小型關(guān)節(jié)式主從機械手彈簧平衡技術(shù)研究

鄒樹良 胡國輝, 王路森 沈琛林

1.南華大學(xué)，中國·湖南 衡陽 421001

2.中國核電工程有限公司，中國·北京 100840

從事核科學(xué)研究及生產(chǎn)的實驗室及工廠對放射性物質(zhì)進行操作均離不開核用機械手，其主要功能是將操作人員與被操作對象隔開，在保證操作人員及操作環(huán)境安全的前提下對放射性物質(zhì)進行操作。機械手平衡系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響操作的體感和使用效果。論文利用機械手的數(shù)字樣機，分析手臂的運動狀態(tài)，得出運動過程中重力矩隨手臂擺動的函數(shù)關(guān)系，繪制重力矩-擺角曲線；分析恒力彈簧平衡系統(tǒng)平衡力矩隨手臂擺動的函數(shù)關(guān)系，繪制彈簧力矩-擺角曲線；對比曲線、并優(yōu)化平衡結(jié)構(gòu)。

小型關(guān)節(jié)主從機械手；彈簧平衡；數(shù)字樣機；恒力彈簧

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，核能作為安全、清潔能源在中國能源戰(zhàn)略中地位日益突出，在保證安全的前提下，中國核電機組按照國家規(guī)劃合理增加[1]。為提高核燃料利用率，中國核工業(yè)采用核燃料閉式循環(huán)路線[2]。伴隨反應(yīng)堆中核燃料燃耗的加深，核燃料裂變將不能維持核電站發(fā)電功率，這些未燃盡的核燃料稱為乏燃料[3]。乏燃料后處理是閉式循環(huán)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。

機械手是核工業(yè)后處理領(lǐng)域重要的遠距離操作和維修工具。機械手的平衡系統(tǒng)是其重要組成部分，其作用是盡可能平衡掉機械手因自重產(chǎn)生的阻力矩以及傳動系統(tǒng)的摩擦力矩，使得機械手在正常操作過程中，操作人員只需克服被操作物產(chǎn)生的負載，從而感受到的為真實的操作力。平衡效果的好壞直接影響操作的體感，好的平衡系統(tǒng)能夠降低操作人員的操作強度，提高操作的準確性。機械手的平衡計算是機械手設(shè)計的難點之一。

小型關(guān)節(jié)主從機械手(以下簡稱:小型手)可應(yīng)用于后處理廠、放化實驗室、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域的防護工作箱上，屬于關(guān)節(jié)式主從機械手，主要由主動上臂、主動前臂、穿墻管、從動上臂、從動前臂、平衡系統(tǒng)等組成。相比熱室用關(guān)節(jié)機械手而言，小型手同樣具有7 個獨立自由度，區(qū)別在于小型手外形尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝高度低?；谶@些特點限制其不可采用傳統(tǒng)的重力平衡方式，為此采用新型的恒力彈簧平衡系統(tǒng)。

2 運動狀態(tài)分析及力學(xué)模型建立

機械手運動為主從運動形式，主、從端為鏡像結(jié)構(gòu)，主動端的運動通過傳動系統(tǒng)在從動端實現(xiàn)運動的復(fù)現(xiàn)。即主動前臂與從動前臂同前同后，主動上臂與從動上臂同上同下，從動手臂相對旋轉(zhuǎn)中心O’的力矩通過傳動系統(tǒng)傳遞到旋轉(zhuǎn)中心O，其力矩大小相等，方向相反。

小型手運動過程中，主動前臂與從動前臂運動狀態(tài)為同前同后，主動前臂相對旋轉(zhuǎn)中心O 的重力矩變化趨勢與從動前臂相對旋轉(zhuǎn)中心O’的重力矩變化趨勢始終相反。因主、從端為鏡像結(jié)構(gòu)，主動前臂與從動前臂質(zhì)量相似、重心距離各自旋轉(zhuǎn)中心距離相近，為簡化計算，取從動前臂的重量，重心距離旋轉(zhuǎn)中心的距離與主動前臂相同，主從運動時，主、從動前臂的合力矩不變。因此，機械手的復(fù)雜運動可以簡化為主、從動上臂帶動主、從動前臂始終豎直狀態(tài)的上下擺動運動?；诖耍⑿⌒褪诌\動狀態(tài)力學(xué)模型，小型手的運動示意圖和力學(xué)模型圖如圖1所示。

