核环境下机器人机构设计研究及越障能力分析

核环境下机器人机构设计研究及越障能力分析一绪论1.1研究意义随着世界人口的快速增长以及各国工业的迅猛发展，传统能源的消耗将会加快，核能、风能、太阳能等可再生能源越来越受到重视。但由于其它能源的局限性，核能成为目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源。在一些国家，核能成为主要的电力能源。世界目前有30多个国家拥有核电站，这420多座核电站提供了全球总电力的17%，在法国，核电甚至占到70%以上。开发和利用核能不仅可以节省煤炭、原油等不可再生资源，还能改善人类生存环境。随着大型核电站、加速器和后处理厂大型热室的发展，面对成百上千个复杂的子系统和有关安全设备，需要上百个训练有素的工作人员来维修这些设备，以保证工厂安全有效工作。但核电设施的维护作业大多是在放射线环境下进行的，工作人员若直接进入对设备进行维修、检查等操作，无疑会因放射剂量过高而造成人员伤亡事故。而且环境复杂，场地狭窄，有些地方还有阶梯，地面上管道纵横交错。虽然可以停止核设备的运行工况或急剧降低运行功率，创造人能安全进行工作的条件，但是这将造成一定的经挤损失。远距离操作技术是核工业不可缺少的工具，是核工业的生命线。采用现代的先进遥控操作和机器人技术就能够解决上述难题，克服安全与经济的矛盾，并可显著提高核工业设备的经济和社会效益。据资料显示，一座反应堆使用机器人进行检查与维修后，其寿命可以提高到四十年左右。美国公用事业电力与煤气公司于80年代中期开始实施PSE&G机器人计划，在电力公司的三个核电站（Salem-1、Salem-2和Hopecreek）中取得了进展。在1986年4月到1991年12月第一个核机器人五年计划期间，PSE&G耗费了160万美元，但节省了530万美元，投入效益比可达1:3，其中减少电站停堆时间是节省的主要原因之一。最近几年由于各国需要处理的放射性废物与需要拆卸和去污的废弃核装置与日俱增，加上日益增长的人工费用和核辐射低剂量限值等问题，研制一些功能更强、技术更先进、真正能实现远距离控制的核环境机器人，成为当今世界的热门课题。此外，“3.11”日本9级大地震引发了福岛核电站危机，但是机器人技术最为先进的日本却没有合适的机器人可以用于福岛核电站的救援，笼罩在核泄露威胁下的民众迫切要求核电站具有高效的事故预防和解决措施，这起核事故给全世界核电站敲响了警钟。采用机器人进行核事故预防、控制和救援已成为社会的共识，目前我国核电站越来越多，发展核环境救援机器人迫在眉睫。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状据资料文献记载，美国、日本、法国等发达国家早在上个世纪四十年代就开始研发并研制成功了某些可以应用在核环境下的机器人，并在当地的核电站进行了验证，取得了一定的成果，其中具有代表性的机器人有：在美国，四十年代末阿贡实验室研制了第一台用于核工业的机械手，取名M1，后期研制出核环境机器人Odex系列机器人；在日本，1977年早稻田大学研制出了世界上第一台双足行走机器人；在欧洲，法国核机器人技术处于领先地位，研制出了用于核反应堆检查的机器人。最近20年，由于核电站的迅速发展，各国政府对核电站日常维护和事故处理及其重要的核机器人的发展也越来越受到重视，纷纷制订了研究开发核工业机器人的计划，提供财政支持，呈现了一派繁荣景象。如由美国能源部（DOE）组织佛罗里达、密歇根、田纳西和德克萨斯四所大学以及橡树岭国家实验室（ORNL）联合制订的美国先进反应堆用机器人发展计划（ARS），这个计划的目的是开发机器人进行危险作业，减少工人在辐射环境下作业或停留的时间，以便高效经济地监督、维修和修复核装置或其他设备。另外，日本和法国也有各自的核工业机器人发展计划。经过几十年的技术发展和积淀，这些国家又研制出了一些功能更强，技术更先进的核环境机器人，这些机器人真正实现了远距离控制，如美国Remotec公司用于核环境检测的机器人SURBOT，德国的EMSM系列，意大利ArioRomiti,TerenzianoRaparelli等人研制成功的应用于危险核环境下的多功能机器人SECURITAS，法国SRA-SAVAC公司研制的可对核屏蔽热室进行放射性检测的RICA2核电站机器人等。