熱室退役機(jī)器人研制及廢物回取臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

孫潤(rùn)杰,劉 刈 ,王 旭,班子惠,吳 杰,張立軍,張生棟,張興旺,陳 艷,聶 鵬,李睿之,任 韌

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

101重水研究堆是我國(guó)最早建成的反應(yīng)堆,其退役過(guò)程面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)難題[1-3],其附屬的地下熱室為其退役實(shí)施的關(guān)鍵難點(diǎn)之一,主要存在以下問(wèn)題:(1) 熱室內(nèi)部具有強(qiáng)輻射場(chǎng)和高污染環(huán)境。 熱室內(nèi)存在較高的劑量率與α污染,根據(jù)國(guó)內(nèi)外的熱室退役經(jīng)驗(yàn),在放射性水平較高且污染嚴(yán)重條件下不適宜人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展作業(yè)。由于熱室原有的機(jī)械手缺失,且通風(fēng)已經(jīng)失效,因此需要采用遙控操作的手段來(lái)完成退役任務(wù)[4]。(2) 退役裝備可作業(yè)空間狹小。熱室地處地下一層,多面墻體均為承重墻,拆除混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)影響主廠房建筑安全,因此熱室需要在盡量少破壞混凝土結(jié)構(gòu)的情況下,完成整個(gè)熱室的退役。由于走廊限制,所有設(shè)備及廢物轉(zhuǎn)運(yùn),只能通過(guò)與大廳相連的吊裝孔(1.2 m×1.67 m)進(jìn)入。而設(shè)備到達(dá)熱室安裝區(qū)域時(shí),必須通過(guò)一個(gè)走廊,該走廊的最窄處僅為1.45 m。熱室內(nèi)空間狹小(3 200 mm×2 000 mm×2 400 mm),內(nèi)部設(shè)置了切割機(jī)床、儲(chǔ)存井、吊車(chē)、轉(zhuǎn)運(yùn)通道等構(gòu)件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,源項(xiàng)不明確,需由機(jī)械設(shè)備攜帶γ相機(jī)進(jìn)入工藝間內(nèi)開(kāi)展輻射檢測(cè)[5]。(3) 廢物回取難度較大。熱室內(nèi)散存有工具臺(tái),元件罐、機(jī)械手袖套、玻璃器皿、托盤(pán)、塑料軟管等不同形狀與類(lèi)型的廢物,為回取上述廢物,需要開(kāi)發(fā)多種工具端頭進(jìn)行作業(yè)。熱室內(nèi)部存在一個(gè)深1.4 m的儲(chǔ)存井,井內(nèi)有一個(gè)金屬吊籃,內(nèi)部存在數(shù)量不明且輻射水平較高的廢元件端頭及廢包殼。目前,熱室的機(jī)械手已經(jīng)缺失,且原有的通風(fēng)都已經(jīng)失效,完成熱室內(nèi)廢物回取及轉(zhuǎn)運(yùn)難度較大。目前我國(guó)各類(lèi)動(dòng)力機(jī)械手均是以A1000型動(dòng)力機(jī)械手為典型的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局,該型機(jī)械手主要布局為大小天車(chē)、伸縮套筒、機(jī)械臂,我國(guó)此前主要將該類(lèi)設(shè)備應(yīng)用于后處理、產(chǎn)品生產(chǎn)中的搬運(yùn)、拾取作業(yè)。該類(lèi)型動(dòng)力機(jī)械手,手臂本體雖具有多個(gè)關(guān)節(jié),但在運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)型上多個(gè)關(guān)節(jié)重復(fù),在實(shí)際應(yīng)用時(shí),若沒(méi)有大小天車(chē)配合移動(dòng),手臂只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),同時(shí),其減速比高,作業(yè)效率低,無(wú)法勝任熱室內(nèi)廢物回取工作。