圖1 小型手運動示意圖及力學(xué)模型圖

3 彈簧平衡特性分析

3.1 重力矩運動特性分析

機械手在水平空載狀態(tài)下，重力矩達到最大值。利用力的平移原理，將從動前臂、主動前臂的作用效果平移到A、B點；主動端對O 點取矩，從動端對O’點取矩。從動端與主動端為主從運動，通過交叉的鏈條傳動，即O’的力矩在O點的作用效果為一個大小與O’點力矩相等，方向與O’點力矩相反的力矩，恒力彈簧平衡系統(tǒng)提供相反的平衡力矩。

將所有力和力矩平移到O 點進行合成，小型手擺臂平衡條件為：

其中，G 是手臂重力對O 點合力；N 是O 點提供的支持 力；M 是手臂重力對O 點合力矩；Mi是各手臂重力對O 點分力矩；Mt 是彈簧對O 點力矩。

主動上臂重力對O 點分力矩：Mzs= Gzs×Lzs×cosθ

主、從動前臂重力對O 點分力矩：

從動上臂重力對O 點分力矩：

手臂重力對O 點合力矩M：

3.2 彈簧力矩特性分析

將恒力彈簧平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型，進行受力分析，如圖2所示。以O(shè) 點位坐標原點，O 點坐標為（0，0），A點坐標為（b，a），M 點坐標為（R cosθ，R sinθ），由三角函數(shù)關(guān)系可得α、β 值，即可得出γ 值，彈簧對O 點力矩Mt=Ft×R×cosγ。

圖2 恒力彈簧平衡系統(tǒng)力學(xué)模型

4 實例分析

論文以防護厚度為100mm 的小型手為例計算手臂重力對O 點合力矩M：

由重力矩隨手臂擺動的函數(shù)關(guān)系，繪制出重力矩-擺角曲線，如圖3所示。

圖3 重力矩-擺角曲線

恒力彈簧平衡系統(tǒng)需要達到的理想預(yù)期效果為完全平衡，完全平衡條件為任意位置 Mt = M，這一條件需要使得彈簧力矩變化趨勢與重力矩相同，據(jù)分析結(jié)果可知，重力矩在小型手手臂水平狀態(tài)時達到最大值，這需要恒力彈簧平衡系統(tǒng)提供的彈簧力矩在此狀態(tài)同時達到最大值，即（b+）=R=Lt，彈簧力矩Mt= Ft×R= M，可得Ft。

查閱恒力彈簧標準產(chǎn)品樣本，8kg 產(chǎn)品與需求最相近，對應(yīng)的恒力彈簧直徑D 為40mm，b=Lt-0.5D。取符合小型手結(jié)構(gòu)尺寸（200 ≤a ≤350），且有代表性理的參數(shù)a 值200、250、300、350，得到以下曲線如圖4所示。

分析兩曲線的位置關(guān)系可知，在小型手擺臂過程中，手臂向下擺動時，彈簧力矩大于重力矩，手臂自然狀態(tài)時，會自動上擺，當上擺至兩曲線交點對應(yīng)的角度時，手臂保持 平衡；手臂向上擺動越過平衡角度時，彈簧力矩小于重力矩，手臂自然狀態(tài)時，會自動下擺，當上擺至兩曲線交點對應(yīng)的角度時，手臂保持平衡；平衡點位于水平位置偏上的一個小角度處，符合機械手平衡點的設(shè)置要求。

圖4 彈簧力矩、重力矩-擺角曲線

5 結(jié)論

論文重點針對小型手彈簧平衡技術(shù)進行研究，提供恒力彈簧平衡系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)能基本實現(xiàn)機械手任意位置的平衡，符合機械手平衡點的設(shè)置要求。