核电站水下作业机械手研究及工作空间分析

5 结语
三种求解方法得到的平面图形一致，图解法主要是根据 前三个连杆位置关系和长度在绘图软件上绘制，如果机械手 自由度增多会造成很大负担，所以通常用在自由度较少的机 图 4 机械臂在 xz 和 xy 平面内的投影图 （3） 仿真法。仿真法是利用 Matlab/Simulink 工具箱， 对机 械手建模如图 5 所示。 SimMechanics 模型主要由一个地模块、 6 个转 动 模块、 6 个 刚 体模块、 6 个 驱 动 器 模 块、 6 个关节 传感 器模块和一个关节传感器模块组成，其中后 5 个驱动器模块 封装成子系统。 具体步骤如下：①建立从手的机构简图，并分 析各个关 节； ② 根 据 简 图 在 SimMechanics 中 建 模 ； ③ 为关 节 添 加 驱 动 器、 传感器， 设置关节、 刚体等各个模块的参数； ④进行仿真和 后处理， 得到数据及图形。 在 Matlab 主 界 面 调 用 Plot3(x,y,z) 可 得 从 当仿真停止后， （如 图 6） 手的 工 作 空间 三 维图 ， 通 过 XY 相 位 图 直 接 形 成 x,y （如图 6） 平面投影图 . 械手工作空间求解上； 蒙特卡罗法由从手末端位置坐标， 对关 由于要用到正运动 节取随机变量， 最后得出关节末端随机值， 仿真 学求解， 所以通常用于求解末端位置易求的串联机械手； 仿真和调试比较复杂， 法需要通过对机械手建模及参数设定， 若熟练后可对多个自由度的机械手求解工作空间，并且求解 时只需要知道机械手的模型及相关参数，建立模型，即可求 解， 可广泛应用于各种复杂的机械手。 由于本次设计的机械手，共六个自由度而且求解运动学 正问题比较容易，选择蒙特卡洛法求解速度比较快，所以最 无空洞及 优， 并且用该方法得到的工作空间内部点分布均匀， 空腔存在， 效果很好。 因此文章设计的水下核电站用机械手解 决了普通机械手无法在核电站复杂环境下作业的问题，并且 运用最优方法快速求解其工作空间。
张星星
1 引言
目前，核 能及 核电 站在 很多 国家所 占 比例 越 来 越高， 特 别是自 1986 年乌克兰切尔克贝利发生核泄漏事故以及 2011 年日本福岛核电站发生核泄漏事故之后。核电站内的关键设 备多处于水下放射中， 可 能 发生 乏 燃料水 池 裂 纹、 孔 洞、 破口 既保 护 了 维修 等， 采 用 机器 人技术 代 替 人 工 来 维 护 和 维修 ， 具有重要意义。其 操作人员的人身安全， 又能提高作业效率， 而我 国也 中美国和日本在核电 站机 器人 研 制方面 发展 最快 ， 越 来 越 受 到研 究 人 员 的 关 注 ， 普 通的 核 电 站 陆 地机 器 人 很 而针对水下作业环境 ， 负 载能 力弱 等 多， 尚 存在 密封 性能 低、 特点。因此文章研 制了 一 种 专门 用于 水下 核 电 站的机械 手， 其关节结构紧凑、 承载能力大。 而 机 械 手 的 末 端 工 作 空 间 对 于 其 作业和 工 作 能 力 扮演 重要 角 色 ， 也是设 计 和研 究 阶段必须 要 考虑 的 因 素。文章 对 几种典型求解方法 进行 实际 运算 对比， 对于 以后 求解 此类工 作空间具有重要意义。 乏燃料 （1） 水下机械手结构方案。在核电站反应堆水池、 水池和构件池水下工 作的机械 手 ， 对密封 性、 材 料、 重量 等 要 重量又 要 轻， 还要 防 辐 求严格， 要求既能满足 水 下深度 要求， 射 。文 章 水 下机 械 手 总 体 方 案 设 计 采 用 的是 模 块 化 关 节 结 可检测 构、 电 机 驱动 、 关节 内密封 ， 每个关 节 配 备 有 编 码 器， 分别 转角信息。如图 1 所示， 整个机械手采用六自由度形式， 臂 旋 转 机构、 腕部摆动 由 腰 部 旋 转关 节 、 大、 小 臂 摆 动 机构、 机 构 和 腕 部 旋 转 机 构 组 成 ， 分 别 为 ±160、 -60~150、 -140~140、 ±180、 -120~120、 ±180。 关 节 密 封 有 动 密 封 实 现 运动部件与静止部件之间 的 密 封， 静密 封 实现 相 对 静止结构 最大可实现水深 20m。 之间的密封，