因此,如何在有限的空間內(nèi)利用遙控操作機(jī)器人完成強(qiáng)放廢物回取成為當(dāng)前熱室退役的主要難題之一。本研究根據(jù)反應(yīng)堆熱室的現(xiàn)場(chǎng)條件,研制一套熱室退役機(jī)器人,運(yùn)用ABAQUS軟件開(kāi)展機(jī)械臂的力學(xué)分析計(jì)算,進(jìn)行熱室內(nèi)廢物回取仿真模擬研究[6-7],結(jié)合搭建完成的模擬熱室臺(tái)架,開(kāi)展廢物回取冷態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[8]。

1 退役機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為滿(mǎn)足機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)熱室空間廢物回取的可達(dá)性和負(fù)載能力要求,并具備一定的輻射屏蔽能力,機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足表1中指標(biāo)要求。

表1 退役機(jī)器人關(guān)鍵指標(biāo)Table 1 Decommissioning robot design object

1.2 退役機(jī)器人組成

退役機(jī)器人結(jié)構(gòu)示于圖1,實(shí)物照片示于圖2。其主要包括軌道小車(chē)、液壓機(jī)械手臂、工具頭支架、顯控臺(tái)和真空吸塵、噴涂、照明攝像等輔助工裝組成。其中,軌道小車(chē)與液壓站是退役機(jī)器人體積最大的零部件。軌道小車(chē)長(zhǎng)2 m,寬1 m,高0.5 m,整體呈平板結(jié)構(gòu),液壓站總體尺寸為1.0 m×0.8 m×1.2 m。退役機(jī)器人的最大部件均可從熱室吊裝孔(1.67 m×1.2 m)及狹窄的走廊(最小寬度1.45 m)通過(guò),滿(mǎn)足在熱室狹小空間轉(zhuǎn)運(yùn)安裝的要求。

圖1 退役機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Decommissioning robot structure

圖2 退役機(jī)器人照片F(xiàn)ig.2 The decommissioning robot picture

機(jī)器人系統(tǒng)的可剝離膜噴涂工裝、真空吸附工裝等輔助系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要,安裝在熱室后區(qū)走廊或大廳。末端工具頭安裝于機(jī)器人旁邊的工具支架上,可由機(jī)械手臂進(jìn)行快速更換/拾取。

1.2.1軌道小車(chē) 軌道小車(chē)模型示于圖3。軌道小車(chē)為四鋼輪結(jié)構(gòu),主體行駛在工字型軌道上,底盤(pán)使用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),可負(fù)載3 t重物。小車(chē)的四個(gè)鋼輪內(nèi)嵌在兩側(cè)的軌道內(nèi),每個(gè)鋼輪設(shè)有外擋,從而有效防止整車(chē)在側(cè)向和垂直向發(fā)生傾覆。小車(chē)車(chē)板上方設(shè)計(jì)有4塊滑塊,其上可安裝滑臺(tái)底盤(pán),構(gòu)成二級(jí)滑臺(tái)結(jié)構(gòu),用于搭載液壓馬達(dá)、防護(hù)板和手臂等進(jìn)行前后移動(dòng)。其中馬達(dá)和手臂均固定在防護(hù)板支架上,防護(hù)板支架在小車(chē)上整體移動(dòng)。

圖3 軌道小車(chē)模型Fig.3 Model of the trolley on the pathway

1.2.2液壓機(jī)械手臂 機(jī)械手臂模型圖示于圖4。為滿(mǎn)足熱室工藝間內(nèi)的可達(dá)性要求,機(jī)械手臂總長(zhǎng)度2 900 mm,共有6個(gè)自由度。

圖4 機(jī)械手臂模型圖Fig.4 Model of the mechanical arm

為滿(mǎn)足不同形狀的廢物回取功能,機(jī)械手臂的末端配置有鋼珠鎖定快換結(jié)構(gòu),連接口示于圖5,通過(guò)重復(fù)按壓,可對(duì)工具頭進(jìn)行鎖定和解鎖,實(shí)現(xiàn)工具頭的快換功能。機(jī)械手臂的工具支架,可根據(jù)實(shí)際情況,垂直或水平安裝于防護(hù)板前或機(jī)械臂旁的墻壁上。

