核電站巡檢應急履帶機器人越障分析

李彰，朱性利，吳學洲

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢430200）

0 引言

核電站的安全正常運行是保證社會和經濟安全穩定發展的重要保障，對核電站的巡檢、檢修和發生突發事件時的應急救援非常重要。由于核電站內部存在的輻射會對操作人員的生命安全造成嚴重危害，因此需要采用專用機器人替代人員進入核電站實施各類應急操作。2011年，日本福島核電站發生重大安全事故，反應堆內的核燃料發生融毀，造成了嚴重的核泄漏事故，各種類型的機器人被派入福島核電站內部進行事故的實地勘察和事故后環境輻射劑量的監測，如由iRobot公司生產的Packbot、Warrior履帶移動機器人及日本千葉工業大學的Quince機器人，這些機器人的加入對于探查事故現場和掌握事故后核島的環境情況起到了至關重要的作用。

核電站內部障礙物較多，平臺上存在各類階梯、凸臺和平鋪管線，平臺間以柵格板樓梯相連，核電站事故后的環境更甚之，這些都對機器人的越障能力提出了較高的要求，因此機器人的運動可達性是核電站應急機器人首先需要具備的能力。移動機器人主要有輪式、履帶式和足式等3種形式。輪式移動機器人在平地上具有極高的穩定性和運動效率，但是越障能力稍顯不足，足式移動機器人對于復雜地形則具有與生俱來的適應性，但是足式的穩定性略顯不足，其對于控制技術的要求也相對較高。履帶式移動機器人則兼具了平地的運動效率和復雜地形的通過能力，其在特種機器人領域中被廣泛研究和應用[1-4]。然而，為提高履帶機器人在核電站復雜環境的地形適應性，在設計之初需結合核電站的具體環境進行越障性能分析及越障能力的核驗，許多學者就各類型履帶機器人的越障性能做了大量的相關研究[5-8]。本文將針對核電站環境的關鍵特征，設計一種雙擺臂履帶式機器人，通過不同地形的越障性能分析與核驗，分析履帶機器人對于核電站復雜地形的適應性，并搭建雙擺臂履帶式機器人樣機及其控制系統。

1 履帶機器人模型

針對核電站復雜環境的越障需求，履帶機器人需要克服的主要障礙物為斜坡、階梯和樓梯，其中機器人需要至少能具備跨越200 mm高的垂直障礙物及300 mm寬的壕溝。針對這一環境特點，履帶機器人采用雙擺臂履帶形式，三維模型如圖1所示。在平地移動時將擺臂收起，主履帶在地面可實現前進后退及原地轉彎，運動穩定可靠，當機器人移動平臺需要跨越障礙物及攀爬樓梯時，通過擺臂的擺動來調整機器人的姿態，進而控制機器人移動平臺跨越障礙物及攀爬樓梯。

圖1 核電站應急履帶機器人三維模型

圖1所示的機載機械臂主要用于異物夾取，該機械臂執行機構展開長度為1.2 m，末端負載能力約10 kg，當機器人在平地上機械臂處于完全展開時，機器人工況如圖2所示，機器人受力傾翻計算為：9.8×（10×800+10×200）<9.8×130×600，9.8×（10×890+10×290）<9.8×130×310。

圖2 機器臂展開工況示意圖

通過計算發現，當機器人處于滿負載在上述工況下時，負載產生的轉矩小于機器人自重產生的轉矩，機器人不會發生傾翻現象。

對于履帶機器人上下坡的情況，當機器人在上坡時機械臂處于完全展開的狀態，此時雙機械臂的重心投影會更加靠近主履帶重心位置，故機器人不會發生傾翻。但是，當機器人下坡時雙機械臂的重心遠離主履帶重心，因此需將雙機械臂調整至主履帶后側使重心后移，防止機器人傾翻。機器人在爬越單階梯和爬樓梯的過程中，其幾何形態與爬坡時的完全一樣，因此上階梯和樓梯時機器人不會發生傾翻，下階梯和樓梯時則與下坡時一樣，需將機械臂調整至主履帶后側使重心后移，防止機器人傾翻。因此，只需調整機械臂的位形即可調整機械臂對于履帶機器人重心的影響。

由于履帶機器人在越障時需將機械臂調整至收縮狀態，以使機械臂重心對履帶越障的影響最小，故當機械臂完全處于收縮狀態時，機械臂和履帶機器人本體可簡化為一個整體，重點分析履帶機器人在越障時系統參數對于越障性能的影響。為了獲得此時整機的重心坐標，建立固連于主履帶后輪轂中心的局部坐標系，如圖3所示。其中沿驅動輪與從動輪輪轂中心連線O1O2方向為局部坐標系x軸正方向。整機的重心坐標（l,h）可通過如下公式計算獲得：

圖3 雙臂履帶機器人重心及坐標系定義

其中：m0和m1分別為履帶機器人主體和單擺臂的質量；L為履帶機器人主履帶驅動輪中心距；s為單擺臂履帶輪中心距；s1為單擺臂重心到主履帶驅動輪軸的距離；α和β分別為前后擺臂相對主體機身的轉角。

