皮明，楊濤，張華

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621010)

0 前言

2011年3月發(fā)生的日本福島核電特大泄漏事故和1986年4月的切爾諾貝利核事故造成了巨大的人員和物資損失，從而也使核電安全問(wèn)題越來(lái)越成為全球各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。新近建設(shè)的核電站雖然在設(shè)計(jì)階段對(duì)可能發(fā)生的意外情況作了預(yù)防和緩解，但由于運(yùn)行設(shè)備的老化和操作失誤等原因［1－2］，仍由可能引發(fā)嚴(yán)重事故。福島核事故的發(fā)生除與地震災(zāi)害有直接關(guān)系外，也與設(shè)備老化(福島核電站一號(hào)機(jī)組服役超過(guò)40年)有直接關(guān)系。而在我國(guó)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的13 臺(tái)機(jī)組當(dāng)中，秦山和大亞灣核電站運(yùn)行時(shí)間也均超過(guò)17年，正值設(shè)備檢修、更換的頻繁期［3］。因此，必須對(duì)核電設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換老化、故障設(shè)備，并對(duì)廢棄核裝置進(jìn)行去污和拆卸等處理，以保證核電站正常、安全地運(yùn)行［4］。而這些作業(yè)通常環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地狹窄，含有大量輻射，不便于人的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。液壓驅(qū)動(dòng)的拆除機(jī)器人，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，具有體積更小、負(fù)載更大的優(yōu)勢(shì)，其靈活性和實(shí)用性也已得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。

Brokk 多功能拆除機(jī)器人是瑞典布魯克公司(Brokk AB)生成的液壓鏟除設(shè)備，可用在建筑拆除、搶險(xiǎn)救援、核能高危等行業(yè)［5］。具有遙控操作、安全、高效的特點(diǎn)。該機(jī)為電液驅(qū)動(dòng)，采用無(wú)線(xiàn)/有限遙控方式，使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在遙控盒上操縱機(jī)器人，確保安全。根據(jù)工作的不同，其可更換不同的工作頭，如液壓破碎錘、液壓剪等，最大效率地利用現(xiàn)有設(shè)備。

而國(guó)內(nèi)驚天液壓公司生產(chǎn)的多功能拆除機(jī)器人［6］，為國(guó)內(nèi)唯一的遙控拆除機(jī)器人，擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但其操作的靈活性和控制精度仍不如Brokk 機(jī)器人，有待進(jìn)一步的提高。

文中針對(duì)核輻射環(huán)境下的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種更加適合精細(xì)作業(yè)的液控拆除機(jī)械臂，在對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行描述之后，采用負(fù)載反饋式變量泵電液比例液壓系統(tǒng)，對(duì)各液壓缸和液壓馬達(dá)進(jìn)行閉環(huán)控制伺服調(diào)節(jié)。最后，通過(guò)一個(gè)液壓錘的作業(yè)任務(wù)(鑿出一個(gè)φ400 mm 的圓孔)的仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人液控系統(tǒng)的有效性。

1 基本構(gòu)造和結(jié)構(gòu)模型

液控拆除機(jī)器人主要由六自由度機(jī)械臂、快速更換接頭、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、前支撐鏟、動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)和機(jī)罩等組成，如圖1所示。

圖1 液控拆除機(jī)器人構(gòu)造

六自由度機(jī)械臂由肩關(guān)節(jié)、2 節(jié)工作臂、肘關(guān)節(jié)和快速更換接頭，以及4 個(gè)液壓缸和2 個(gè)液壓馬達(dá)等組成，各部件之間鉸接連接，依靠4 個(gè)液壓缸和2 個(gè)液壓馬達(dá)的伸縮和回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)拆除機(jī)器人的各種動(dòng)作。

液壓馬達(dá)1 內(nèi)置于肘關(guān)節(jié)內(nèi)部，通過(guò)前端的行星減速器與快速更換接頭連接。馬達(dá)內(nèi)部集成了制動(dòng)、緩沖和防反彈等控制閥，可實(shí)現(xiàn)快速更換接頭的回轉(zhuǎn)、制動(dòng)和定位等一系列動(dòng)作。液壓馬達(dá)2 內(nèi)置于快速更換接頭內(nèi)部，其前端的行星減速器與工作裝置連接。馬達(dá)內(nèi)部同樣集成了控制閥，可實(shí)現(xiàn)工作裝置的回轉(zhuǎn)、制動(dòng)和定位等動(dòng)作。