圖5 連接口Fig.5 The connector

為滿(mǎn)足機(jī)械手臂的抗輻射要求,機(jī)械手臂采用動(dòng)力后置型布置與液壓方式驅(qū)動(dòng),即優(yōu)先將全部動(dòng)力、電氣設(shè)備后置,最大限度地保護(hù)液壓元件等設(shè)備。如圖6所示,每個(gè)機(jī)械手臂之間的關(guān)節(jié)通過(guò)同心管和齒輪組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng),將力依次轉(zhuǎn)遞到全部的各個(gè)環(huán)節(jié)上。

圖6 關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of transmission between joints

此種結(jié)構(gòu),有效地避免了傳統(tǒng)液壓元件、密封接頭、油管和液壓油在輻射環(huán)境下的使用問(wèn)題,也極大地提高了設(shè)備檢修維護(hù)工作的便利性,大幅提升整體設(shè)備的安全穩(wěn)定性。

1.2.3機(jī)械手臂末端夾爪 熱室內(nèi)機(jī)械爪需抓取元件罐、袖套、燒杯等不同類(lèi)型的廢物,其大小、形狀、質(zhì)量、材料各異,機(jī)械手臂末端需滿(mǎn)足熱室內(nèi)所有散存廢物的回取。同時(shí),機(jī)械手臂可與連接口相互配合,實(shí)現(xiàn)快速更換。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外機(jī)械夾爪設(shè)計(jì),本機(jī)械手臂末端結(jié)構(gòu)以平行爪和弧形爪兩種結(jié)構(gòu)為主,夾爪在回取熱室內(nèi)的廢物同時(shí),還可夾持彎鉤、磁鐵、噴涂、吸塵等輔助工裝完成其他退役工藝。

機(jī)械手臂夾爪結(jié)構(gòu)圖示于圖7,夾爪的開(kāi)合主要通過(guò)伸縮桿驅(qū)動(dòng)。每根夾爪的根部有2個(gè)固定軸,其中一根與驅(qū)動(dòng)桿頂部連接,另一根與工具外殼套合,因此隨著驅(qū)動(dòng)桿的伸出和縮合,夾爪以外殼相連接的固定軸為圓心角進(jìn)行旋轉(zhuǎn),在整體上呈開(kāi)合的效果。

1——夾爪;2——伸縮桿;3——螺紋桿;4——伸縮棘輪;5——旋轉(zhuǎn)棘輪;6——固定棘輪

1.2.4工具頭快換結(jié)構(gòu) 機(jī)械爪外部結(jié)構(gòu)圖示于圖8。機(jī)械手臂的快換機(jī)構(gòu)原理與圓珠筆筆芯的伸縮機(jī)制相同,以伸縮棘輪、旋轉(zhuǎn)棘輪、固定棘輪配合錐形環(huán)和鋼珠實(shí)現(xiàn)快換。

圖8 機(jī)械爪外部結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Exterior structure of mechanical claw

如圖9所示,機(jī)械手臂移動(dòng)與支架的卡槽相互配合,使工具末端整體和驅(qū)動(dòng)頭發(fā)生相對(duì)位移,同時(shí)驅(qū)動(dòng)頭帶動(dòng)伸縮棘輪前后移動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)棘輪被伸縮棘輪頂置高位,其外圈的鍵條脫離固定棘輪內(nèi)部的導(dǎo)向槽后,旋轉(zhuǎn)棘輪和伸縮棘輪的齒形配合,發(fā)生旋轉(zhuǎn),并在卸力時(shí),受到彈簧的作用,具有回到原始位置的趨勢(shì)。

圖9 棘輪內(nèi)外配合示意圖Fig.9 The interaction of ratchet wheel

如圖10所示,固定棘輪的齒形差別,使得旋轉(zhuǎn)棘輪具有高位與低位兩種不同位置,當(dāng)旋轉(zhuǎn)棘輪位于高位時(shí),錐形環(huán)外推,固定鋼珠解鎖,機(jī)械手臂拆卸;當(dāng)旋轉(zhuǎn)棘輪位于低位,錐形環(huán)內(nèi)縮,固定鋼珠頂出,機(jī)械手臂末端和工具頭完成安裝。