該履帶機器人的系統參數如表1所示。

2 履帶機器人越障分析

為確認雙擺臂履帶機器人在核電站中的地形適應性，本節主要以階梯、樓梯和溝壑等4種障礙地形為目標，以雙擺臂履帶機器人系統參數對越障能力的影響作為主要分析對象，對于雙擺臂履帶機器人的越障能力和地形通過性進行計算分析，并對履帶機器人的設計提供依據。

2.1 階梯攀爬

當履帶機器人前方障礙物高度小于履帶驅動輪半徑時，機器人平臺驅動底盤擺臂無需做任何的改變，擺臂可處于與主體機身垂直的位置，此時雙擺臂履帶機器人的階梯翻越能力可簡化為機器人主履帶的越障能力分析，如圖4所示。當履帶機器人遇到階梯時，履帶機器人會在履帶與階梯角的支撐力作用下使前輪轂抬起并由履帶運動帶動機器人攀上階梯，直至履帶機器人的重心越過階梯角，機器人會在重心作用下使機器人整體旋轉，前輪轂落于階梯上，而后輪轂離地。

此過程中，履帶機器人與地面間的傾角為γ，障礙物階梯高度為H，則有以下公式：

表1 履帶機器人系統參數

圖4 機器人主履帶越障爬梯示意圖

其中：R為主履帶驅動輪半徑。該函數中R、l、h三者均為已知數，則可繪制出障礙物高度H與機器人底盤傾角γ的關系圖，如圖5所示。

從圖中可以看出，機器人可跨越的障礙物高度經歷了一個隨著機器人機身傾角先增大后減小的過程，其中關鍵拐點為機器人傾角到達45°左右時，可跨越的障礙物高度達到最大125 mm。也就是說，僅憑主履帶運動，該機器人能夠跨越的最大高度為125 mm。障礙物高度過高，即使增加機器人機身傾角，其重心位置也無法越過階梯，也就無法通過重力作用將機器人牽引過障礙物。而且機身傾角過大，機器人容易傾翻。從計算公式也能看到，適當增加機器人主履帶驅動輪半徑R和驅動輪中心距L，可以提高機器人的可跨越障礙物的高度H。

對于僅有主履帶的情況，若階梯高度增加，履帶機器人翻越階梯和重心越過階梯角所需的傾角則會逐漸增加，當階梯高度過高使重心無法越過時，機器人繼續運動就會發生整機傾翻，此時則需要擺臂的協助才能完成任務。具有雙擺臂的履帶機器人攀越階梯的過程可分為4步：1）將前擺臂擺至階梯高度以上，如圖6的姿態A；2）通過前擺臂的順時針翻轉，使機器人主體逐漸被抬起，質心逐漸上升至姿態B；3）逆時針翻轉后擺臂當機器人質心在階梯拐角時順時針翻轉前擺臂至姿態C；4）當機器人繼續前進，促使重心越過階梯角，機器人會繞著階梯角旋轉，使機器人落于階梯上，后擺臂脫離地面，到達姿態D，機器人成功翻越障礙物階梯。在這個過程中，A和C的狀態為機器人越障的兩個關鍵狀態，而C狀態直接決定了機器人能夠跨越的最大高度。

圖5 障礙物高度H與機器人底盤傾角γ的關系示意圖

圖6 機器人跨越障礙物示意圖

1）A狀態：機器人剛觸及階梯。當機器人面對前方的高障礙物可轉動前擺臂，當前擺臂履帶觸及階梯拐角后以前擺臂的驅動力將機器人主體機身拉起，如圖7所示。障礙物的高度越高，前擺臂的轉角越大?？煽缭秸系K物的高度H計算公式為

可跨越障礙物的高度會隨著前擺臂轉角的增加而增加，當前擺臂與水平方向夾角為70°時，可跨越障礙物高度約為400 mm。從式（3）中可知，適當增加單擺臂履帶輪中心距s和主履帶驅動輪半徑R可增加機器人的可跨越障礙物高度。

圖7 機器人接觸階梯的A狀態

2）C狀態：機器人跨越階梯。C狀態中機器人通過后擺臂的轉動將機器人的整機重心抬高到能夠跨越障礙物的高度，為機器人越障的關鍵姿態。此時，機器人與只有主履帶越障時的情況一樣，整機的重心需越過階梯角，通過重力作用使機器人攀越階梯，如圖8所示。

機器人越過障礙物階梯需滿足以下公式：

圖8 雙擺臂機器人跨越階梯關鍵姿態

其中：r為前擺臂履帶從動輪半徑；s為單擺臂履帶輪中心距。以后擺臂與水平地面垂直為極限位置，代入機器人結構參數，可繪制出障礙物高度H與機器人主體機身傾角γ的關系圖，如圖9所示。

