雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

李彰，吳學(xué)洲，朱性利，汪曼

（1.核動力運(yùn)行研究所，武漢 430200；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430200）

0 引言

核電站的正常安全運(yùn)行是社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)增長的重要保障，而核電站的檢測和維修是確保核電站正常安全運(yùn)行的重要一環(huán)。通常情況下，核電環(huán)境的特殊性使得核電站某個(gè)位置的檢修任務(wù)只能采用專門開發(fā)的特種設(shè)備，然而許多人員步行可達(dá)的地方也有很多檢維修任務(wù)，例如管道焊縫檢測任務(wù)等。針對這些類型的任務(wù)，尤其是在具有輻射的環(huán)境中，由操作人員去完成存在著受輻照的危險(xiǎn)，需要采用具有耐輻照能力的檢修機(jī)器人完成，以減小人員勞動強(qiáng)度和身體損害，提高作業(yè)安全性。

檢維修任務(wù)需要機(jī)器人具有較高的操作靈活度，通用型六軸機(jī)械臂具有三維空間中的三自由度位置可達(dá)和三自由度工具位姿變換能力，可以較大程度再現(xiàn)操作人員的手臂靈活性?？紤]到核電站存在著非結(jié)構(gòu)化和地形復(fù)雜的特點(diǎn)，尤其是核島內(nèi)部管道縱橫交錯(cuò)，障礙物及樓梯較多且空間狹窄，機(jī)器人運(yùn)動空間受到較多限制，機(jī)器人工作環(huán)境較為惡劣，因此實(shí)現(xiàn)高效的通行和可達(dá)性，機(jī)器人平臺需要具備較強(qiáng)的空間移動能力。這種由移動平臺和操作臂組成的機(jī)器人為復(fù)合型機(jī)器人，例如KUKA的小型移動機(jī)械臂[1]、上海大學(xué)的全向移動平臺[2]等，許多機(jī)構(gòu)也對這類機(jī)器人的移動導(dǎo)航、運(yùn)動規(guī)劃、運(yùn)動控制等開展了眾多研究。這種類型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于靈活，極大地?cái)U(kuò)展了固定位機(jī)械臂的作業(yè)范圍和作業(yè)能力，而移動的形式也使得機(jī)械臂的操作無法如工業(yè)機(jī)器人一樣預(yù)先規(guī)劃執(zhí)行。一類需要通過遙操作平臺對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，例如AREVA公司的MCTEO-600，以及在福島核事故中被投入應(yīng)用的PackBot機(jī)器人和核電站作業(yè)機(jī)器人“迷迭香”[3]等；另一類則需要采用視覺方案實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的視覺識別、視覺引導(dǎo)和機(jī)械臂的半自主規(guī)劃[4]。

對于移動式的檢測和維修任務(wù)，許多情況下單條機(jī)械臂不足以完全勝任，需要2條機(jī)械臂協(xié)同操作開展。例如對于需要有一條臂抓持而另一條臂操作的任務(wù)。較為典型雙臂機(jī)器人有ABB的YuMi、安川的CSDA5F、德國DLR的Rollin_Justin[5]、新松的DSCR3等。核電領(lǐng)域因?yàn)闄z維修作業(yè)的復(fù)雜性，對于代替人的雙臂機(jī)器人也有非常多的應(yīng)用場景，例如日本研制的核設(shè)備維護(hù)和檢測雙臂機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程操控可操作質(zhì)量為10 kg的部件，但該機(jī)器人抗核輻射能力較弱且設(shè)備較為笨重，而雙臂重型機(jī)器人ASTACO-SoRa則在福島核事故的清障等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，由于核電領(lǐng)域檢測和維修作業(yè)環(huán)境的特殊性，完成特定任務(wù)的機(jī)器人或者設(shè)備都是單一專門的，少有較為通用的檢維修平臺，移動式操作臂則拓展了固定式機(jī)械臂的作業(yè)距離和領(lǐng)域，具有作業(yè)靈活的特點(diǎn)，而雙臂系統(tǒng)則拓寬了作業(yè)范疇和機(jī)器人的作業(yè)能力。因此本文將針對核電站地形復(fù)雜和輻照的特點(diǎn)，面向通用檢維修任務(wù)，設(shè)計(jì)一套移動式的具有雙機(jī)械臂的檢維修機(jī)器人系統(tǒng)，并對機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂設(shè)計(jì)、控制功能設(shè)計(jì)等進(jìn)行描述，并通過仿真分析對機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的運(yùn)動穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，對雙擺臂式履帶移動平臺進(jìn)行越障規(guī)劃和分析。