圖10 機(jī)械臂卡緊與放松Fig.10 Clamping and relax of mechanical arm

1.2.5機(jī)械手臂壽命 錐齒輪是機(jī)械手臂各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)傳遞的關(guān)鍵部件,也是機(jī)械手臂的易損件。齒輪組為同心部署,因此在每個(gè)關(guān)節(jié)各自的傳動(dòng)鏈路上,不同位置中所使用的錐齒輪組大小、齒數(shù)、模數(shù)等配置均相同。因此,機(jī)械手臂的強(qiáng)度、壽命計(jì)算與分析需圍繞單個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的關(guān)節(jié),即錐齒輪塔進(jìn)行。

(1) 錐齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際工程需要,機(jī)械手臂須在2 900 mm的臂展下,負(fù)載能力>30 kg。在仿真力學(xué)計(jì)算中,擬定負(fù)載為300 N,根據(jù)臂展及重量,反推在最大負(fù)載的姿態(tài)下(平舉)各關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù):軸1、軸2、軸3、軸4、軸5、軸6最大轉(zhuǎn)矩分別為3 600、3 600、2 000、500、500、120 N·m,夾鉗最大轉(zhuǎn)矩30 N·m。

在ABAQUS有限元分析軟件中,固定各關(guān)節(jié)單側(cè)的主級(jí)螺旋傘齒輪,并在與之嚙合的對(duì)側(cè)螺旋傘齒輪上施加目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,觀測(cè)分析結(jié)果。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在目標(biāo)轉(zhuǎn)矩下各級(jí)齒輪并未發(fā)生屈服現(xiàn)象,因此將施加的轉(zhuǎn)矩調(diào)整為動(dòng)態(tài)遞增轉(zhuǎn)矩,觀測(cè)齒輪出現(xiàn)屈服力時(shí),各個(gè)關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值大小,得出極限保護(hù)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù),反推機(jī)械手臂的最大負(fù)載能力。各軸齒輪轉(zhuǎn)矩列于表2。

表2 各級(jí)齒輪轉(zhuǎn)矩對(duì)比Table 2 Torque comparison of each gear

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試(圖11),當(dāng)機(jī)械手臂末端負(fù)載轉(zhuǎn)矩為90 N·m時(shí),齒輪出現(xiàn)屈服,由此可知,機(jī)械手臂的負(fù)載能力最大可達(dá)90 kg,遠(yuǎn)大于工程所要求的30 kg。

圖11 齒輪力學(xué)仿真Fig.11 Mechanical simulation of gear

(2) 齒輪疲勞壽命計(jì)算

機(jī)械手臂齒輪疲勞壽命通過(guò)ANSYS nCode DesignLife軟件仿真進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算中,設(shè)置需要分析的齒輪組材料特性及施加載荷,利用有限元求解過(guò)程求解計(jì)算。以腕關(guān)節(jié)壽命分析為例,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》(GB/T 24176—2009)要求,使用逐次逼近法計(jì)算在不同扭矩下齒輪的壽命,經(jīng)過(guò)約三十次計(jì)算與疲勞壽命分析后得出,在額定工況下,齒輪的平均應(yīng)力疲勞壽命為3×106次。根據(jù)工況需要,腕關(guān)節(jié)齒輪組的轉(zhuǎn)速約為5 r/min,即每小時(shí)300次,則機(jī)械手臂至少可工作1×104h。采用同方法計(jì)算其他自由度,其理論計(jì)算壽命均不低于10 000 h。

1.2.6輻射防護(hù)屏蔽計(jì)算 熱室內(nèi)的主要放射類(lèi)型為60Co γ射線,退役機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)械手臂根部的L型支架上加掛鉛板,屏蔽熱室內(nèi)的γ射線。通過(guò)調(diào)研,鉛的半值層為12 mm,根據(jù)小車(chē)的載重和鉛板的屏蔽面積,L型支架前最高可掛7倍半值層厚度的鉛板,既可將γ輻射衰減27=128倍,約2個(gè)數(shù)量級(jí)。

