大型热室内事故处理机器人的总体结构方案及其运动学研究

□梁汝囡 彭 思 王广开 吴德慧

当前，我国核工业事业正在进入高速发展期，乏燃料后处理工程是核工业中核燃料循环中的重要组成部分，热室是乏燃料后处理工程中的核心包容性设备，其他重要的工艺处理设备一般都放在热室内。虽然热室内配备有远距离操作工具，能够处理日常的操作，但是对于意外事故的处理，目前缺乏适应性较强的设备。由于热室内放射性水平较高，人员一般不能随意进入，机器人是一种可编程和多功能的操作机，它是集成了机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多种学科的先进技术的自动化装备，从机器人的以上特点看出机器人就是一种优秀的可远距离操作控制的机械设备，使用机器人来处理大型热室中的事故和紧急事态是一个很好的解决方案。

一、机器人本体结构设计

机器人的本体结构由其承担的任务所决定，大型热室内的设备有很多类型，机械人的动作能力应尽量模拟人员进入的操作，所以要求机器人具备行走能力和灵活的动作能力。机器人本体结构的设计是整个机器人是否能够满足工作要求的关键。机器人本体结构的设计包括：机器人手臂的设计、机器人躯干的设计、机器人行走机构的设计、机器人探测系统的设计。机器人的本体将有两条手臂，在工作时可以相互配合完成操作动作，类似于人体双手的配合操作。机器人的躯干拟设计有旋转和升降2个自由度，以增大机器人的操作范围和应对可能发生的复杂工作情况。由于大型热室内的空间较大，所以准备设计的机器人必须带有行走系统，大型热室内地面条件较为平整，一般是由整块钢板铺设而成，所以拟设计的机器人行走系统采用轮式行走机构。发生事故时，热室内的摄像系统可能会损坏，热室内的辐照强度可能极高，而机器人的电子部件可能在吸收了大剂量辐照后发生损坏或失灵，有必要检测机器人受到的累积辐照量，在剂量超标前停止工作退出屏热室进行维护，所以拟设计带有摄像系统和剂量检测系统的机器人探测系统。

图1 图2

根据机器人所要具备的功能，本文所设计的机器人要具有多个关节、多个驱动器、多个自由度。机器人的设计首先就要合理的布置机器人的关节类型。

机器人具有许多不同的关节类型，如球形铰链关节、线形关节、转动关节、摆动关节、夹钳关节等。其中球形铰链关节相比其它种类的关节，其方向是最为灵活的，但在机械系统的实现上困难较大，一般使用电机驱动控制的机器人不采用这种关节。线形关节是一种可以往复做线形运动的机械装置，一般利用气缸、液压缸、电动缸等线形驱动器来控制机器人上连杆的位置、运动速度和连杆的驱动力。转动关节和摆动关节都是可以围绕关节安装轴做转动的机械装置，一般利用电机来控制机器人上连杆的转动角度、转动速度和连杆的驱动力。夹钳关节是一种模仿人手握紧动作的机械装置，利用气缸或电机都可以控制握紧的力度和握紧的角度。

基于以上分析，本文所设计的机器人采用线性关节、转动关节、摆动关节、夹钳关机组合而成的机械系统，其结构简图如图1所示，躯干设置有转动关节和线形关节，转动关节使机器人躯干转动，线形关节使机器人躯干升降，以增大机器人的操作范围。机器人躯干上由机器人手臂的传动箱、机器人的摄像机组成，机器人的手臂安装在躯干上，安装有两个转动关节驱动整个手臂的转动另机器人手臂采用与人体手臂相类似的肘部、腕部和手指，腕部和肘部各包括一套转动关节和摆动关节，机器人的手指采用夹钳关节，如图2机器人手臂关节简图所示，将以上所有的机构都安装在底座上，底座内部设有行走装置。

二、机器人的动力学分析

机器人是一个复杂的机电一体化系统。这个系统的运动学特性和动力学特性都是其最重要的特性。机器人的运动学特性和动力学特性都直接决定了机器人控制系统的设计。

机器人可以看作是一个开链的多连杆机构，始端即为机器人的基座，可称为基杆，末端为机器人的手部，相邻的连杆间用一个旋转关节或伸缩关节连接在一起，机器人的运动学就是研究机器人各连杆之间的位置关系。每一连杆件建立构件坐标系的方法是由Denavit和Hartenberg于1955年提出的，简称为D-H方法[1]。