1 雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人平臺主要用于滲透檢測、異物夾取、廢物分離轉(zhuǎn)運(yùn)等，針對核電現(xiàn)場地形復(fù)雜和具有輻射的環(huán)境特點(diǎn)、作業(yè)對象及機(jī)器人的功能及特點(diǎn)，機(jī)器人主要包括總控平臺、車載控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、雙機(jī)械臂模塊和移動平臺，機(jī)器人三維模型和系統(tǒng)框架如圖1和圖2所示。

圖1 機(jī)器人三維模型

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)框架圖

雙臂機(jī)械臂采用相向布置，左機(jī)械臂和右機(jī)械臂分別與機(jī)身支架相連，分布于機(jī)身支架的兩側(cè)。總控平臺通過遙桿操控和主從機(jī)械臂遙操作的控制模式對移動平臺和雙機(jī)械臂進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過有線或者無線通信完成控制指令和工具定位命令的實(shí)時(shí)發(fā)送及反饋信號的實(shí)時(shí)傳輸，并將機(jī)器人傳感信息及視覺信號顯示于監(jiān)視器上。

車載控制柜包含了通信模塊、電源模塊、安全模塊等各類控制和電氣模塊。1）用于接收視覺系統(tǒng)反饋來的操作物體的深度和位置信息，發(fā)送給車載控制柜中的機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制模塊生成機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡和控制命令；2）用于接收總控平臺下發(fā)的移動平臺運(yùn)動、雙機(jī)械臂運(yùn)動、云臺運(yùn)動、末端工具執(zhí)行運(yùn)動的控制命令；3）接收視覺系統(tǒng)、機(jī)械臂末端力傳感器、云臺攝像機(jī)等傳感器的反饋信號，發(fā)送給總控平臺實(shí)現(xiàn)反饋信息的實(shí)時(shí)顯示。

移動平臺采用雙擺臂履帶式機(jī)器人，履帶機(jī)器人相比于輪式機(jī)器人具有更強(qiáng)的越障能力，相比于足式機(jī)器人又具有穩(wěn)定和可靠的優(yōu)點(diǎn)，前后擺臂的設(shè)計(jì)不僅展開增加接地面積，還提供了攀爬階梯和樓梯等障礙物時(shí)的支撐作用，能有效提高機(jī)器人移動平臺的綜合性能和越障能力。車體控制模塊位于雙擺臂式履帶移動平臺內(nèi)，通過航插與車體控制柜相連，用于接收車載控制柜下發(fā)的移動平臺和云臺的控制指令，實(shí)現(xiàn)對車體和云臺的運(yùn)動控制。云臺相機(jī)安裝于車載控制柜的上方，通過俯仰和偏航2個(gè)自由度的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人所處環(huán)境和機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時(shí)監(jiān)視和反饋。與此同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的電源由分體式電池模塊提供，該電池模塊安裝于無人移動平臺上，能快拆、快裝和充電。

視覺系統(tǒng)放置于機(jī)身支架的頂部，采用機(jī)器視覺技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)對操作物體的特征識別、深度感知和空間定位，以生成操作物體相對于機(jī)器人的相對位姿關(guān)系，以此為基礎(chǔ)生成機(jī)械臂的作業(yè)運(yùn)動軌跡。

基于以上的系統(tǒng)部件和功能，雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)局部自主和人機(jī)協(xié)同的兩種控制方式，通過視覺系統(tǒng)的識別和運(yùn)動軌跡的生成實(shí)現(xiàn)局部自主，通過總控平臺的操控界面和主從控制手實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同操作，從而適應(yīng)對不同檢修任務(wù)的應(yīng)用需求。