退役機(jī)器人系統(tǒng)易受輻照損傷的零部件包括液壓比例閥和運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)。其中,液壓比例閥位于屏蔽鉛板后側(cè),電機(jī)則直接接受γ射線照射。根據(jù)設(shè)計(jì)要求與屏蔽計(jì)算結(jié)果,運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的60Co γ射線累計(jì)劑量需>10 000 Gy,液壓比例閥的60Co照射的累計(jì)劑量需>100 Gy。經(jīng)過(guò)測(cè)試,在劑量率為2.6×103Gy/h的輻照下,電機(jī)的實(shí)際累計(jì)劑量為1.04×104Gy。輻照后,外觀無(wú)明顯變化,加電運(yùn)轉(zhuǎn)正常,實(shí)際吸收劑量與設(shè)計(jì)要求正偏差<2%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;液壓比例閥在劑量率為11 Gy/h的輻照下,經(jīng)過(guò)10 h的輻照時(shí)間,實(shí)際累計(jì)劑量為110 Gy,計(jì)劑量偏差為正偏差,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 廢物回取仿真模擬

為保證退役機(jī)器人在臺(tái)架中平穩(wěn)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),開(kāi)展退役機(jī)器人廢物回取工程驗(yàn)證前,需在軟件模型上進(jìn)行回取仿真模擬,驗(yàn)證機(jī)械手臂設(shè)計(jì)的合理性。廢物回取仿真模擬包括地面廢物回取仿真與儲(chǔ)存井廢物回取仿真。

2.1 仿真內(nèi)容與目的

熱室地面主要存在如袖套、元件罐、搪瓷托盤(pán)、燒杯、塑料軟管等體積小,質(zhì)量輕的散存廢物。機(jī)械手臂可輕松完成夾持回取任務(wù)。但由于熱室內(nèi)空間狹窄,夾鉗運(yùn)行至廢物所在位置過(guò)程中,需規(guī)避熱室工藝間內(nèi)存在吊車(chē)、機(jī)床,轉(zhuǎn)運(yùn)通道等剛性障礙物,若手臂與之發(fā)生碰撞可能造成機(jī)械臂失效[9-11]。因此地面散存廢物回取的難點(diǎn)主要集中于手臂末端的可達(dá)性上。

通常情況下,質(zhì)量約30 kg的吊籃可隨儲(chǔ)存井的鉛塞由熱室工藝間的吊車(chē)起吊回取。但熱室設(shè)備年久失修,存在老化腐蝕可能,若吊籃脫鉤,掉落至儲(chǔ)存井底部,仍需采用退役機(jī)器人系統(tǒng)回取吊籃。在極端情況下,機(jī)器人系統(tǒng)回取吊籃中的廢物時(shí),部分元件罐會(huì)掉落進(jìn)深1.4 m儲(chǔ)存井中,因此需開(kāi)展儲(chǔ)存井廢物回取仿真與驗(yàn)證。

根據(jù)熱室建筑及相關(guān)設(shè)備的圖紙,搭建熱室三維模型,疊加退役機(jī)器人設(shè)計(jì)模型,構(gòu)成廢物回取仿真模型。在仿真模型中,規(guī)劃手臂在熱室內(nèi)的運(yùn)行路徑,調(diào)整機(jī)械手臂的運(yùn)行姿態(tài),定位退役機(jī)械手臂末端至目標(biāo)點(diǎn),找到回取各處廢物的最優(yōu)解,為模擬臺(tái)架工程驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

2.2 仿真過(guò)程與結(jié)果

在軟件模型中調(diào)整機(jī)械手臂的位姿,從機(jī)械手臂進(jìn)入熱室,再控制手臂在與墻壁、機(jī)床等剛性障礙不發(fā)生碰撞、干涉的情況下到達(dá)指定區(qū)域。經(jīng)過(guò)數(shù)次調(diào)整可知,機(jī)械手臂可以到達(dá)工藝間的所有區(qū)域,包括工藝間角落、儲(chǔ)存井底部等距離遠(yuǎn)、空間狹窄等處。當(dāng)機(jī)械手臂到達(dá)該位置后,即可操控夾鉗夾持處于該位置的廢物,實(shí)現(xiàn)回取。仿真系統(tǒng)中機(jī)械手臂到達(dá)各位置姿態(tài)示意圖示于圖12。

