Synthesis of 3R，4R，5R AND 6R Robots［J］．Mechanism ＆ Machine Theory，1983，20(6):555-563．

［7］王才東，吳建榮．六自由度串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)與性能分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29(3):9-12

［8］吳建榮．蒸汽發(fā)生器檢修機(jī)器人樣機(jī)研制及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］． 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與核能工程學(xué)院，2009

［9］劉成良．基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的機(jī)器人臂部構(gòu)型分析及工作空間仿真研究［J］．機(jī)電工程，2002，19(3):44-48．

［10］熊有倫．機(jī)器人學(xué)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

［11］XIAO Hua，ZHANG Hui，Configuration Design and Kinematic Analysis of A Sealed Container-oriented Robot with Six Degrees of Freedom［C］//Proceedings of the Fourth International Joint Conference on Advances in Engineering and Technology 2013． India:Elsevier India，2013:766-770．

［12］羅慶生，肖中陽，魯 盼，等．可穿戴式腰背部治療儀的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］． 機(jī)電工程，2014，31(12):1547-1550，1554．

［13］蔡 蒂，謝存禧．基于蒙特卡洛法的噴涂機(jī)器人工作空間分析及仿真［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(3):161-162．