核電站水下作業機械手研究及工作空間分析

張星星

（上海電機學院 高職學院，上海 200000）

核電站水下作業機械手研究及工作空間分析

張星星

（上海電機學院 高職學院，上海 200000）

文章通過對核電站水下作業環境分析，研制了一款用于核電站反應堆和乏燃料水池水下作業的六自由度機械手。然后分別用圖解法、蒙特拉羅法、仿真法共三種方法對機械手末端執行器進行工作空間分析，針對此次機械手自由度多、正運動學正問題易求解等特點，經過對比蒙特卡洛法相對來說更快速準確地求解該機械手末端執行器的工作空間。

水下作業機械手；圖解法；蒙特卡洛法；仿真法

1 引言

目前，核能及核電站在很多國家所占比例越來越高，特別是自1986年烏克蘭切爾克貝利發生核泄漏事故以及2011年日本福島核電站發生核泄漏事故之后。核電站內的關鍵設備多處于水下放射中，可能發生乏燃料水池裂紋、孔洞、破口等，采用機器人技術代替人工來維護和維修，既保護了維修操作人員的人身安全，又能提高作業效率，具有重要意義。其中美國和日本在核電站機器人研制方面發展最快，而我國也越來越受到研究人員的關注，普通的核電站陸地機器人很多，而針對水下作業環境，尚存在密封性能低、負載能力弱等特點。因此文章研制了一種專門用于水下核電站的機械手，其關節結構緊湊、承載能力大。

而機械手的末端工作空間對于其作業和工作能力扮演重要角色，也是設計和研究階段必須要考慮的因素。文章對幾種典型求解方法進行實際運算對比，對于以后求解此類工作空間具有重要意義。

（1）水下機械手結構方案。在核電站反應堆水池、乏燃料水池和構件池水下工作的機械手，對密封性、材料、重量等要求嚴格，要求既能滿足水下深度要求，重量又要輕，還要防輻射。文章水下機械手總體方案設計采用的是模塊化關節結構、電機驅動、關節內密封，每個關節配備有編碼器，可檢測轉角信息。如圖1所示，整個機械手采用六自由度形式，分別由腰部旋轉關節、大、小臂擺動機構、臂旋轉機構、腕部擺動機構和腕部旋轉機構組成，分別為±160、-60～150、-140～140、±180、-120～120、±180。關節密封有動密封實現運動部件與靜止部件之間的密封，靜密封實現相對靜止結構之間的密封，最大可實現水深20m。

圖1 水下機械手總體方案設計

（2）關節傳動結構。關節內部結構如圖2所示采用的電機是直流力矩電機，響應速度快，輸出力矩大，減速器采用諧波類型的，精度高、尺寸小、傳動比大等，互相配合可使關節達到結構緊湊、輸出力矩大、小型化要求。

圖2 關節內部結構

2 工作空間

機械手末端位置范圍是由其工作空間大小決定的，求解串聯機械手工作空間的方法主要有圖解法、蒙特卡洛法和仿真法等。文章從各個方面進行工作空間求解，最后通過對比分析得到各種方法優缺以選擇最適合此機械手的求解方法，并為后續其他機械手求解提供參考。

（1）圖解法。機械手的6個轉動關節，末端位置是由前三個關節確定的，所以用圖解法求解機械手的工作空間，只需要取前三個關節轉角即可。機械手的各個關節在其變化范圍內運動過程中，末端的極限位置形成邊界，邊界內則構成了機械手的作業空間。通常情況下，將一個關節固定，另一個關節運動會產生圓弧，不同的很多段圓弧連接，其內部就形成了工作空間域，如圖3所示。

圖3 機械臂在水平和豎直平面內的運動范圍

（2）蒙特卡洛法。蒙特卡洛法是借助于隨機抽樣解決數學問題的一種數值方法，通過求解機械手運動學正問題，得到機械臂末端在參考坐標系中的位置矢量。

蒙特卡洛法是用隨機函數Rand()來產生N個隨機數，由此產生隨機步長，從而得到關節變量的偽隨機值。根據編寫的程序，運用MATLAB進行仿真，可得到機械手工作空間。

圖4 機械臂在xz和xy平面內的投影圖

（3）仿真法。仿真法是利用Matlab/Simulink工具箱，對機械手建模如圖5所示。SimMechanics模型主要由一個地模塊、6個轉動模塊、6個剛體模塊、6個驅動器模塊、6個關節傳感器模塊和一個關節傳感器模塊組成，其中后5個驅動器模塊封裝成子系統。

具體步驟如下：①建立從手的機構簡圖，并分析各個關節；②根據簡圖在SimMechanics中建模；③為關節添加驅動器、傳感器，設置關節、剛體等各個模塊的參數；④進行仿真和后處理，得到數據及圖形。

當仿真停止后，在Matlab主界面調用Plot3(x,y,z)可得從手的工作空間三維圖（如圖6），通過XY相位圖直接形成x,y平面投影圖（如圖6）.

圖5 仿真模型

圖6 機械手工作空間三維圖和x，y平面投影圖

5 結語

三種求解方法得到的平面圖形一致，圖解法主要是根據前三個連桿位置關系和長度在繪圖軟件上繪制，如果機械手自由度增多會造成很大負擔，所以通常用在自由度較少的機械手工作空間求解上；蒙特卡羅法由從手末端位置坐標，對關節取隨機變量，最后得出關節末端隨機值，由于要用到正運動學求解，所以通常用于求解末端位置易求的串聯機械手；仿真法需要通過對機械手建模及參數設定，仿真和調試比較復雜，若熟練后可對多個自由度的機械手求解工作空間，并且求解時只需要知道機械手的模型及相關參數，建立模型，即可求解，可廣泛應用于各種復雜的機械手。

由于本次設計的機械手，共六個自由度而且求解運動學正問題比較容易，選擇蒙特卡洛法求解速度比較快，所以最優，并且用該方法得到的工作空間內部點分布均勻，無空洞及空腔存在，效果很好。因此文章設計的水下核電站用機械手解決了普通機械手無法在核電站復雜環境下作業的問題，并且運用最優方法快速求解其工作空間。

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［4］劉海濤，楊樂平.空間機器人工作空間研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2011，（8）.

張星星（1990-），女，碩士，助教，主要研究方向：工業機器人。