a——熱室地面角落;b——儲(chǔ)存井底部;c——熱室天花板角落;d——提取儲(chǔ)存井吊籃工作示意圖

3 退役機(jī)器人系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證退役機(jī)器人系統(tǒng)的工作可行性,根據(jù)熱室的圖紙資料搭建一套1∶1比例的模擬臺(tái)架用于冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。熱室區(qū)域包括前區(qū),工藝間、后區(qū)走廊三部分。退役機(jī)器人系統(tǒng)安裝在熱室后區(qū)走廊處,機(jī)械手臂從熱室后區(qū)的屏蔽門(mén)伸向熱室內(nèi)開(kāi)展相應(yīng)的工程實(shí)驗(yàn),其工作示意圖示于圖13。根據(jù)熱室退役工藝需求,退役機(jī)器人系統(tǒng)需在臺(tái)架中完成可達(dá)效果驗(yàn)證與廢物回取驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖13 退役機(jī)器人在走廊分布示意圖Fig.13 The distribution of decommissioning robot in the corridor

3.1 可達(dá)效果驗(yàn)證

可達(dá)性是退役機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一,在退役過(guò)程中,開(kāi)展源項(xiàng)調(diào)查、噴涂或吸塵去污等工藝時(shí)[12],均是由機(jī)械手臂攜帶對(duì)應(yīng)的工裝,到達(dá)熱室內(nèi)的指定區(qū)域后,于顯控臺(tái)控制對(duì)應(yīng)輔助設(shè)備的啟停,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝。

3.1.1驗(yàn)證方法與步驟 根據(jù)軟件中機(jī)械手臂到達(dá)各個(gè)位置時(shí)的手臂角度關(guān)系,在實(shí)際操控中,調(diào)整機(jī)械手臂,使其到達(dá)工藝間內(nèi)的指定位置。運(yùn)行過(guò)程中,結(jié)合監(jiān)控裝置與防碰撞系統(tǒng),避免手臂與機(jī)床、吊車(chē)等障礙物發(fā)生碰撞干涉。到達(dá)指定位置后,記錄相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度坐標(biāo)。

3.1.2驗(yàn)證結(jié)果 在軟件中可知,熱室內(nèi)的最遠(yuǎn)最難位置為工藝間頂部的4個(gè)角落和儲(chǔ)存井底部,為確保其他位置可達(dá),實(shí)驗(yàn)選取工藝間頂部四個(gè)角落、儲(chǔ)存井底部地面的三個(gè)角落為驗(yàn)證對(duì)象(底部左后方為障礙物),驗(yàn)證其可達(dá)性(圖14)。

圖14 可達(dá)性驗(yàn)證Fig.14 Verification of accessibility

退役機(jī)器人系統(tǒng)末端到達(dá)熱室各關(guān)鍵位置坐標(biāo)列于表3,機(jī)械手臂位姿達(dá)到表中坐標(biāo)時(shí),可在規(guī)避障礙物的情況下,到達(dá)指定位置。

表3 各位置對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)Table 3 The coordinates of the robot arm at each position

