□梁汝囡 彭 思 王廣開 吳德慧

當前，我國核工業(yè)事業(yè)正在進入高速發(fā)展期，乏燃料后處理工程是核工業(yè)中核燃料循環(huán)中的重要組成部分，熱室是乏燃料后處理工程中的核心包容性設(shè)備，其他重要的工藝處理設(shè)備一般都放在熱室內(nèi)。雖然熱室內(nèi)配備有遠距離操作工具，能夠處理日常的操作，但是對于意外事故的處理，目前缺乏適應性較強的設(shè)備。由于熱室內(nèi)放射性水平較高，人員一般不能隨意進入，機器人是一種可編程和多功能的操作機，它是集成了機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多種學科的先進技術(shù)的自動化裝備，從機器人的以上特點看出機器人就是一種優(yōu)秀的可遠距離操作控制的機械設(shè)備，使用機器人來處理大型熱室中的事故和緊急事態(tài)是一個很好的解決方案。

一、機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人的本體結(jié)構(gòu)由其承擔的任務所決定，大型熱室內(nèi)的設(shè)備有很多類型，機械人的動作能力應盡量模擬人員進入的操作，所以要求機器人具備行走能力和靈活的動作能力。機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個機器人是否能夠滿足工作要求的關(guān)鍵。機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括：機器人手臂的設(shè)計、機器人軀干的設(shè)計、機器人行走機構(gòu)的設(shè)計、機器人探測系統(tǒng)的設(shè)計。機器人的本體將有兩條手臂，在工作時可以相互配合完成操作動作，類似于人體雙手的配合操作。機器人的軀干擬設(shè)計有旋轉(zhuǎn)和升降2個自由度，以增大機器人的操作范圍和應對可能發(fā)生的復雜工作情況。由于大型熱室內(nèi)的空間較大，所以準備設(shè)計的機器人必須帶有行走系統(tǒng)，大型熱室內(nèi)地面條件較為平整，一般是由整塊鋼板鋪設(shè)而成，所以擬設(shè)計的機器人行走系統(tǒng)采用輪式行走機構(gòu)。發(fā)生事故時，熱室內(nèi)的攝像系統(tǒng)可能會損壞，熱室內(nèi)的輻照強度可能極高，而機器人的電子部件可能在吸收了大劑量輻照后發(fā)生損壞或失靈，有必要檢測機器人受到的累積輻照量，在劑量超標前停止工作退出屏熱室進行維護，所以擬設(shè)計帶有攝像系統(tǒng)和劑量檢測系統(tǒng)的機器人探測系統(tǒng)。

圖1 圖2

根據(jù)機器人所要具備的功能，本文所設(shè)計的機器人要具有多個關(guān)節(jié)、多個驅(qū)動器、多個自由度。機器人的設(shè)計首先就要合理的布置機器人的關(guān)節(jié)類型。

機器人具有許多不同的關(guān)節(jié)類型，如球形鉸鏈關(guān)節(jié)、線形關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、擺動關(guān)節(jié)、夾鉗關(guān)節(jié)等。其中球形鉸鏈關(guān)節(jié)相比其它種類的關(guān)節(jié)，其方向是最為靈活的，但在機械系統(tǒng)的實現(xiàn)上困難較大，一般使用電機驅(qū)動控制的機器人不采用這種關(guān)節(jié)。線形關(guān)節(jié)是一種可以往復做線形運動的機械裝置，一般利用氣缸、液壓缸、電動缸等線形驅(qū)動器來控制機器人上連桿的位置、運動速度和連桿的驅(qū)動力。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)都是可以圍繞關(guān)節(jié)安裝軸做轉(zhuǎn)動的機械裝置，一般利用電機來控制機器人上連桿的轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動速度和連桿的驅(qū)動力。夾鉗關(guān)節(jié)是一種模仿人手握緊動作的機械裝置，利用氣缸或電機都可以控制握緊的力度和握緊的角度。

基于以上分析，本文所設(shè)計的機器人采用線性關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、擺動關(guān)節(jié)、夾鉗關(guān)機組合而成的機械系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，軀干設(shè)置有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和線形關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)使機器人軀干轉(zhuǎn)動，線形關(guān)節(jié)使機器人軀干升降，以增大機器人的操作范圍。機器人軀干上由機器人手臂的傳動箱、機器人的攝像機組成，機器人的手臂安裝在軀干上，安裝有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動整個手臂的轉(zhuǎn)動另機器人手臂采用與人體手臂相類似的肘部、腕部和手指，腕部和肘部各包括一套轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)，機器人的手指采用夾鉗關(guān)節(jié)，如圖2機器人手臂關(guān)節(jié)簡圖所示，將以上所有的機構(gòu)都安裝在底座上，底座內(nèi)部設(shè)有行走裝置。

二、機器人的動力學分析

機器人是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的運動學特性和動力學特性都是其最重要的特性。機器人的運動學特性和動力學特性都直接決定了機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計。

機器人可以看作是一個開鏈的多連桿機構(gòu)，始端即為機器人的基座，可稱為基桿，末端為機器人的手部，相鄰的連桿間用一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或伸縮關(guān)節(jié)連接在一起，機器人的運動學就是研究機器人各連桿之間的位置關(guān)系。每一連桿件建立構(gòu)件坐標系的方法是由Denavit和Hartenberg于1955年提出的，簡稱為D-H方法[1]。

本文所述機器人可以同樣看作是由一系列連桿機構(gòu)通過關(guān)節(jié)連接起來的，通過各機構(gòu)連桿的相對位置變化可使機器人手部達到不同的空間位置，而在每一個連桿機構(gòu)中固定一個構(gòu)件坐標系，然后用齊次變換描述這些構(gòu)件坐標系之間的相對位置，就建立了機器人運動學方程。機器人的運動學方程是進行機器人位移分析的基本方程，也稱為機器人的位姿方程，運動學方程的建立和求解是機器人機構(gòu)分析的基本問題之一。下面將分別推倒出本文所設(shè)計的機器人末端連桿相對于固定參考系的位置姿態(tài)矩陣。

圖3

表1 機器人連桿參數(shù)

如圖3所示，根據(jù)上文所述的機器人結(jié)構(gòu)，建立機器人連桿坐標系，各連桿的具體參數(shù)見表1。

根據(jù)表1中機器人連桿的參數(shù)，求出各相鄰連桿間的變換矩陣，連桿1變換到連桿0的齊次變換矩陣：

連桿2變換到連桿1的齊次變換矩陣：

連桿3變換到連桿2的齊次變換矩陣：

連桿4變換到連桿3的齊次變換矩陣：

連桿5變換到連桿4的齊次變換矩陣：

連桿6變換到連桿5的齊次變換矩陣：

連桿7變換到連桿6的齊次變換矩陣：

連桿8變換到連桿7的齊次變換矩陣：

連桿8變換至連桿0的齊次變換矩陣，即機器人末端連桿相對于固定參考系的位置姿態(tài)矩陣：

將sinθi簡記為si，將cosθi簡記為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、結(jié)語

本文提出了一種用于大型熱室內(nèi)事故處理機器人的總體結(jié)構(gòu)方案，為后續(xù)機器人具體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計指出方向。D-H方法描述本文所設(shè)計機器人的各連桿之間的相對位置與姿態(tài)，繼而求出了本文所設(shè)計的機器人各連桿間的相對運動方程，為以后機器人控制系統(tǒng)研究奠定了良好的基礎(chǔ)，對于機器人的制造和機器人性能的提高具有重要意義。