液壓缸1、2、3 和4 用于實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)、工作臂和肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，其擺動(dòng)量與相應(yīng)的液壓缸的伸縮量成對(duì)應(yīng)關(guān)系。在圖2 中，液壓缸3 的伸縮量S3決定了關(guān)節(jié)3(即:工作臂1 與工作臂2 之間的夾角)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ3的值。

θ1－3+θ2－3+θ3+θ4－3=360°

θ1－3=360°－θ2－3－θ3－θ4－3

θ3由機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可得，為變量;

θ4－3為工作臂2 的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為常數(shù)。

則

圖2 液壓缸3 與關(guān)節(jié)夾角3 的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)處的擺動(dòng)角度θ1、θ2和θ4，其對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 抗輻射加固

2.1 非金屬材質(zhì)抗輻射性能

拆除機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)本體采用合金鋼，但其密封器件、油液管路和電子控制系統(tǒng)等大部分采用的是橡膠和塑料等有機(jī)高分子材料，當(dāng)輻照時(shí)間、劑量超過(guò)其相應(yīng)的承受閾值時(shí)，如:輻照劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100Gray 時(shí)，就會(huì)發(fā)生質(zhì)變、老化甚至燃燒等情況。因此，在拆除機(jī)器人進(jìn)入核輻射現(xiàn)場(chǎng)之前，必須對(duì)相關(guān)零部件，如:密封圈、電線(xiàn)膠皮、橡膠履帶等進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，確定其是否可以在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間安全作業(yè)。

2.2 電氣控制元件的抗輻射加固

電氣控制元件在輻照情況下發(fā)生失靈、損壞等現(xiàn)象，一方面是因?yàn)殡娋€(xiàn)膠皮老化造成的短路引起的，另一方面是由于處理器或晶閘管等本身受輻照影響損壞造成的。因此，電氣控制元件的抗輻射加固，除了要對(duì)電線(xiàn)膠皮、電路板等進(jìn)行輻照性能試驗(yàn)外，還要額外地增加輻照屏蔽裝置，以保護(hù)處理器、晶閘管等元器件。

屏蔽裝置通常是用鉛板組成一個(gè)腔體，罩住要保護(hù)的部位。但這種方法不但價(jià)格昂貴，而且增加了控制器的質(zhì)量和體積，從而有可能影響機(jī)器人的回轉(zhuǎn)和機(jī)械臂的靈活性等。而采用含重金屬離子的高分子涂料或復(fù)合材料［7－9］，不僅可以達(dá)到相同的保護(hù)效果，而且由于質(zhì)量和體積的大為減少，也使機(jī)器人能夠獲得更優(yōu)異的控制性能。

3 液壓控制系統(tǒng)組成

3.1 液壓泵的選型

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，六自由度機(jī)械臂必須具有多液壓缸、液壓馬達(dá)協(xié)同運(yùn)動(dòng)能力，即:多液壓缸、液壓馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作，但又不影響彼此的運(yùn)動(dòng)。為此，采用目前較為成熟的負(fù)載反饋式電液比例液壓控制系統(tǒng)［10］。同時(shí)為了節(jié)省功耗，采用負(fù)流量控制［11］方式對(duì)液壓泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 液壓泵負(fù)流量控制

在負(fù)流量控制中，節(jié)流器位于回油路上。當(dāng)液壓缸不動(dòng)作時(shí)，液壓泵泵出的液壓油流經(jīng)電磁閥組后通過(guò)回油路流回油箱，此時(shí)節(jié)流器壓力最大，控制器采集壓力信號(hào)后，控制變量泵使它們排量最小;而當(dāng)液壓缸動(dòng)作時(shí)，液壓油通過(guò)液壓缸后流回油箱，而不通過(guò)節(jié)流器，此時(shí)節(jié)流器壓力降低，控制器則控制變量泵排量增大，增加的排量進(jìn)入液壓缸，用于執(zhí)行動(dòng)作。這樣就可以減少機(jī)械臂保持位姿時(shí)的液控系統(tǒng)的能量損失，同時(shí)也延長(zhǎng)了各零部件的使用壽命。

由于液壓執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作時(shí)所需液壓油量遠(yuǎn)高于保持位姿時(shí)，故采用“主泵+ 輔泵”的供油模式。當(dāng)液壓執(zhí)行器保持位姿或同時(shí)動(dòng)作但所需流量較小時(shí)，只有主泵供油;當(dāng)液壓執(zhí)行器同時(shí)動(dòng)作所需流量較大時(shí)，主泵和輔泵一起供油。相比單泵供油，在相同的供油量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，“主泵+輔泵”供油模式調(diào)節(jié)精度更高，并且在低供油量階段，由于輔泵不參與供油，因此也減少了系統(tǒng)額外的能量損失。