與圖5所示的僅有主履帶時的情況相比，具有雙擺臂的履帶機器人的可跨越階梯高度得到了顯著提高，其可跨越的最大障礙物高度可達440 mm，其對應的機身傾角約50°。當障礙物高度大于440 mm時，即使機器人增加機身傾角，其重心位置也無法越過階梯角，也就無法通過重力作用將機器人牽引過障礙物。機身傾角過大，機器人也容易傾翻。從計算公式能看到，適當增加機器人前擺臂履帶從動輪半徑r、單擺臂履帶輪中心距s和驅動輪中心距L，可以提高機器人的可跨越障礙物的高度H。

圖9 障礙物高度H與機器人主體機身傾角γ的關系圖

圖10 高階梯障礙物跨越過程示意圖

除此之外，處于C狀態的機器人可跨越的障礙物高度440 mm大于處于A狀態的機器人可跨越障礙物高度400 mm，僅靠機器人轉動前擺臂去接觸階梯實現440 mm的越障已然無法實現，可以按照圖10所示的運動順序實現較高階梯的初始接觸：先通過后擺臂的運動將機身重心抬升至一個較高的高度，當主履帶接觸階梯角后，后擺臂轉至水平，然后通過后擺臂與主體機身的聯動，再次將機身重心抬高，當重心越過階梯角后，機器人同樣會在重力作用下使機器人攀越過階梯。

2.2 樓梯攀爬

當障礙物階梯為連續階梯時便成為樓梯，機器人攀爬樓梯與跨越障礙物階梯方法一致，其過程如圖11所示。

圖11 樓梯越障示意圖

此過程中，機器人攀爬第一節樓梯與跨越階梯障礙物過程動作一致，當機器人成功跨過第一節樓梯時，保持姿態D，通過履帶在樓梯上以斜坡的形式往上爬行，當到達最后一節臺階時，采用跨越障礙物時的姿態爬上最后一節臺階。

機器人除了應滿足跨越階梯障礙物時的條件外，還應滿足另外兩個條件：1）當后擺臂離開一個臺階時，履帶機器人的整機重心投影應已越過前一個階梯的階梯角，防止機器人因重力作用后傾；2）當前后擺臂靠近地面的履帶端與主履帶共線時，機器人在地面上的運動履帶長度應該大于兩個階梯的連續長度。因此，機器人的越障結構參數應滿足以下公式：

其中：bs和hs分別為樓梯單階梯的深度和高度。以核島環境結果為依據，通過代入機器人的結構參數，發現該履帶機器人機器人滿足所有樓梯的連續攀爬需求。當樓梯每節臺階間隔距離較大無法采用姿態D爬行時，可將樓梯等效為多個障礙物連續攀爬，其能攀爬樓梯的每節高度與樓梯整體角度與跨越階梯障礙物一致。

2.3 溝壑跨越

雙擺臂履帶機器人跨越壕溝障礙物的關鍵在于越障過程中前后擺臂的支撐作用。當機器人在跨越時，首先將前后擺臂旋轉至姿態A，如圖12所示，即前后擺的下段履帶與主履帶共線，此時實際與地面接觸的履帶長度增加。當履帶機器人在跨越溝壑，前擺臂前端剛接觸溝壑另一側及重心剛進入溝壑上方，此時溝壑的寬度是履帶機器人能夠正常越障的最大寬度，即機器人可跨越溝壑的最大跨度W為

圖12 機器人跨越壕溝示意圖

代入履帶機器人參數可知，該機器人可跨越的壕溝最大寬度為575 mm。

3 履帶機器人樣機及其控制系統搭建

針對核電站階梯、樓梯的越障需求，通過雙擺臂履帶機器人的越障分析，圖1所示的履帶機器人能夠滿足核電站的地形通過性要求，因此形成圖13所示的雙擺臂履帶機器人本體，并搭建了圖14所示的核電站應急機器人系統及其控制系統。

圖13 雙擺臂履帶機器人本體

圖14 核電站應急機器人系統

履帶機器人控制系統主要由遙控端、底盤受控端兩部分組成，其中：遙控端控制系統主要由電源、主控板、功能按鍵、無線數據模塊、光纖數據模塊、無線圖傳模塊、光纖圖傳模塊、DVR、液晶驅動板、液晶顯示屏等組成，用于發送控制信息，實現對底盤的遙操作，同時接收底盤回傳的圖像信息、狀態信息，并實時顯示；底盤控制系統主要由電源、主控板、傳感器、照明系統、無線數據模塊、光纖數據模塊、電動機驅動系統、無線圖傳模塊、光纖圖傳模塊、視頻分割器、云臺、手抓攝像頭、車體攝像頭等組成，用于收集圖像信息及車載傳感器信息統一回傳，同時接收遙控端指令并解析，實現底盤運動控制。

4 結論

本文針對核電站巡檢和應急救援情況下對于機器人地形適應性和通過性的要求，設計了具有較強越障能力的雙擺臂履帶機器人，并通過分析系統參數與越障能力的關系，建立了雙擺臂履帶機器人越障性能分析的參數理論模型，對低階梯、高階梯、樓梯和溝壑等多種障礙物環境進行了越障性能研究，結果發現設計的雙擺臂履帶機器人能夠滿足核電站中低階梯、高階梯、樓梯和溝壑等障礙物的越障需求，并搭建了雙擺臂履帶機器人及其控制系統。