本文所述机器人可以同样看作是由一系列连杆机构通过关节连接起来的，通过各机构连杆的相对位置变化可使机器人手部达到不同的空间位置，而在每一个连杆机构中固定一个构件坐标系，然后用齐次变换描述这些构件坐标系之间的相对位置，就建立了机器人运动学方程。机器人的运动学方程是进行机器人位移分析的基本方程，也称为机器人的位姿方程，运动学方程的建立和求解是机器人机构分析的基本问题之一。下面将分别推倒出本文所设计的机器人末端连杆相对于固定参考系的位置姿态矩阵。

图3

表1 机器人连杆参数

如图3所示，根据上文所述的机器人结构，建立机器人连杆坐标系，各连杆的具体参数见表1。

根据表1中机器人连杆的参数，求出各相邻连杆间的变换矩阵，连杆1变换到连杆0的齐次变换矩阵：

连杆2变换到连杆1的齐次变换矩阵：

连杆3变换到连杆2的齐次变换矩阵：

连杆4变换到连杆3的齐次变换矩阵：

连杆5变换到连杆4的齐次变换矩阵：

连杆6变换到连杆5的齐次变换矩阵：

连杆7变换到连杆6的齐次变换矩阵：

连杆8变换到连杆7的齐次变换矩阵：

连杆8变换至连杆0的齐次变换矩阵，即机器人末端连杆相对于固定参考系的位置姿态矩阵：

将sinθi简记为si，将cosθi简记为ci，求得

r11=c8[c7[c6(c1s5-s1c3c5)-s1s3s6]-s7[s6(c1s5-s1c3c5)+s1s3c6]]-s8(c1c5+s1c3c5)

r12=-s8[c7[c6(c1s5-s1c3c5)-s1s3s6]-s7[s6(c1s5-s1c3c5)+s1s3c6]]-c8(c1c5-s1c3s5)

r13=c7[s6(c1s5-s1c3c5)+s1s3c6]+s7[c6(c1s5-c3c5s1)-s1s3s6]

r21=c8[c7[c6(s1s5+c1c3c5)+c1s3s6]-s7[s6(s1s5+c1c3c5)-c1s3c6]]-s8(s1c5-c1c3s5)

r22=-s8[c7[c6(s1s5+c1c3c5)+c1s3s6]-s7[s6(s1s5+c1c3c5)-c1s3c6]]-c8(s1c5-c1c3s5)

r23=c7[s6(s1s5+c1c3c5)-c1s3s6]+s7[c6(s1s5+c1c3c5)+c1s3s6]

r31=s3s5s8-c8[c7(c3s6-s3c5c6)+s7(c3c6+s3c5s6)]

r32=s3s5c8+s8[c7(c3s6-s3c5c6)+s7(c3c6+s3c5s6)]

r33=c7(c3c6+s3c5s6)-s7(c3s6-s3c5c6)

qx=L8[c7[s6(c1s5-s1c3c5)+s1s3c6]+s7[c6(c1s5-s1c3c5)-s1s3s6]]-L7(c1c5+s1c3s5)+L3c1-d4s1s3-L5s1s3

qy=L8[c7[s6(s1s5+c1c3c5)-c1s3c6]+s7[c6(s1s5+c1c3c5)+c1s3s6]]-L7(s1c5+c1c3s5)+L3s1-d4c1s3-L5c1s3

qz=d2+L8[c7(c3c6+s3c5s6)-s7(c3s6-s3c5c6)]-d4c3-L5c3+L7s3s5

三、结语

本文提出了一种用于大型热室内事故处理机器人的总体结构方案，为后续机器人具体机械结构的设计指出方向。D-H方法描述本文所设计机器人的各连杆之间的相对位置与姿态，继而求出了本文所设计的机器人各连杆间的相对运动方程，为以后机器人控制系统研究奠定了良好的基础，对于机器人的制造和机器人性能的提高具有重要意义。