廢液儲罐清理作業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：該文研制一種退役廢液儲罐清洗作業(yè)機器人系統(tǒng)。介紹該機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)模型、軌跡規(guī)劃方法，可靈活移動、越障，實現(xiàn)對退役廢液儲罐的高效清理。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在平面和曲面壁上均具有卓越的規(guī)劃效果，為廢液儲罐清理提供一項關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：退役處理;清洗機器人;運動學(xué)模型;軌跡規(guī)劃;廢液儲罐

中圖分類號：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0026-04

Abstract： In this paper， a robot system for cleaning retired waste liquid storage tanks is developed. The structural design， kinematic model， and trajectory planning method of the robot are introduced. It can flexibly move and overcome obstacles to achieve efficient cleaning of retired waste liquid storage tanks. Experimental results show that the system has excellent planning effect on both flat and curved walls， thereby providing a key technology for cleaning waste storage tanks.

Keywords： decommissioning; cleaning robot; kinematic model; trajectory planning; waste liquid storage tank

核能被認(rèn)為是人類清潔、高效的能源之一，其可再生性引起了世界各國的極大關(guān)注。隨著大量早期民用核電反應(yīng)堆陸續(xù)結(jié)束運行，全球核工業(yè)預(yù)計將在未來10至15年迎來歷史上第一輪退役高潮。目前，我國最早建設(shè)的核工業(yè)設(shè)施隨著使用年限的增長，大多數(shù)都面臨退役或已經(jīng)完成退役。在核退役設(shè)施中，存在大量放射性固體廢物需要處理，通常采用水泥、金屬餅或玻璃固化的方式，或者利用高壓水槍進行清洗。相對于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，這種處理方式具有更低的污染程度和更高的安全性，但仍然存在一定的挑戰(zhàn)[1]。

核退役機器人在高強度作業(yè)、持續(xù)時間和安全性等方面具有顯著優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，污染更少、安全風(fēng)險更小[2]。國內(nèi)外部分國家的核退役技術(shù)已相對成熟，已經(jīng)開發(fā)了一系列專用于核設(shè)施退役的機器人設(shè)備。德國的Top Tec系列機器人和芬蘭的Avant Robot 185機器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和各種鋼筋混凝土的拆除任務(wù)中[3]。瑞典的Brokk公司已經(jīng)研發(fā)了600多臺機器人，用于核工業(yè)領(lǐng)域的放射性廢物回收和處置、核設(shè)施退役拆除、儲罐拆除以及核設(shè)施去污和核事故應(yīng)急救援等各個方面[4]。

在核退役設(shè)施中，廢液儲罐的清理工作尤為關(guān)鍵。為了降低人工操作的安全隱患并提高作業(yè)效率，本文成功研制出一種適應(yīng)核輻射復(fù)雜環(huán)境的廢液儲罐清理作業(yè)機器人。這一創(chuàng)新性的機器人技術(shù)為核退役后處理提供了一種更安全、高效的廢液儲罐清理解決方案。

1" 廢液儲罐清理作業(yè)機器人系統(tǒng)

1.1" 總體介紹

廢液儲罐清理作業(yè)機器人設(shè)計移動底盤用于移動越障，搭載精密的液壓機械臂，利用高壓水槍清理廢液儲罐，使其在高輻射環(huán)境下具備高效、安全、精準(zhǔn)的清理能力。廢液儲罐清理作業(yè)機器人具備精準(zhǔn)控制和操作的能力，可執(zhí)行各種復(fù)雜的清理任務(wù)，包括廢液儲罐內(nèi)部的角落和難以到達(dá)的區(qū)域。

廢液儲罐清理作業(yè)機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人由液壓機械臂、本體升降機構(gòu)、腿部移動機構(gòu)等組成。

廢液儲罐清理作業(yè)機器人可通過腿部移動機構(gòu)實現(xiàn)靈活越障，液壓機械臂配合本體升降機構(gòu)可實現(xiàn)儲罐壁的全面清理，機器人各部件的工作范圍見表1。

1.2" 關(guān)鍵部件設(shè)計

作業(yè)機器人的腿部移動機構(gòu)主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)整個機器人在地面上的移動和壁障，主要由立式舵輪地面移動系統(tǒng)、支撐腿系統(tǒng)和腿部升降系統(tǒng)3部分組成，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計如圖2所示。