3.2 廢物回取驗(yàn)證

機(jī)器人系統(tǒng)先針對(duì)工藝間內(nèi)的散存廢物進(jìn)行回取,當(dāng)完成表面的去污之后,人工恢復(fù)熱室內(nèi)的單臂吊車(chē)提取儲(chǔ)存井的鉛塞,再使用機(jī)器人針對(duì)儲(chǔ)存井內(nèi)的元件罐進(jìn)行回取。通常情況下,質(zhì)量約為30 kg的吊籃可隨儲(chǔ)存井的鉛塞由熱室工藝間的吊車(chē)起吊回取。但熱室設(shè)備年久失修,存在老化腐蝕可能,若吊籃脫鉤,掉落至儲(chǔ)存井底部,仍需采用退役機(jī)器人系統(tǒng)回取吊籃。為應(yīng)對(duì)該種極端情況發(fā)生,退役機(jī)器人系統(tǒng)還需開(kāi)展吊籃回取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.1驗(yàn)證方法與步驟 (1) 散存廢物回取。根據(jù)源項(xiàng)調(diào)查結(jié)果,在熱室模擬臺(tái)架中放置錐形瓶、塑膠、金屬管等各類(lèi)的散存廢物(圖15),并在吊籃、儲(chǔ)存井底內(nèi)以直立、傾斜等狀態(tài)放置模擬元件罐。廢物桶位于熱室軌道的左側(cè),通過(guò)觀察各角度的攝像裝置,操作機(jī)械手臂,回取熱室內(nèi)的散存廢物,并將廢物放于廢物桶中。記錄回取廢物的材料、位置、狀態(tài)和回取時(shí)間等,驗(yàn)證回取實(shí)驗(yàn)的可行性。(2) 儲(chǔ)存井吊籃回取。人工將吊籃脫鉤,放置于儲(chǔ)存井底部;操控更換了掛鉤工具端的機(jī)械手臂,借助監(jiān)控等可視條件,調(diào)整手臂位姿,使掛鉤與吊籃的圓環(huán)相互配合;控制機(jī)械手臂,提取吊籃,將吊籃緩慢吊出儲(chǔ)存井,并將其放入熱室后去走廊的模擬屏蔽容器中。

圖15 在臺(tái)架內(nèi)隨機(jī)放置廢物Fig.15 Place the waste randomly in the bench

3.2.2驗(yàn)證結(jié)果 回取廢物過(guò)程列于表4。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在回取過(guò)程中,各項(xiàng)模擬廢物均未從機(jī)械爪掉落,錐形瓶在完成回取后,狀態(tài)完好,無(wú)破裂。實(shí)驗(yàn)證明,機(jī)械手臂可順利將工藝間、吊籃內(nèi)的各類(lèi)廢物回取。

表4 廢物回取記錄Table 4 The waste retrieve records

若吊籃脫鉤,掉落至儲(chǔ)存井底部,退役機(jī)器人系統(tǒng)可依靠熱室及設(shè)備本身具有的可視條件提取30 kg的吊籃,并將其放置于熱室的屏蔽容器中。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中,吊籃雖因慣性存在小幅度擺動(dòng)與傾斜,但機(jī)器人系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn),吊籃未脫離機(jī)械手臂,可放入屏蔽容器中。吊籃提取過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)位信息記錄列于表5。

表5 儲(chǔ)存井吊籃回取關(guān)鍵點(diǎn)Table 5 The waste retrieve records

4 結(jié)論

針對(duì)101堆地下熱室的現(xiàn)場(chǎng)條件和退役難點(diǎn),本研究研制了一套退役機(jī)器人系統(tǒng),通過(guò)理論計(jì)算、仿真模擬以及臺(tái)架實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)的可行性。

(1) 熱室退役機(jī)器人具有熱室退役機(jī)器人手臂末端的多功能接口設(shè)計(jì),可根據(jù)工藝更換或夾持對(duì)應(yīng)的工裝,滿(mǎn)足一臺(tái)設(shè)備兼顧多種退役功能的要求,滿(mǎn)足在有限的空間內(nèi)完成多種退役工藝的設(shè)計(jì)要求。

(2) 力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,機(jī)械手臂的負(fù)載能力>30 kg,完全滿(mǎn)足熱室儲(chǔ)存井吊籃的回取要求。

(3) 仿真模擬結(jié)果表明,退役機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械手臂臂展與自由度的設(shè)計(jì)可在規(guī)避障礙的情況下,穩(wěn)定到達(dá)熱室內(nèi)的所有位置,滿(mǎn)足其可達(dá)性要求。

(4) 臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果表明,退役機(jī)器人系統(tǒng)可完成熱室內(nèi)散存廢物的回取和儲(chǔ)存井內(nèi)廢物回取的要求。

綜上所述,退機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu),技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足熱室退役要求,功能滿(mǎn)足熱室退役工程實(shí)施的需求。