唐瑞瑞， 劉永霞

（南華大學機械工程學院，湖南衡陽421001）

0 引 言

在核工業(yè)發(fā)展過程中，大量核設施和鈾礦山將陸續(xù)進入退役期，在設計初期并沒有系統考慮部分核設施的退役，加上復雜的退役現場環(huán)境及放射性核素污染等問題，給退役計劃的實施帶來極大的挑戰(zhàn)。當前,在一些核設施退役和核泄漏場所，發(fā)生事故主要是由于采用沒有屏蔽裝置的機械手或機器人進行有限作業(yè)[1]。目前也尚未見我國專門針對核輻射環(huán)境中的工程機械進行研究的相關報道。我國核應急司已組織成立了核應急救援隊，但還缺乏大型核應急裝備[2]。進入21世紀，工業(yè)迅速發(fā)展，而人力資源越來越匱乏，為滿足生產需求，節(jié)約生產成本，提高生產效率，各國開始向生產自動化進軍[3]。因此，在國內外遙控機器人和普通作業(yè)工程裝備的研究基礎上，結合不同核輻射環(huán)境，開展核輻射環(huán)境自動換裝液壓機械手的關鍵技術研究，通過自動更換工具頭可實現對相關物質的夾取、鉆孔、切割等作業(yè)，避免作業(yè)人員暴露于核輻射環(huán)境，保障作業(yè)人員健康與生命安全，也對提高我國核泄漏和核設施退役安全處理處置能力具有重要的意義[4]。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外對機器人快換裝置的研究較早，且技術都是對外保密的，現已經規(guī)模化進行生產。1989年，美國ATI公司就已經對機器人末端執(zhí)行器的快速更換進行了研究，如型號為QC-20的更換器的組成是由一個主盤加一個工具盤。如圖1所示，主要是采取氣壓傳動進行鎖緊，其載重范圍基本滿足市場需求[5]。

美國AGI公司研究生產快換裝置是通過凸輪式來進行鎖緊，在出現故障時，有自動保護功能，具有良好的安全可靠性，且能夠更換多種尺寸的工具頭，如圖2所示。瑞典研究的RSP快換裝置，載重范圍可達到20～1000 kg之間。

1.2 國內外研究現狀

在我國，從事機器人快換裝置研究的單位多數是國內的一些高校及研究所，由于起步都較晚，還未形成產業(yè)化，且產品的可靠性都較低。2005年，哈爾濱工程大學設計了一種水下機器人的快換裝置，是通過油缸鎖緊，鎖緊方式類似插銷，對接時機械臂端與工具端需要具有很高的定位精度，無法良好地實現對接，如圖3所示。

2009年，哈爾濱工業(yè)大學在機器人快換裝置的研究方面取得了一定的進展，可以實現機械臂端與工具端的機械與電氣連接，適用于中小型工具，載荷較小[6]。2015年，蔣君等[7]設計研究了機器人一種遙操作的快速更換裝置，通過液壓馬達來提供動力源。此外，沈陽的一家通用機器人公司也設計了一種通過蝸輪蝸桿來進行鎖緊的快換裝置，其結構復雜，但正是利用了其自鎖性能，鎖緊較為可靠。

2 快換裝置的工作原理

本文所設計的末端快換裝置，一端是固定連接在機械臂上，稱之為機械臂端，另一端是連接在末端執(zhí)行器上，稱之為工具端[8]。此末端快換裝置的兩端能夠完成機械上的連接與斷開。通過完成機械臂端與工具端的的連接與斷開，從而實現機械臂與末端執(zhí)行器的連接與分離，如圖4所示。

3 末端執(zhí)行器更換過程

首先，機器人進入核輻射環(huán)境場所后，移動到固定在核輻射環(huán)境某處的托架前，托架上提前擺放可實現多種功能的末端執(zhí)行器，由機器人機械臂提起固定在手臂端的快換裝置，移動并且定位到某一個需要使用的工具端，通過人工遠程控制系統控制機械臂端固定連接的快換裝置與需要的末端執(zhí)行器進行連接，通過設計的鎖緊裝置的鎖緊模塊對其進行鎖緊。工具端作業(yè)完成后，機器人再次移動至最初擺放多種末端執(zhí)行器的托架前，再次通過人工遠程控制系統控制，將使用完成的末端執(zhí)行器放置到原始位置，此時鎖緊模塊松開，斷開固定在機器人機械臂端的快換裝置與工具端的連接，根據作業(yè)需要再更換下一個末端執(zhí)行器[9]，如圖5所示。

