基于全向輪的核電檢修全方位移動(dòng)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

杜林寶， 龔衛(wèi)民， 王晨

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢430074）

0 引言

全方位移動(dòng)機(jī)器人作為一種特殊的輪式移動(dòng)機(jī)器人，具有在零回轉(zhuǎn)半徑下實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，能夠在擁擠、狹窄的環(huán)境中高效運(yùn)動(dòng)[1]。在平面內(nèi)，全方位移動(dòng)平臺(tái)有3個(gè)自由度，可分別前后或左右直線運(yùn)動(dòng)、斜向45°直線運(yùn)動(dòng)、原地360°回轉(zhuǎn)及上述任意運(yùn)動(dòng)形式組合[2]。全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，所需工作空間小、效率高，已在倉庫儲(chǔ)運(yùn)等作業(yè)場(chǎng)合狹小的領(lǐng)域得到了應(yīng)用[3]。核電站反應(yīng)堆水池內(nèi)設(shè)備較多、空間狹小，在水下檢修過程中由于空間受限，使得檢修工作受到很大限制。

針對(duì)上述情況，為了保證核電站水下檢修工作的順利實(shí)施，研究一種適用于核電站水下檢修的全方位移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)計(jì)有負(fù)載接口，可搭載攝像頭、機(jī)械手等不同的檢修工具完成水下檢修工作。

1 全方位移動(dòng)平臺(tái)輪系結(jié)構(gòu)

全方位移動(dòng)平臺(tái)通常由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)常采用三輪組合或四輪組合，多為四輪組合，輪子通常采用Mecanum輪或全向輪（瑞士輪）。對(duì)于四輪配置的移動(dòng)平臺(tái)，一般將其設(shè)計(jì)成矩形、對(duì)稱配置四輪，以保證系統(tǒng)有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)[4]。輪組的布局一般四輪組合布局方式，其中使用較多的有圓形布局、菱形布局及H形布局[5]，如圖1所示。

圖1 輪組的典型布局方案圖

本文所設(shè)計(jì)的全方位移動(dòng)平臺(tái)輪組采用圓形布局，輪子采用具有雙排輪的全向輪，如圖2所示，該類型的全向輪錯(cuò)開分布的兩排輥?zhàn)釉黾恿溯喿舆\(yùn)行的連貫性。

將全方位移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式分解為零半徑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和前后左右的直線運(yùn)動(dòng)，這樣移動(dòng)平臺(tái)就只有5種基本運(yùn)動(dòng)形式，在向非特殊方位角運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)全方位的運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)的5種基本運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式如圖3所示。

圖2 雙排全向輪

圖3 全方位移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 全方位移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)核電水下檢修的特點(diǎn)及常用檢查類型，水下檢修過程中全方位移動(dòng)平臺(tái)通常是在水池底部運(yùn)動(dòng)，為了保證檢查的準(zhǔn)確性，通常要求低速運(yùn)動(dòng)，在0～0.5 m/min 可滿足檢查要求；池底為不銹鋼結(jié)構(gòu)，相對(duì)平整；維修檢查過程中最大負(fù)載約為250 kg。全方位移動(dòng)平臺(tái)主要由平臺(tái)板、驅(qū)動(dòng)裝置和連接支撐件組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

全方位移動(dòng)平臺(tái)上裝有4組全向輪（全向輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)直徑為127 mm），每組全向輪配1個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，4組全向輪采用圓形布局，每個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1組全向輪。通過系統(tǒng)內(nèi)預(yù)定算法控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按照不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、順序等驅(qū)動(dòng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)平臺(tái)在水平任意方向移動(dòng)、原地360°回轉(zhuǎn)及各運(yùn)動(dòng)微調(diào)的功能，從而將移動(dòng)平臺(tái)上搭載的檢修工具運(yùn)送到預(yù)定地點(diǎn)。

為了提高產(chǎn)品的工藝性和可維修性，將全向移動(dòng)平臺(tái)的4個(gè)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、全向輪等組裝成4個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)減速后直接驅(qū)動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過錐齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，全向輪連接在驅(qū)動(dòng)軸上，隨驅(qū)動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

為保證全方位移動(dòng)平臺(tái)具有足夠的負(fù)重能力，必須選擇合適的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)。選擇電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)時(shí)，按照移動(dòng)平臺(tái)最大承重時(shí)單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，保證移動(dòng)平臺(tái)具有足夠的動(dòng)力。

平臺(tái)移動(dòng)時(shí)需要克服阻力的影響，阻力可分為摩擦阻力、水的阻力和加速阻力。由于平臺(tái)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)速度和加速度均較小，因此設(shè)計(jì)計(jì)算中忽略水的阻力和加速阻力，只考慮摩擦阻力。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得橡膠輪胎與混凝土路面的滾動(dòng)摩擦因數(shù)μk=2.5，構(gòu)件池底部為不銹鋼板，鋼板比混凝土堅(jiān)硬光滑，所以輪子和水池底部的滾動(dòng)摩擦因數(shù)可以取μk=2.5，工作中單個(gè)全向輪對(duì)水池底部產(chǎn)生的壓力N=100×9.8=980 N，全向移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)輪子需克服的滾動(dòng)阻力為

由于驅(qū)動(dòng)軸上設(shè)計(jì)有雙重機(jī)械動(dòng)密封，所以減速機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中必須克服機(jī)械動(dòng)密封中的密封圈與軸之間的摩擦阻力。機(jī)械動(dòng)密封中每個(gè)密封圈對(duì)軸的摩擦阻力為[6]