1.2 工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人需要完成滲透檢測和分離轉(zhuǎn)運(yùn)等任務(wù)需求，結(jié)合主從手操作者多為右手慣用者的情況，將機(jī)器人右手設(shè)為主要工作手，左手設(shè)為輔助工作手。

左手主要搭載自適應(yīng)夾持工具，能夠滿足不同類型物件的夾持需求，并配有力傳感器，用于控制和提高輔助工作的柔順性。右手通過安裝法蘭裝配有快換裝置，通過快換裝置機(jī)器人側(cè)和工具側(cè)的釋放與夾緊實(shí)現(xiàn)多種工具的換裝。右手配備的工具主要為模塊化噴剪工具、平動電爪和螺絲電批，其中模塊化噴剪工具由蝸輪蝸桿夾持模塊、按壓模塊、噴罐夾持工具頭、剪具工具頭組成，可實(shí)現(xiàn)噴罐的夾持和噴罐的按壓，更換工具頭后可實(shí)現(xiàn)線纜等的剪切。平動電爪用于實(shí)現(xiàn)擦拭塊和異物等的夾持，以及和左手的協(xié)作作業(yè)。螺絲電批用于實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)逆i緊與拆卸。

2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

圖3 機(jī)器人執(zhí)行工具

機(jī)械臂采用六自由度通用協(xié)作臂的構(gòu)型形式，如圖4所示，其中肩部偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩部俯仰關(guān)節(jié)和肘部俯仰關(guān)節(jié)為三自由度空間定位關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間中的位置可達(dá)，腕部的3個(gè)關(guān)節(jié)組成了三自由度球形關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端在空間中的姿態(tài)變換。整個(gè)機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)的最大臂展為1.2 m，具有8.5 kg的負(fù)載能力。

圖4 六自由度機(jī)械臂構(gòu)型和尺寸

根據(jù)該負(fù)載性能和臂展要求，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)依據(jù)減速器的選型分為17型關(guān)節(jié)、25型關(guān)節(jié)和32型關(guān)節(jié)三類關(guān)節(jié)。根據(jù)構(gòu)型設(shè)計(jì)，肩部的偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)1）和俯仰關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)2）力矩需求最大，為32型關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)3）次之，采用25型關(guān)節(jié)，腕部3個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)4、5、6）需求的輸出力矩較小，采用17型關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)尺寸與質(zhì)量等參數(shù)如表1所示。

表1 3種關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂關(guān)節(jié)是決定機(jī)械臂輸出性能的關(guān)鍵部件，考慮到雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人系統(tǒng)的工作環(huán)境，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)還需考慮耐輻照性能。針對機(jī)械臂關(guān)節(jié)的耐輻照性能，驅(qū)動器和編碼器是兩類敏感易損元件，因此驅(qū)動器采用中空走線的形式進(jìn)行后置處理，而編碼器的關(guān)鍵在于選型。

雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，電動機(jī)驅(qū)動器被集中放置在車載控制柜中，并進(jìn)行了抗輻射加固處理。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)主要包括電動機(jī)、編碼器、減速器和抱閘，在高速端軸上安裝編碼器，為兼顧機(jī)械臂的精度和關(guān)節(jié)耐輻照性能，編碼器采用耐輻射的特種位置傳感器。

圖5 機(jī)械臂關(guān)節(jié)示意圖

2.2 關(guān)鍵器件耐輻照測試

為對關(guān)鍵器件進(jìn)行篩選，并檢驗(yàn)核心部件編碼器的耐輻照能力，采用Co-60 輻射源對編碼器進(jìn)行了耐輻照測試，主要測試編碼器對輻射劑量率的耐受能力和抗輻射總劑量。