機器人在平滑的地面移動時，主要依靠安裝在4個支腿末端的立式舵輪來驅(qū)動每個立式舵輪都具有地面滾動和轉(zhuǎn)向2個自由度，分別采用獨立的伺服電機進行驅(qū)動，可實現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向和直線移動，從而增強機器人在狹窄空間中作業(yè)的靈活性和壁障性能。

支撐腿系統(tǒng)是作業(yè)機器人機構(gòu)整體的支撐部分，起到在機器人進行作業(yè)時穩(wěn)定保持的作用。同時在機器人進行地面的移動時，通過4個支撐腿的姿態(tài)和角度調(diào)整，實現(xiàn)作業(yè)機器人的地面越障功能。支撐腿系統(tǒng)主要由實現(xiàn)左右擺動驅(qū)動的伺服電機、減速器、編碼器，實現(xiàn)上下擺動驅(qū)動的伺服驅(qū)動液壓缸、編碼器、力傳感器，用于越障時在中心進行機構(gòu)輔助支撐的頂升液壓缸和支撐橫梁組成。

腿部升降系統(tǒng)是作業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)避障的關(guān)鍵部件，當(dāng)作業(yè)機器人遇到障礙時，腿部升降系統(tǒng)會將作業(yè)機器人的腿部提升起來高過障礙物的高度，同時配合立式舵輪的行走使得機器人腿部能夠越過障礙。腿部升降系統(tǒng)也是作業(yè)機器人能夠通過廢液貯槽口的重要保證，當(dāng)腿部升降系統(tǒng)運動至最遠(yuǎn)端時，整個作業(yè)機器人的周向尺寸最小，能夠保證作業(yè)機器人無干涉地通過廢液貯槽口。

1.3" 運動學(xué)建模

核退役廢液儲罐清理作業(yè)機器人采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)法建立機器人的運動模型[5]，標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)由相鄰桿件參數(shù)獲得，如圖3所示。

其中，兩岸坐標(biāo)系建立的原則如下。

1）原點oi：設(shè)在li與Ai+1軸線的交點上。

2）zi軸：與Ai+1關(guān)節(jié)軸線重合，指向任意。

3）xi軸：與公法線li重合，指向沿l由Ai軸線指向Ai+1軸線。

4）yi軸：按右手定則。

5）特殊情況：當(dāng)兩軸相交時，oi為關(guān)節(jié)軸向的交點，zi為Ai+1軸線，xi由zi-1與zi叉乘獲得，yi軸由右手定則獲得;當(dāng)兩軸平行時，原點可按照簡單的來。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法建立的坐標(biāo)系如圖4所示，其中坐標(biāo)系5和坐標(biāo)系4原點處于同一位置。

采用D-H參數(shù)法對機械臂進行建模，具體參數(shù)見表2。

1.4" 軌跡規(guī)劃方法

完成機器人運動學(xué)建模之后，根據(jù)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)進行機器人運動空間的軌跡規(guī)劃。規(guī)劃過程中，將處理后的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為機器人的原始路徑信息，后計算可達(dá)域和最大清掃面積。其基本流程如圖5所示。

對于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪處理后，首要任務(wù)是計算中點位置的距離，以驗證其是否在機械臂的靈活工作空間內(nèi)。若機械臂無法覆蓋指定儲罐壁位置，必須通過底盤移動來調(diào)整機器人位置，經(jīng)過移動、越障，確保機械臂能夠達(dá)到更為優(yōu)越的工作姿態(tài)。此過程涉及對激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的深度分析，以及底盤運動的路徑規(guī)劃和控制，旨在確保機器人在復(fù)雜環(huán)境中能夠高效執(zhí)行特定任務(wù)。

若機器人已到達(dá)較好的工作位置，需要判斷激光雷達(dá)數(shù)據(jù)類型。對于平面儲罐壁，需根據(jù)起始點和末端點進行線性插值;對于曲面儲罐壁，需要獲取曲面參數(shù)再進行插值，參數(shù)由以下公式獲取[6]。