4 快換傳動的選擇

為保證快換裝置與末端執(zhí)行器快速且可靠地完成連接，需要某種傳動方式來提供動力源。即確保與機器人的機械臂固定相連的快換裝置實現快換內殼與末端執(zhí)行器上的快換外殼的鎖緊與斷開。經查閱資料，現有的傳動方式分為許多種類，其中液壓傳動用途比較廣泛，在工業(yè)中應用也較多，主要是因為液壓傳動的結構簡單、效率較高且成本較低。除了液壓傳動之外，也有機械傳動、電氣傳動、電子傳動、氣壓傳動等主要傳動方式。其中氣動、液壓傳動具有成本低、效率高、結構簡單等優(yōu)點，在工業(yè)中應用較多。幾種主要傳動方式的特性如表1所示。

由以上比較可以看出，液壓傳動具有以下優(yōu)點：1）液壓傳動是用油液作為傳動介質，構成的元器件潤滑條件較為良好；2）較容易實現方向和速度的控制，遠程遙控條件較好；3）液壓傳動的元器件都是標準化且通用化的，便于設計和制造；4）驅動力大、受負載影響小、傳動平穩(wěn)、工作壽命長且成本低；5）工作油液可以通過管道輸送，允許液壓執(zhí)行元件和液壓泵保持一定距離。

表1 主要傳動方式特性比較

當然，液壓傳動也存在著一定的缺點：一方面，傳動系統的效率和工作性能受溫度影響，在溫度較高或者較低的環(huán)境下工作，存在一定的困難；另一方面，油液具有一定的可壓縮性，不可避免地有泄漏存在，且油液對污染很敏感，污染后的油液會對元件造成一定的危害。

5 快換裝置的設計

該接口采用連桿結構，由連接體、內置液壓缸、銷軸連接件、錐形卡扣、連桿等5部分組成。連接體由空心圓柱體和上下兩個內圓盤焊接而成，液壓缸密封于上下兩個圓盤之間，圓盤上開有圓孔用于油管通道。銷軸連接件與液壓缸連接推動連桿，從而帶動錐形卡扣伸縮運動。接口上端與不同的工具頭通過螺釘進行緊固連接，下端與機械臂通過錐形卡扣進行卡緊，同時下端外圈處設有凸臺，與機械臂內圈凹槽進行裝配，可以有效分擔工具頭軸向轉動時對錐形卡扣產生的壓力，如圖6所示。

6 快換裝置的使用

快換裝置一直是與機器人的機械臂端固定連接在一起，而實現各種功能的工具端則放置于固定在核輻射場所的某處托架上。因作業(yè)要求而需要使用某種工具端時，機器人的控制系統會控制與機器人機械臂固定連接的快換裝置移動至需要更換末端執(zhí)行器上端，使快換裝置部分與提前放置在固定托架上的末端執(zhí)行器連接體精準對齊并連接。通過控制系統來控制液壓系統推動活塞，使活塞軸向下運動至極限位置，在連桿的牽引作用下，錐形頭與末端執(zhí)行器外殼緊密連接鎖緊，完成連接。需要更換其他末端執(zhí)行器時，控制系統控制液壓系統推動活塞使活塞軸向下運動，在連桿的牽引作用下，錐形頭與末端執(zhí)行器的外殼斷開連接，完成分離動作。機器人手臂帶動快換裝置移動至其他末端執(zhí)行器進行更換。

7 技術要求

設計的機器人快換裝置應用于核設施退役場所，由于核環(huán)境屬于人工不能到達現場的危險環(huán)境，在機械臂對末端工具更換時，不能用人工在現場工作，而是需要通過遠程遙控來完成機械臂端的快換裝置與工具端的鎖緊和斷開工作。機器人機械臂端快換裝置實現與末端工具連接或斷開時，需要傳遞控制信號，再通過接收信號的液壓系統推動各個零部件運作，來實現機械臂端與末端執(zhí)行器的鎖緊與斷開。快換裝置與托架上的末端執(zhí)行器進行對準連接時，由于是人工遠程遙控操作，因此會存在著些許誤差。故固定連接在機械臂端的快換裝置與末端執(zhí)行器在通過人工遙控實現對接的過程中需要進行誤差補償。對接過程中，由于快換裝置的下降深度、旋轉角度及錐形卡扣的卡緊深度等參數都會影響到對接作業(yè)，若因為其中某種原因而導致對接失敗時，應一直保持快換裝置處于鎖緊狀態(tài)，防止機械臂端的快換裝置與連接的末端工具斷開，從而造成不可預知的危險。

8 結 語

設計不同核輻射環(huán)境下機器人末端快換裝置，提高了換裝效率，并使得同一臺機器人可以完成多種操作，具有高可靠性和重復性，提高了工作效率，且該裝置結構簡單，成本較低。同時避免了作業(yè)人員暴露于核輻射環(huán)境，保障了工作人員的生命健康，也對提高我國核泄漏和核設施退役安全處理處置能力具有重要的意義。