圖6 編碼器耐輻射測試布置圖

測試之前，通過驅(qū)動器對電動機(jī)、霍爾傳感器和編碼器組成的電控系統(tǒng)進(jìn)行配置和調(diào)試，霍爾傳感器接于電動機(jī)的高速端，用于換向和速度反饋，編碼器接于電動機(jī)的低速端，用于位置反饋。測試過程，將電動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為300 r/min，使電動機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動器軟件界面的反饋信息監(jiān)視，重點(diǎn)關(guān)注狀態(tài)信息反饋欄中的位置反饋、速度反饋和位置誤差的信息狀態(tài)，以及異常報(bào)錯(cuò)情況。為減少霍爾傳感器對于測試結(jié)果的影響，設(shè)置了對比實(shí)驗(yàn)組，即僅有霍爾傳感器（未配置編碼器反饋）作用的電動機(jī)持續(xù)運(yùn)動實(shí)驗(yàn)組。在測試過程中，設(shè)置了20 Gy/h、50 Gy/h和100 Gy/h的階梯式輻射劑量率測試環(huán)境，用于測試編碼器對于輻射劑量率的耐受程度。經(jīng)過測試，選用編碼器能夠在100 Gy/h輻射劑量率的環(huán)境中正常運(yùn)行一定時(shí)間，因此機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用了該編碼器作為高速端速度和位置反饋元件。

3 總控平臺功能設(shè)計(jì)

總控平臺主要集成控制指令，可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制單元下發(fā)控制指令、接收反饋信息并為操作者提供良好的人機(jī)交互和監(jiān)控界面。圖7所示為加裝主從機(jī)械臂后的機(jī)械臂控制平臺，其主要包括：人機(jī)交互觸摸屏和控制面板。功能實(shí)現(xiàn)主要采用按鈕、手柄、撥碼開關(guān)和觸摸屏組合形式實(shí)現(xiàn)功能和指令下發(fā)，功能分布如圖8所示。主要功能區(qū)包括：1）基礎(chǔ)功能區(qū)。啟動、急停、通信、電量、報(bào)錯(cuò)等基礎(chǔ)功能。2）履帶移動平臺控制區(qū)。主履帶、擺臂履帶、云臺和繞線盤等控制功能。3）機(jī)械臂功能區(qū)。使能、模式、示教、模型顯示等功能。4）機(jī)械臂操控區(qū)。主從手、遙柄等操控功能和機(jī)械臂半自主運(yùn)動啟動功能。5）工具控制區(qū)：機(jī)械夾爪等末端工具的控功能。

圖7 總控平臺控制方案

圖8 總控平臺面板

4 機(jī)械臂運(yùn)動仿真

機(jī)械臂在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的布局靠前，機(jī)器臂整體質(zhì)量較大，為實(shí)現(xiàn)異物夾取和管道焊縫檢測等任務(wù)，機(jī)械臂的運(yùn)動范圍較大，其重心變化對于整個(gè)機(jī)器人的重心變化具有較大影響，重心超出履帶移動平臺的支撐范圍，整個(gè)機(jī)器人會出現(xiàn)傾翻風(fēng)險(xiǎn)。因此本節(jié)將針對管道焊縫檢測任務(wù)，通過仿真分析的方法，計(jì)算機(jī)械臂的重心變化情況。

建立移動平臺的固連坐標(biāo)系{X基座，Y基座，Z基座}，原點(diǎn)位于機(jī)械臂支座質(zhì)心位置，如圖9所示，分別建立機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系{Xn，Yn，Zn}（n=0,1…5），原點(diǎn)位于各關(guān)節(jié)中心，如圖10所示，建立機(jī)械臂末端工具的局部坐標(biāo)系{X6，Y6，Z6}，原點(diǎn)位于機(jī)械臂末端。末端工具相對于移動平臺基座坐標(biāo)系的相對位姿滿足：

圖9 雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人基座固連坐標(biāo)系

圖10 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系

式中，aTb為坐標(biāo)系b相對于坐標(biāo)系a的相對位姿變換過程，包含了位置和姿態(tài)的相對運(yùn)動情況，為關(guān)節(jié)空間的映射函數(shù)，即

根據(jù)管道焊縫的檢測任務(wù)需求，選定直徑為400 mm的管道作為操作對象，針對該對象規(guī)劃多個(gè)管道表面作業(yè)點(diǎn)，作業(yè)點(diǎn)的機(jī)械臂工具期望位姿滿足法線方向垂直于管道表面，作業(yè)點(diǎn)沿管道圓弧表面規(guī)劃。此時(shí)，為保證工具坐標(biāo)系沿著規(guī)劃路徑運(yùn)動，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系需滿足：