對于數(shù)據(jù)中的起始點（x1，y1，z1）、中間點（x2，y2，z2），末端點（x3，y3，z3），曲線參數(shù)應(yīng)為

D=2×（x1×（y2-y3）+x2×（y3-y1）+x3×（y1-y2）），

x0=（（x+y）×（y2-y3）+（x+y）×（y3-y1）+（x+y）×（y1-y2））/D，

y0=（（x+y）×（x3-x2）+（x+y）×（x1-x3）+（x+y）×（x2-x1））/D，

r=-0.50，

θ1=tan-1（（x1-x0）/（y1-y0）），

θ2=tan-1（（x3-x0）/（y3-y0））。

得到曲線參數(shù)后，依據(jù)初始角度和終止角度線性插值作為新的軌跡規(guī)劃點，基于擬定的高度差，由一系列插值曲線組成軌跡規(guī)劃曲面，進而求取最大的清洗面。

首先，對于插值曲面，通過逆運動學(xué)解析求解方式，對于能夠到達(dá)的位置賦1，不能到達(dá)的位置賦0。這樣，求最大矩形面積的問題就轉(zhuǎn)化成了求1構(gòu)成的最大矩形。通過棧法求出最大矩形面的索引，以下是使用動態(tài)規(guī)劃和棧的方法求解最大矩形面積的基本步驟。

1）初始化變量：通過一個外循環(huán)遍歷二維列表的每一列，在每次循環(huán)開始時，初始化2個向量“up”和“down”，以及一個棧stack。

2）計算向上和向下的邊界：在內(nèi)循環(huán)中，對矩陣的每一行進行遍歷。對于每一行，通過維護一個單調(diào)遞減棧stack，計算出向上和向下的邊界。分別計算向上邊界時，如果當(dāng)前元素小于棧頂元素，則出棧，直到棧為空或者棧頂元素小于當(dāng)前元素;向下邊界同理，只不過是從底部開始出棧。

3）計算面積：在第二個循環(huán)中，通過已計算的向上和向下邊界，計算當(dāng)前柱子（矩陣元素）形成的矩形的面積。

4）更新最大面積：在每次計算矩形面積后，與之前得到的最大面積進行比較，如果當(dāng)前矩形面積更大，則更新最大面積及對應(yīng)的矩形的邊界坐標(biāo)。

5）重復(fù)步驟1）—4）：繼續(xù)外循環(huán)，遍歷所有列，重復(fù)以上步驟。最終得到最大矩形面的邊界坐標(biāo)。

2" 仿真與實驗

根據(jù)對廢液儲罐清理作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計，選擇合適的材料和零件搭建出廢液儲罐清理作業(yè)機器人系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6" 廢液儲罐清理作業(yè)機器人

針對液壓機械臂軌跡規(guī)劃，在Coppeliasim仿真軟件中進行軌跡規(guī)劃仿真檢驗算法。首先，在仿真軟件中分別導(dǎo)入曲面壁模型和液壓機械臂URDF模型，設(shè)置關(guān)節(jié)限位，并導(dǎo)入仿真軟件中的2D laser scanner激光雷達(dá)作為測量工具。如圖7所示，在仿真中機械臂能夠以最大清洗面積清理曲面壁。

為了驗證廢液儲罐清理作業(yè)機器人的實際操作性能和實際工作能力，根據(jù)廢液儲罐的實際工作環(huán)境搭建曲面壁進行現(xiàn)場的軌跡規(guī)劃實驗?，F(xiàn)場作業(yè)狀況如圖8所示。

實驗證明機械臂的運動學(xué)模型是準(zhǔn)確無誤的，同時所采用的軌跡規(guī)劃算法在廢液儲罐清理作業(yè)機器人的運動中表現(xiàn)出色。具體而言，該算法在平面和曲面壁上均展現(xiàn)出卓越的規(guī)劃效果，為廢液清理任務(wù)提供了可靠的運動路徑規(guī)劃，確保機器人能夠高效地執(zhí)行清理作業(yè)。

3" 結(jié)論

本研究成功研制出一種適應(yīng)核輻射復(fù)雜環(huán)境的廢液儲罐清理作業(yè)機器人系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對核退役廢液儲罐的高效清理。實驗結(jié)果顯示，該機器人系統(tǒng)在平面和曲面壁上均取得了顯著的作業(yè)效果，為核工業(yè)的廢物管理提供了可靠、安全的解決方案。這一研究成果對于推動核工業(yè)設(shè)施的退役后處理工作，提高清理作業(yè)效率，降低人工作業(yè)污染和安全風(fēng)險，具有重要的實際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡介：陳建文（1994-），男，碩士，工程師。研究方向為核工業(yè)特種機器人。