式中：f為密封圈與軸之間的摩擦因數(shù)；e為密封圈的壓縮率，本設(shè)計(jì)中壓縮率為0.2；E為密封圈材料的彈性模量；μ為密封圈材料的泊松比；D為密封圈自然狀態(tài)下的外徑，所選O形圈D=27.13 mm；d為密封圈的截面直徑，d=2.62 mm。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得：f=0.22（鋼和夾布橡膠），E=0.00784 GPa，μ=0.47。

由于雙重機(jī)械動(dòng)密封所產(chǎn)生的摩擦阻力矩為

所以在全向移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的過程中，每個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)全向輪運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力轉(zhuǎn)矩M′為

M′=M1+Me=2.45+1.36=3.81 N·m。

經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，加工精度8級(jí)的錐齒輪在稀油潤(rùn)滑時(shí)的機(jī)械效率為η1=0.97，滾動(dòng)軸承的機(jī)械效率η2=0.99，綜上所述，需要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后的輸出轉(zhuǎn)矩為

設(shè)計(jì)過程中考慮2倍的安全系數(shù)，因此選用輸出轉(zhuǎn)矩大于2×3.98=7.96 N·m的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

2.3 密封設(shè)計(jì)

為保證移動(dòng)平臺(tái)能夠適應(yīng)水下環(huán)境，必須保證電動(dòng)機(jī)和水下接頭等處于密封的環(huán)境。如圖5所示，通過電動(dòng)機(jī)密封罩、減速箱體、驅(qū)動(dòng)軸和密封件等的作用下，電動(dòng)機(jī)處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)計(jì)有多重機(jī)械動(dòng)密封和靜密封，保證驅(qū)動(dòng)裝置在額定負(fù)載下能夠避免進(jìn)水。

圖5 驅(qū)動(dòng)裝置及機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

圖6 電氣密封結(jié)構(gòu)

4個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和全方位移動(dòng)平臺(tái)上攝像頭線纜從控制系統(tǒng)集成為一根電纜，該電纜通過航空插頭連接到全向移動(dòng)平臺(tái)上的一個(gè)水密集成盒上，從水密集成盒內(nèi)分出多條分支線路再連接到各個(gè)電動(dòng)機(jī)及攝像頭，各個(gè)分支線路的末端連接有可拔插水密接頭，可拔插水密接頭固定在水密集成盒上，如圖6所示。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證全方位移動(dòng)平臺(tái)的承載能力、運(yùn)動(dòng)能力及密封性等能否滿足設(shè)計(jì)的要求，對(duì)全方位移動(dòng)平臺(tái)的樣機(jī)進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括空載運(yùn)動(dòng)、負(fù)載運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)和水下密封試驗(yàn)等。

1）空載試驗(yàn)。將全方位移動(dòng)平臺(tái)放置在地面上，通過操作控制系統(tǒng)設(shè)定全方位移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過軟件或操作手柄使其向任意方位運(yùn)動(dòng)，觀察全方位移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是否連續(xù)、靈活，運(yùn)動(dòng)速度是否與設(shè)置相符合，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是否有卡澀現(xiàn)象。

試驗(yàn)表明：在空載情況下，全方位移動(dòng)平臺(tái)在地面上運(yùn)動(dòng)連續(xù)、靈活，可實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)速度，且運(yùn)動(dòng)過程中無卡澀現(xiàn)象，能夠按照指定的方向運(yùn)動(dòng)。

2）負(fù)載運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。在空載試驗(yàn)合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，負(fù)載試驗(yàn)時(shí)將250 kg的重物放置在全方位移動(dòng)平臺(tái)上，通過操作控制系統(tǒng)設(shè)定全方位移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過軟件或操作手柄使其朝向任意方位運(yùn)動(dòng)，觀察全方位移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是否連續(xù)、靈活，運(yùn)動(dòng)速度是否與設(shè)置相符合，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是否有卡澀現(xiàn)象；卸載后仔細(xì)檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)是否存在明顯變形或損傷。

圖7 全方位移動(dòng)平臺(tái)負(fù)載試驗(yàn)圖

試驗(yàn)表明：全方位移動(dòng)平臺(tái)在負(fù)載250 kg的情況下其運(yùn)動(dòng)性能與空載運(yùn)動(dòng)無明顯差異；卸載后經(jīng)檢查，機(jī)械結(jié)構(gòu)無明顯變形或損傷。

3）水下密封試驗(yàn)。為保證全方位移動(dòng)平臺(tái)能否適應(yīng)水下工作環(huán)境，將其放置在水下進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)際工作時(shí)最大深度為水下12 m，即0.12 MPa的水壓，試驗(yàn)時(shí)將全方位移動(dòng)平臺(tái)放置在密閉容器內(nèi)，將容器充滿水并將水壓充至0.16 MPa（相當(dāng)于水下16 m深）。通過操作控制系統(tǒng)使其在容器內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過水下攝像系統(tǒng)觀察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)完成后將全方位移動(dòng)平臺(tái)從容器內(nèi)取出，檢查各機(jī)械密封和電氣密封是否有漏水情況。

試驗(yàn)結(jié)果表明，全方位移動(dòng)平臺(tái)在0.16 MPa的水下運(yùn)動(dòng)與在地面上運(yùn)動(dòng)無明顯異常；從水中取出后經(jīng)檢查各個(gè)機(jī)械密封部位和電氣密封部位無漏水現(xiàn)象。

上述試驗(yàn)表明，全方位移動(dòng)平臺(tái)能夠應(yīng)用于核電站水下環(huán)境，可搭載各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行水下檢修工作。

4 結(jié)語

針對(duì)核電站水下環(huán)境復(fù)雜、空間小等特點(diǎn)及水下檢修過程中所受到的限制，研制了適用于水下的全方位移動(dòng)平臺(tái)，為水下檢修工作的順利實(shí)施提供了有力保障。