柔性搬移機器人在輻射環(huán)境下的遙控維護應(yīng)用研究

吳賁華 賈學(xué)軍 湯泓

摘? 要：針對深井輻射環(huán)境下移動遙控維護設(shè)備種類多，一旦行駛道路上出現(xiàn)障礙物，往往導(dǎo)致移動遙控維護設(shè)備無法正常行駛，而工作人員不適宜到達(dá)現(xiàn)場清理障礙物。鑒于此，文章提出利用一種柔性搬運機器人代替工作人員進行清理障礙物，保證其他移動遙控維護設(shè)備的正常運行;文章基于履帶機構(gòu)設(shè)計機器人的移動平臺，基于六軸機械手設(shè)計機器人的抓取裝置。

關(guān)鍵詞：輻射;遙控;維護;機器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0158-02

Abstract： In view of the fact that there are many kinds of mobile remote control maintenance equipment in the deep well radiation environment， where once there are obstacles on the road， the mobile remote control maintenance equipment is often unable to drive normally， and the staff are not suitable to arrive at the scene to clean up the obstacles， this paper proposes to use a flexible handling robot instead of the staff to clean up obstacles to ensure the normal operation of other mobile remote control maintenance equipment. In this paper， the mobile platform of the robot is designed based on the crawler mechanism， and the grasping device of robot is designed based on six-axis manipulator.

Keywords： radiation; remote control; maintenance; robot

前言

在科研工作中，同時由于輻射對人體健康的影響嚴(yán)重[1]，通常所有產(chǎn)生輻射的研究都是在一個密閉的空間進行，使用遙控維護設(shè)備代替工作人員的所有維護工作，避免工作人員受到輻射的影響。其中，所有移動遙控維護設(shè)備都是基于平整的行駛路面下完成設(shè)計，當(dāng)出現(xiàn)工作異常導(dǎo)致零部件掉落路面或上一移動遙控維護設(shè)備裝載的物體掉落路面的情況，下一移動遙控維護設(shè)備則無法正常行駛，導(dǎo)致無法完成工作。針對上述問題，本文提出一種利用履帶機構(gòu)設(shè)計機器人的移動平臺，移動平臺能夠在不平整路面行駛，再利用六軸機械手與軟體夾爪抓取路面的障礙物體到收集盒;運用遙控技術(shù)控制該機器人去抓取路面上的障礙物，并將所有收集的障礙物體搬移到輻射實驗室以外區(qū)域。

1 移動平臺

在存在輻射的密閉空間內(nèi)，針對路面出現(xiàn)障礙物導(dǎo)致遙控維護設(shè)備無法達(dá)到指定位置的情況，必須使用一種柔性搬移機器人將障礙物從存在輻射的密閉空間搬移至實驗室以外區(qū)域。為柔性搬移機器人具有良好的通行能力，移動平臺采用履帶機構(gòu)。相對橡膠輪、麥克納姆輪作為驅(qū)動輪的移動方式，履帶式移動機器人對路面要求低，防護性好。履帶式移動機器人作為機器人的一種，具有支撐面積大、越野性能好、牽引附著能力強等諸多優(yōu)點，適合在危險惡劣的環(huán)境下工作[2]。同時履帶式移動機器人自身重量大，適合裝載六軸機械手，保證六軸機械手工作時移動平臺的穩(wěn)定性。移動平臺由動力系統(tǒng)、車架、視頻系統(tǒng)組成。本文設(shè)計的移動平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。配備減速器的電機與驅(qū)動輪鏈接，導(dǎo)向輪通過履帶與驅(qū)動輪，組成一個動力總成。左右兩個動力總成通過車架組成動力系統(tǒng)。機械手安裝板設(shè)置于車架上方，并將攝像儀器安裝于機械手安裝的前方。這種結(jié)構(gòu)具有簡單，重量輕，容易拆裝，適合在平整的路面的行走的優(yōu)點。選項方面，由于履帶用于將柔性搬移機器人的自重與承載重量傳遞到地面，并承受沖擊與傳送動力，選型時需要保證履帶的耐磨性與剛度。驅(qū)動輪用于傳遞動力至履帶，通常設(shè)置于動力總成的后方，減少功率損耗，提高壽命。由于步進電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩與起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，適合作為動力總成的驅(qū)動電機。