这些机器人可以通过电脑遥控，具有很好的越障性能，不仅能行走转弯，还可以翻越40cm高的障碍物。它们主要应用于处理放射性物质泄漏事故和更换失灵的系统零部件等。另外，值得一提的是，日本在福岛核危机中使用了一款高辐射区域人员无法工作的专用Monirobo机器人（MonitoringRobot）（图1-1）。Monirobo是由日本核安全技术中心在日本东海村核燃料加工厂核辐射事故发生后而研制的，体积为800×1500×1500mm，约1300磅重，属于针对地震灾害救援的复杂性设计迷你型机器人。Monirobo靠两条履带驱动行走，每分钟可走40米，时速最高可达2.4千米。另外，它还配有一支机械手用于移动障碍物和收集样本。Monirobo共分为两种型号：红色MoniroboA和黄色MoniroboB。红色那台配备辐射探测、3D摄像机、温度湿度传感等。黄色那台则用于收集粉尘样品和检测可燃气体。两台机器人的外表都拥有辐射遮蔽层，用于辐射环境下工作，其内部电子电路不会受到干扰和破坏。当然两台机器人也少不了人类对其进行操控，最远操作距离可达1.1公里。图1-1Monirobo机器人1.2.2国内研究现状国外在较早时期就积极开展防核机器人的研究工作，而我国在这方面研究开展较晚。为了赶超国外先进技术和满足国内核机器人的需求，在国家高技术研究发展计划（863计划）中列入了恶劣环境智能机器人的研究项目，并将移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人作为开发目标。另外，山东鲁能集团公司也研制出一种名为JP-DZ-06的核电站设备巡检机器人（图1-2）。它通过底部电机驱动的轮子导航，并具有自主或遥控两种控制方式，可以代替人对核电站高压设备进行实时巡检，协助发现变电图1-2核电站巡检机器人站设备的故障隐患、内部热缺陷等异常现象。东南大学和相关部门合作，也于2011年初研制出了国内首台真正意义上的防核化侦察与应急处理遥控操作机器人（图1-3），可以在核辐射和有毒有害环境下协助人类救险。图1-3遥控防化侦察机器人在国家863计划的支持下，经过近20年的不懈努力，我国的机器人特别是核环境下机器人事业取得了一系列令世界瞩目的科研成果，正朝着更好更先进的方向前进。1.3主要研究内容及研究意义1.3.1研究内容根据核机器人应当满足的功能要求，可以将核机器人分为两类：作业型和观察型。作业型核机器人需要完成的任务包括焊接、切割、搬运放射物质、开关阀门、喷水、捡拾和切断物体等，故需要安装能实现这些功能的部件如焊枪、机械手等。观察型核机器人则需携带摄像头、温度和压力传感器以及辐射强度检测仪等设备进入现场后传回现场数据。由于要求核环境下机器人需具有一定的事故处理和救援能力，因此核机器人应当有较强的通过性和越障能力，可以通过诸如楼梯、斜坡等一般障碍，并具有较强的防尘能力。另外，非常重要的一点是，此次设计的机器人需要在具有核辐射的环境下连续工作，故必须具有一定的防核辐射能力。综上所述，核环境下机器人要完成既定任务应具体有以下几方面需求:（1）移动灵活敏捷。可在城市或野外等路面以较高的速度移动，转向灵活；（2）避障能力强。可以通过一般障碍，攀爬标准楼梯等；（3）防核辐射能力强。可以保证其在核环境下的生存能力；（4）适应能力强。可以在恶劣的环境中作业；（5）结构紧凑轻巧。降低了机器人的移动重心，保证了机器人的移动稳定性，另外重量轻便于携带。其中，核环境机器人的机械结构设计、三维建模、越障分析及核防护措施是此次研究的主要内容。核机器人的机械结构设计是此次设计的基础，合理的机械结构设计可以满足设计要求，提高机器人的性能。通过对机器人进行三维建模可以直观的了解机器人的结构设计，进而进行优化设计。越障能力分析是分析和检验机器人是否满足具有较强的越障能力，是否具有较强的通过性以适应在较差的地形环境下工作而不会抛锚。