式中：（px，py，pz）為作業(yè)點(diǎn)沿管道的軌跡；圓心T6為沿著規(guī)劃的軌跡，工具相對于圓心坐標(biāo)系的相對位姿；基座T圓心為管道圓心相對于機(jī)器人基座坐標(biāo)系的位姿變換，可通過視覺系統(tǒng)識別獲得，因此就建立起關(guān)節(jié)空間與規(guī)劃軌跡的映射關(guān)系，可計(jì)算沿著規(guī)劃軌跡運(yùn)動時(shí)各關(guān)節(jié)的角度變化。

仿真環(huán)境建立如圖11所示，移動平臺、機(jī)械臂支架和2條機(jī)械臂為1個(gè)多體動力學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)上述獲得的關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡在仿真環(huán)境中進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析計(jì)算系統(tǒng)的重心位置變化，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖11 仿真分析環(huán)境

從圖12可知，雙臂在沿著管道軌跡運(yùn)動時(shí)，重心的坐標(biāo)變化不大，x方向和y方向的重心投影均在移動底盤的支撐范圍內(nèi)，小車不會傾覆，而重心變化不大也是因?yàn)橐苿拥妆P的質(zhì)量較大。

圖12 機(jī)器人系統(tǒng)重心變化曲線

5 移動平臺越障姿態(tài)規(guī)劃與測試

移動平臺是重要的承重平臺，面對核島復(fù)雜的地形環(huán)境，也承擔(dān)著通行載體的角色，需要具備較高越障能力。對于雙擺臂式履帶機(jī)器人，其越障能力一方面取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳動系設(shè)計(jì)[6-7]；另一方面取決于越障過程中移動平臺的姿態(tài)調(diào)整[8]，而前后擺臂的加入有效地提高了越障姿態(tài)變換的靈活性。因此，通過障礙物的越障，對雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人的移動平臺進(jìn)行了越障性能測試，測試如圖13所示，此過程中移動平臺還帶有200 kg的負(fù)重，需要越障的障礙物高度為200 mm。

圖13 雙擺臂履帶機(jī)器人階梯越障實(shí)測

此過程中，首先將雙擺臂式履帶機(jī)器人前擺臂擺到合適的位置接近階梯，依靠主履帶和擺臂履帶的攀爬力攀爬上階梯障礙物。當(dāng)雙擺臂式履帶機(jī)器人的重心接近階梯拐角時(shí)，下擺臂下擺以提供足夠的后部支撐力防止機(jī)器人向后傾翻，在重心到達(dá)拐角之前，前擺臂下擺靠近地面，防止由于重心越過階梯拐角使機(jī)器人順時(shí)針翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的機(jī)器人與地面的沖擊力，避免影響傳動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性；然后機(jī)器人主履帶運(yùn)動，前擺臂同步上擺使機(jī)器人的重心下降，當(dāng)機(jī)器人主履帶接觸地面，后擺臂上擺以提供機(jī)器人越下障礙物時(shí)的后部支撐力，促使機(jī)器人平穩(wěn)越障，這個(gè)過程也證明了雙擺臂履帶機(jī)器人作為移動平臺的優(yōu)越越障性能。

6 結(jié)語

本文典型檢測和維修任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一套移動式雙臂協(xié)同檢修機(jī)器人平臺，對機(jī)器人系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、控制框架和工具系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。針對機(jī)械臂設(shè)計(jì)，分別從構(gòu)型設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵元器件輻照測試和篩選幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹。同時(shí)，還介紹了機(jī)器人系統(tǒng)的控制功能和總控平臺的功能設(shè)計(jì)。針對機(jī)械臂在運(yùn)動過程中對于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，通過建立運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)仿真對管道焊縫檢測過程中的重心變化進(jìn)行了分析，驗(yàn)算了機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性。最后，對機(jī)器人系統(tǒng)的承重平臺和移動載體、雙擺臂式履帶機(jī)器人進(jìn)行了越障規(guī)劃，并通過障礙物越障的實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了雙擺臂式履帶機(jī)器人的越障能力，也為機(jī)器人系統(tǒng)的通過性奠定基礎(chǔ)。