2 抓取裝置

針對路面上障礙物的差異性，無法確定障礙物的尺寸、形狀、重量等等參數(shù)，傳統(tǒng)的吸盤抓手與夾爪都難以抓取所有障礙物。鑒于此，本文采用六軸機械手加軟體夾爪作為抓取裝置，解決抓取障礙物的差異性問題。軟體機器人的設(shè)計靈感來源于對生物體內(nèi)部構(gòu)造的模仿。由于采用軟體材料，與傳統(tǒng)機器人相比，具有自由度高、連續(xù)變形能力強和環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點，通常采用流體驅(qū)動等新型驅(qū)動方式[3]。由于市面上六軸機械手種類齊全，性能穩(wěn)定，價格實惠，所以選用一種輕量化六軸機械手即可。六軸機械手的第一關(guān)節(jié)選用伺服電機，并通過RV減速器與第二關(guān)節(jié)連接;第二、第三關(guān)節(jié)同理。第四關(guān)節(jié)選用伺服電機，并通過諧波減速器與第五關(guān)節(jié)連接，保證負(fù)載能力的同時縮小總體體積;第五、第六關(guān)節(jié)同理。軟體夾爪通過機械臂連接件與安裝支架設(shè)置于第六關(guān)節(jié)末端。軟體夾爪為四個材料為柔性聚合物的軟體手指，呈圓周分布，間距為100mm。相比傳統(tǒng)夾爪的，模塊化的軟體手指設(shè)計簡化了安裝、調(diào)試與拆卸維護的流程。軟體夾爪利用向每一軟體手指輸入正負(fù)氣壓差產(chǎn)生不同的動作的原理，以完成不同物體的抓取任務(wù)。當(dāng)向軟體手指輸入正氣壓，軟體手指呈握緊趨勢，自適應(yīng)地包覆在障礙物外表面，完成抓取動作。當(dāng)向軟體手指輸入負(fù)氣壓，軟體手指張開，釋放障礙物。當(dāng)障礙物是一個重要的實驗素材，包覆式抓取能夠保證實驗素材的安全性，防止被損壞。六軸機械手加軟體夾爪作為抓取裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)具有高精度與速度的優(yōu)點，提高工作人員對柔性搬移機器人的操作性。

3 遙控控制系統(tǒng)

在存在輻射的密閉空間內(nèi)，工作人員必須要通過視頻裝置才能實時了解密閉空間內(nèi)的情況，并利用遙控技術(shù)控制柔性搬移機器人將障礙物從存在輻射的密閉空間搬移至實驗室以外區(qū)域，實現(xiàn)清理路面的任務(wù)。通訊方式采用有線通訊的方式，并通過設(shè)置于機器人的伸縮卷管器收納線纜與氣管。相比無線通訊，有線通訊更可靠，時延低，保證工作人員操控的準(zhǔn)確性。視頻儀器將采集的圖像信息實時反饋至室外工作站，工作人員根據(jù)圖像信息向移動平臺的驅(qū)動電機的控制器發(fā)送指定指令，使柔性搬移機器人移動在障礙物前;再發(fā)送指令至六軸機械手的控制器發(fā)送指定指令，使柔性搬移機器人的柔性夾爪移動到障礙物外表面;向柔性夾爪的氣動控制器發(fā)送正氣壓的指令，柔性夾爪抓取障礙物;六軸機械手將障礙物移動至收集盒;向柔性夾爪的氣動控制器發(fā)送負(fù)氣壓的指令，柔性夾爪釋放障礙物。完成收集密閉空間的所有障礙物任務(wù)后，柔性搬移機器人行駛出存在輻射的密閉空間，完成將路面上的障礙物搬移的功能。

4 結(jié)束語

本文主要對柔性搬移機器人在輻射環(huán)境下的遙控維護應(yīng)用進行了研究，并對其中的移動平臺、抓取裝置與遙控控制系統(tǒng)展開了詳細(xì)介紹與分析，可為在輻射環(huán)境下遙控維護的應(yīng)用提供參考借鑒。

參考文獻：

[1]輻射可能對人體造成的長期影響是什么？[J].口岸衛(wèi)生控制，2011，16（02）：13.

[2]張凡.履帶式移動機器人的控制與避障[D].南京理工大學(xué)，2013.

[3]李卓雨.軟體機器人的發(fā)展應(yīng)用與展望[J].科技傳播，2018，10（23）：109-110.