另外，由于所设计的机器人需在核辐射环境下工作，如何使机器人在核辐射照射下具有足够的工作寿命，这是此次研究的关键部分。如果机器人不具有足够的核防护能力，那么当机器人进入核辐射区域之后，核辐射会影响机器人内部的电子元件以及控制系统等，从而使机器人失去工作能力。因此，研究选用合适的核防护措施是保证机器人能够正常工作的关键。1.3.2研究意义通过研究一种具有较强通过性以及越障能力的可防核辐射危害的机器人，并使其具有可操纵的执行机构，以实现在远距离操控的前提下控制机器人进入核辐射区域进行放射线数据检测、维护设备、事故处理以及人员救助或者处理辐射物质等工作，从而使作业人员远离核辐射区域以避免受到辐射危害，减少人员伤亡和经济损失。二核环境机器人功能要求和技术要求2.1核环境机器人应用场景应用于核电厂的设备安装更换、维护巡检、故障抢修、废堆处理等工作以及其它产生核辐射危害的灾害现场救援抢险等工作。2.2核环境机器人功能确定由核环境下机器人的应用场景可知核环境机器人需要具备以下功能：1、进行核电厂热室中设备操作；2、核设施燃料后处理设备操作；3、拆除和更换各种核设备的零部件；4、高放射性样品处理和运输及核电站中部件检查和修理；5、核设施的事故和退役处理，包括放射性去污、器材拆除、减容、包装和搬运等；6、提供在线实时检查、监督和在线维修，降低工作人员事故放射线照射水平，减少工厂停工时间，节省昂贵的替代电力；7、核环境机器人还需具有操作机构更换功能，能适应除核电厂以外其它核环境下的作业需求，如安装地震生命迹象检测仪器以实现在地震引起核辐射情况下进行搜救被困人员的功能由以上核工业机器人所需实现的功能可知，核工业机器人须具备相应的功能模块。如实现实时检测监督预防事故发生功能时，即观察型机器人，需要机器人具备一套能够使机器人全面探测环境的传感器系统，包括温度、压力、放射线传感器等；实现在线维修、拆除和更换零部件功能时，即作业型机器人，应当具备操作准确可靠、结构简单、可远程操控的机械臂，另外根据需要添加焊接、切除、钻孔等附属功能模块。此外，核环境机器人还需具有控制模块、通讯模块等。2.3技术要求结构指标自重≤50Kg载荷≥10Kg结构尺寸机动指标正常速度0.6m/s最大速度1m/s最大爬坡角度≥30°楼梯通过能力能通过普通标准楼梯转向能力零半径防护能力防尘防核辐射，抗冲击续航能力1小时以上三核环境机器人总体结构设计核环境机器人具有机电一体化的特点，它在结构紧凑性、灵巧性以及特殊性方面比一般机械设计有更高的要求。结构设计是本次机器人系统设计的基础，整机机械结构、驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力性能。然而，核环境机器人机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装便捷、价格低以及可靠性高等问题。机器人的机械设计可以从一下四个方面考虑：（1）机器人的应用和可行性研究现有同类机器人的产品性能和特点，进行可行性调查，论证技术上是否先进，是否可行；核算经济上的成本；明确机器人应用的领域，实现什么样的功能。（2）明确机器人的设计要求确定工艺过程、动作要求和有关参数，并对机器人的工作环境进行分析。（3）明确功能、性能指标和技术参数了解国内外同类机器人的水平和研制的技术难点，结合现有的工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人具有的功能、性能指标和技术参数。这一步至关重要，因为所有的设计都是围绕着这个中心来设计的。（4）方案比较初步提出若干总体设计方案，通过对工艺生产、技术和价值分析选择最佳方案。3.1结构简述合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。所设计的机器人主要由行走机构、操作机构、传动机构和箱体所组成。核环境机器人需要实现远程操控技术，代替工作人员进入到核辐射区域进行事故处理与救援，因此机器人需要具备操作机构。核