3.2 液壓系統(tǒng)工作過(guò)程

工作過(guò)程如圖4所示，液壓泵均為變量柱塞泵，與電機(jī)軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器連接。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)變量柱塞泵工作，產(chǎn)生的高壓液壓油通過(guò)電磁閥組A供給六自由度機(jī)械臂和液壓工作裝置，電磁閥組A中各電磁閥的開(kāi)口量由控制器給出。由于采用的是負(fù)載反饋式電液比例液壓系統(tǒng)，因此各液壓執(zhí)行器不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載耦合，其運(yùn)動(dòng)行程和速度也只與各自電磁閥開(kāi)口量有關(guān)，與負(fù)載無(wú)關(guān)。

另一路高壓液壓油經(jīng)回轉(zhuǎn)接頭通向機(jī)器人底盤(pán)，也采用負(fù)載反饋式電液比例液壓系統(tǒng)，通過(guò)電磁閥組B 控制底盤(pán)液壓執(zhí)行器的動(dòng)作。

液壓缸和液壓馬達(dá)均經(jīng)過(guò)抗輻射加固和集成化改造，其密封裝置和傳感器均能長(zhǎng)時(shí)間在大劑量輻照下正常工作。液壓缸和液壓馬達(dá)位移輸出端分別加裝直線(xiàn)位移傳感器和角位移傳感器，輸出信號(hào)接入控制系統(tǒng)，形成液壓執(zhí)行器的閉環(huán)控制。液壓馬達(dá)內(nèi)部集成制動(dòng)、緩沖和防反彈等控制閥，便于系統(tǒng)控制;而由于本身具有緩沖結(jié)構(gòu)，液壓缸只需集成液壓鎖就可具有制動(dòng)、緩沖等功能。

圖4 液壓系統(tǒng)原理示意圖

4 液控系統(tǒng)仿真

在Adams 中構(gòu)建拆除機(jī)器人的模型，添加各液壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、位移傳感器等，生成EASY5 可以識(shí)別的目標(biāo)文件AD(Adams Mechanism)。由于液壓破碎錘不需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故將液壓馬達(dá)2 鎖死，只需控制前五個(gè)自由度即可。拆除機(jī)器人六自由度機(jī)械臂參數(shù)如表1所示。

表1 六自由度機(jī)械臂參數(shù)

在EASY5 中構(gòu)建拆除機(jī)器人六自由度機(jī)械臂的液控系統(tǒng)，不包括液壓馬達(dá)2 的控制回路，如圖5所示。

圖5 六自由度機(jī)械臂液控仿真模型(不包括液壓馬達(dá)2 控制回路)

圖5 中，液壓缸1、2、3、4 和液壓馬達(dá)1，形成6 個(gè)自由度，共同決定液壓破碎錘的位姿。由于采用負(fù)載反饋式電液比例液壓系統(tǒng)，通過(guò)電磁閥的流量只與電磁閥開(kāi)口量有關(guān)，故采用恒壓源模塊LP1 ～5 模擬液壓泵對(duì)執(zhí)行器的供油。根據(jù)第一節(jié)中的介紹，液壓缸伸縮量與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系(液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角等于相應(yīng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法求出各執(zhí)行器動(dòng)作量與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以表格形式存儲(chǔ)在模塊FU1 ～5 中，再通過(guò)PID 調(diào)節(jié)模塊對(duì)電磁閥輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制液壓缸伸縮量和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)量，并將伸縮量和轉(zhuǎn)動(dòng)量實(shí)時(shí)傳給AD(Adams Mechanism)模塊，同時(shí)獲得作用于各自執(zhí)行器末端的阻力和阻力矩。這樣就實(shí)現(xiàn)了液控系統(tǒng)模型與六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型的控制的耦合。具體仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 六自由度機(jī)械臂液控仿真結(jié)果

液壓破碎錘末端按照規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡鑿出了一個(gè)φ400 mm 的圓孔，完成了設(shè)定的任務(wù)，表明了液控系統(tǒng)模型的正確性和有效性。

5 結(jié)論

針對(duì)核輻射環(huán)境下的應(yīng)用要求，研制開(kāi)發(fā)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的拆除機(jī)器人系統(tǒng)，并對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)特性和液控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后，通過(guò)一個(gè)液壓錘的作業(yè)任務(wù)(鑿出一個(gè)φ400 mm 的圓孔)的仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人液控系統(tǒng)的有效性。

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