核應急處理機器人快換裝置

王 偉，唐德文

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

核應急處理機器人的作業范圍和作業效率與機器人操作器密切相關，提高機器人操作器的作業能力和作業效率有多種方法：一是增強臂部的靈活性，實現多角度的轉動；二是為機器人配置工具庫，利用自身所攜帶的工具頭實現快速換接和多種作業；三是在操作器的腕部安裝快換裝置，實現一機多用，減少往返換接時間，提高換接效率[1－3]。目前國內外對自動換接裝置多集中在機械式、液壓式、氣動式以及電動式的研究。薛帥[4]根據快換裝置在國內外的發展及研究現狀提出了一種機器人末端工具頭的快速更換改進方案，采用電機驅動公頭旋轉與控制換裝塊移動相結合的方法，實現工具頭的連接與斷開，該換接方法操作簡單，但是在對接過程中存在位置和姿態方向上的偏差，給工具頭遠程換接增加了難度；西南科技大學[5]設計一款自動換接裝置，采用液壓缸驅動切換機構，帶動外殼上下運動，在彈簧作用下通過鋼珠和錐形槽的結合與分離實現工具頭的換接，該快換裝置具有防故障自動保護功能，保證機器人工具頭更換的柔順性和可靠性；榮莉等[6]設計了一種機器人快速更換裝置，利用杠桿原理通過鎖緊鉤爪松開與閉合來實現工具頭的換接，該裝置結構設計簡單、成本低，適合常規環境下的換接，但是在遠程換接過程中存在對接難；李娜[7]基于工程中快換裝置存在的優缺點，提出一種機器人快換裝置的改進方案，與傳統快換裝置相比，采用碟簧式氣壓切換的方式來實現工具頭與快換裝置的連接與分離，從而提高快換裝置的靈活性和安全性?，F有的快速換接裝置通常用于普通環境下的快速換接，但是在核應急這種特殊的作業環境下并不完全適合，存在遠程對接難和無法遠程操作控制等問題。

本文針對核應急環境設計一款快速換接裝置，運用于小型核應急處理機器人的自身攜帶和遠程快速換接，以提高機器人的應急能力和換接效率。在核應急處理時，由于核電站內部復雜的工況，機器人需要頻繁更換工具頭，以應對不同的作業環境，如挖掘、破碎、剪切等。為此，設計一種應用于機器人的快換裝置，如圖1所示。該快換裝置遠程操作簡單、方便，且可利用自身工具庫攜帶的工具頭實現遠程快速換接，其連接方式如圖2所示。

圖1 快換裝置Fig.1 Quick change device

圖2 破碎剪在快換裝置上的連接Fig.2 The connection of the crushing shear on the quick－change device

1 主要結構及工作原理

1.1 結構組成

本快換裝置采用電磁鎖與液壓驅動相結合的設計方法，其結構主要由快換裝置殼體、電磁鎖、液壓馬達、卡塊、液壓膠管接頭、支撐架、轉盤、齒輪、連接耳、滑塊、連桿、軸、齒輪組成。支撐架和液壓馬達固定在快換裝置內部的底面上，液壓馬達通過齒輪傳動驅動轉盤的轉動，快換裝置端面與連接耳通過焊接固定在一起，卡塊通過底部轉軸與殼體的軸孔相連接，在連桿的帶動下可實現往返擺動?？鞊Q裝置與工具頭的局部視圖如圖3所示，其內部結構如圖4所示。

圖3 快換裝置與工具頭的局部視圖Fig.3 Quick change device and tool head partial view

圖4 快換裝置內部結構Fig.4 Internal structure of quick change unit

1.2 自動對接液壓油路

實現機器人工具頭的遠程快速換接，不僅要求有快速換接的機構，而且還需要相應的液壓控制系統。如圖5所示為快換裝置自動對接液壓油路圖，b為液壓馬達，將液壓泵提供的壓力能轉化為液壓馬達的轉矩輸出；a為溢流閥，當流入到液壓馬達的油壓超過25 MPa時，起到過載保護的作用；c為液控單向閥，即防止核應急機器人在作業過程中油槍發生泄漏，又為機器人在工作中保持恒定油壓[8]；d為單作用二位四通電磁換向閥，用于切換正反向液壓油管之間的油路，使油源e經換向閥和液控單向閥對液壓馬達供油；e為機器人的液壓管路系統的液壓泵；f為油箱；H、G分別為液壓管道正、反向供油孔。

圖5 快換裝置液壓油路Fig.5 Hydraulic circuit diagram of quick change unit

1.3 工作原理

如圖6所示，快換裝置分別與機器人的斗桿和連桿通過轉動副相連接，由搖桿、連桿、快換裝置和斗桿共同構成雙搖桿機構，主動件為搖桿，通過連桿帶動快換裝置從動件繞著與斗桿相連接的鉸點轉動。