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2017 年第 9 期
机电技术使用与推广
到机械臂末端在参考坐标系中的位置矢量。 P= Py = -s1 s23 d4 +a2 s1 c2 +a1 s1 Pz -c23 d4 -a2 c2
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣
Px ⎤⎥⎥
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣
图 2 关节内部结构
2 工作空间
求解串 机械手末端位置范围是由其工作空间大小决定的， 联机械手工作空 间的 方法主要有 图 解法 、 蒙特 卡洛 法 和 仿真 最后通 过对 比分 法等。文章从各 个方面 进行工 作 空 间求 解 ， 析得到各种方法优 缺 以 选择最适 合此 机 械 手的求 解 方法 ， 并 为后续其他机械手求解提供参考。 （1） 图解法。机械手的 6 个转动关节， 末端位置是由前三 只需 个 关 节 确定 的， 所 以用图 解 法 求 解 机 械 手 的 工 作 空 间 ， 要取前三个关节转角即可。机械手的各个关节在其变化范围 内运 动过 程 中， 末 端 的 极 限 位置 形 成 边 界 ， 边 界 内则 构 成 了 另一个关 机械手的作业空间。通常情况下， 将一个关节固定， 其 内部 就 形 成 节运 动 会 产生 圆 弧 ， 不同 的 很多 段 圆 弧 连 接 ， 了工作空间域， 如图 3 所示。
第 44 卷第 9 期 Vol.44 No.9
TIMES AGRICULTURAL MACHINERY
时 代 农 机
2017 年 9 月 Sept.2017
核电站水下作业机械手研究及工作空间分析
(上海电机学院 高职学院,上海 200000)
摘 要： 文章通过对核电站水下作业环境分析， 研制了一款用于核电站反应堆和乏燃料 水池水下作业的六自由度 针对此次机械手 机械手。然后分别用图解法、 蒙特拉罗法、 仿真法共三种方法对机械手末端执行器进行工作空间分析， 自由度多 、 正运动学正问题易求解等特点， 经过对比蒙特卡洛法相对来说更快速准确地求解该机械手末端执行器的工 作空间。 关键词： 水下作业机械手； 图解法； 蒙特卡洛法； 仿真法 （2） 关节传动结构。关节内部结构如图 2 所示采用的电机 减速 器采 用 谐波 是直流力矩电机， 响应速 度快， 输 出 力 矩大， 类型的， 精度高、 尺寸小、 传动比大等， 互相配合可使关节达到 小型化要求。 结构紧凑、 输出力矩大、
图 1 水下机械手总体方案设计
（1990-） 工业机 器 作者简介： 张星星 ， 女， 硕士 ， 助教， 主要研究 方向 ： 人。
图 3 机械臂在水平和竖直平面内的运动范围 （2） 蒙特 卡洛法。蒙 特卡洛 法 是 借助 于 随机抽 样 解 决 数 得 学问题的一种数值 方法，通过 求 解 机械 手 运动学 正 问题，
-c1 s23 d4 +a2 c1 c2 +a1 c1 ⎤⎥⎥
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蒙特 卡洛法是 用 随机 函 数 Rand()来产生 N 个 随机 数， 由 根据编写的 此产生随机步长， 从而得到关节变量的伪随机值。 程序， 运用 MATLAB 进行仿真， 可得到机械手工作空间。 图 6 机械手工作空间三维图和 x， y 平面投影图