圖6 快換裝置連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of quick change device connection

1.3.1 換裝工具頭

當機器人進入核電站內部遇到緊急情況需要更換工具頭時，操作人員通過遠程操作系統控制液壓缸收縮，推動快換裝置凸臺緩慢插入到工具頭的凹槽中（圖3），深度大約為1/2，然后啟動電磁鎖，依靠其產生的強大的吸引力使工具頭沿著快換裝置凸臺的外表面滑入到底部，實現凸臺外表面與工具頭內表面相匹配。此時通過遠程操縱換向閥，驅動液壓馬達轉動，帶動4個卡塊向外轉動與工具頭內部的4個卡塊定位槽相匹配，然后操縱先導閥使主閥回位，斷開快換電磁閥，切斷快換裝置油路，鎖住快換裝置液壓馬達轉動，最后關閉電磁鎖，從而完成工具頭的快速換接。

1.3.2 拆卸工具頭

當需要拆卸工具頭時，通過遠程控制系統接通電磁鎖，保持快換裝置前端與工具頭凹槽底部的預緊力，反向驅動液壓馬達，連桿在滑塊的帶動下拉動卡塊向內部轉動，實現卡塊與卡塊定位槽的分離，最后斷開電磁鎖，實現工具頭與快換裝置的完全分離。

2 模態分析

2.1 建模

快換裝置內部結構比較復雜，且包含許多的零部件，在進行模態分析時，為了方便網格劃分和提高計算效率，應對結果影響較小的內部構件進行簡化，在三維軟件Solidworks中建立簡化模型，如圖7所示。

圖7 快換裝置簡化模型Fig.7 Simplified model of quick change device

通過Solidworks與ANSYS響應接口將簡化模型導入到Ansys中。為了提高快換裝置的耐摩擦性，材料選用為Q345B，密度ρ＝7.85×103kg/m3，彈性模量E＝206 GPa，泊松比μ＝0.28，添加快換裝置的材料屬性，并對其進行網格劃分，如圖8所示。

圖8 快換裝置網格劃分Fig.8 Quick change device grid division

2.2 模態分析

根據經典力學理論可知，物體的通用動力學方程可以表示為[9]：

無阻尼模態分析，動力學方程為：

將位移正弦函數x=xsin(ωt)代入上式得：

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為位移矢量；{F(t)}為力矢量；為速度矢量；為加速度矢量；ω為自振圓頻率。

對快換裝置進行前6階的模態分析，得到各階固有頻率及振型，如圖9所示。

圖9 快換裝置各階固有頻率及振型Fig.9 The natural frequency and mode of vibration of the quick－change device

通過對快換裝置進行前6階的模態分析，得到相應固有頻率和振型描述，如表1所示。

模態分析用于分析結構的自振頻率特征，包括固有頻率和振型。在模態分析中一階固有頻率決定了結構的剛度，因此快換裝置的一階固有頻率越高，剛度越好，越不容易發生共振。機器人的激振主要來源于以下兩個部分：一是與快換裝相連接的液壓工具頭引起的振動；二是發動機高速旋轉產生的振動。由電機的激振頻率公式可知：

式中：f為激振頻率；n為電機轉速；δ為上下浮動誤差。

本文選取的電動機轉速為6 000 r/min，δ取50，得到電機的激振頻率為f＝200±1.67 Hz，與快換裝置一階固有頻率相比，激振頻率遠小于1 198.1 Hz，快換裝置比較安全，不會產生共振。與快換裝置相連接的液壓工具頭各不相同，以液壓沖擊錘為例，其沖擊速度為650~1 150次/min，產生的沖擊頻率為10.8~19.2 Hz，小于快換裝置一階固有頻率，不會引起共振。

3 結束語

該快換裝置的設計采用了電磁鎖與液壓驅動相結合的方法，實現了工具頭的遠程控制和快速換接，其設計結構和換接方法為遠程對接降低了難度，解決了現有的快換裝置遠程對接難的問題。通過對快換裝置的前6階模態分析，得到各階固有頻率及振型，與機器人主要的激振頻率相比，其一階頻率更高，剛度更好，不會產生共振現象，為防止機器人在作業中共振的產生提供了一種分析方法，但是由于本文采用的電磁鎖在進行輔助對接時，產生的吸引力與所施加的電流的大小、吸盤的表面積等因素有關，對于體重較大的工具頭進行遠程換接并不適合，具有一定的局限性，因此本文的快速換接裝置的結構設計存在一定的改進空間。