李彰，朱性利，吳學(xué)洲

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢430200）

0 引言

核電站的安全正常運(yùn)行是保證社會(huì)和經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定發(fā)展的重要保障，對(duì)核電站的巡檢、檢修和發(fā)生突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急救援非常重要。由于核電站內(nèi)部存在的輻射會(huì)對(duì)操作人員的生命安全造成嚴(yán)重危害，因此需要采用專用機(jī)器人替代人員進(jìn)入核電站實(shí)施各類應(yīng)急操作。2011年，日本福島核電站發(fā)生重大安全事故，反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料發(fā)生融毀，造成了嚴(yán)重的核泄漏事故，各種類型的機(jī)器人被派入福島核電站內(nèi)部進(jìn)行事故的實(shí)地勘察和事故后環(huán)境輻射劑量的監(jiān)測(cè)，如由iRobot公司生產(chǎn)的Packbot、Warrior履帶移動(dòng)機(jī)器人及日本千葉工業(yè)大學(xué)的Quince機(jī)器人，這些機(jī)器人的加入對(duì)于探查事故現(xiàn)場(chǎng)和掌握事故后核島的環(huán)境情況起到了至關(guān)重要的作用。

核電站內(nèi)部障礙物較多，平臺(tái)上存在各類階梯、凸臺(tái)和平鋪管線，平臺(tái)間以柵格板樓梯相連，核電站事故后的環(huán)境更甚之，這些都對(duì)機(jī)器人的越障能力提出了較高的要求，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可達(dá)性是核電站應(yīng)急機(jī)器人首先需要具備的能力。移動(dòng)機(jī)器人主要有輪式、履帶式和足式等3種形式。輪式移動(dòng)機(jī)器人在平地上具有極高的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)效率，但是越障能力稍顯不足，足式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)于復(fù)雜地形則具有與生俱來的適應(yīng)性，但是足式的穩(wěn)定性略顯不足，其對(duì)于控制技術(shù)的要求也相對(duì)較高。履帶式移動(dòng)機(jī)器人則兼具了平地的運(yùn)動(dòng)效率和復(fù)雜地形的通過能力，其在特種機(jī)器人領(lǐng)域中被廣泛研究和應(yīng)用[1-4]。然而，為提高履帶機(jī)器人在核電站復(fù)雜環(huán)境的地形適應(yīng)性，在設(shè)計(jì)之初需結(jié)合核電站的具體環(huán)境進(jìn)行越障性能分析及越障能力的核驗(yàn)，許多學(xué)者就各類型履帶機(jī)器人的越障性能做了大量的相關(guān)研究[5-8]。本文將針對(duì)核電站環(huán)境的關(guān)鍵特征，設(shè)計(jì)一種雙擺臂履帶式機(jī)器人，通過不同地形的越障性能分析與核驗(yàn)，分析履帶機(jī)器人對(duì)于核電站復(fù)雜地形的適應(yīng)性，并搭建雙擺臂履帶式機(jī)器人樣機(jī)及其控制系統(tǒng)。

1 履帶機(jī)器人模型

針對(duì)核電站復(fù)雜環(huán)境的越障需求，履帶機(jī)器人需要克服的主要障礙物為斜坡、階梯和樓梯，其中機(jī)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(duì)這一環(huán)境特點(diǎn)，履帶機(jī)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(dòng)時(shí)將擺臂收起，主履帶在地面可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退及原地轉(zhuǎn)彎，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)需要跨越障礙物及攀爬樓梯時(shí)，通過擺臂的擺動(dòng)來調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，進(jìn)而控制機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)跨越障礙物及攀爬樓梯。

圖1 核電站應(yīng)急履帶機(jī)器人三維模型

圖1所示的機(jī)載機(jī)械臂主要用于異物夾取，該機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)展開長(zhǎng)度為1.2 m，末端負(fù)載能力約10 kg，當(dāng)機(jī)器人在平地上機(jī)械臂處于完全展開時(shí)，機(jī)器人工況如圖2所示，機(jī)器人受力傾翻計(jì)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(jī)器臂展開工況示意圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人處于滿負(fù)載在上述工況下時(shí)，負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小于機(jī)器人自重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，機(jī)器人不會(huì)發(fā)生傾翻現(xiàn)象。

對(duì)于履帶機(jī)器人上下坡的情況，當(dāng)機(jī)器人在上坡時(shí)機(jī)械臂處于完全展開的狀態(tài)，此時(shí)雙機(jī)械臂的重心投影會(huì)更加靠近主履帶重心位置，故機(jī)器人不會(huì)發(fā)生傾翻。但是，當(dāng)機(jī)器人下坡時(shí)雙機(jī)械臂的重心遠(yuǎn)離主履帶重心，因此需將雙機(jī)械臂調(diào)整至主履帶后側(cè)使重心后移，防止機(jī)器人傾翻。機(jī)器人在爬越單階梯和爬樓梯的過程中，其幾何形態(tài)與爬坡時(shí)的完全一樣，因此上階梯和樓梯時(shí)機(jī)器人不會(huì)發(fā)生傾翻，下階梯和樓梯時(shí)則與下坡時(shí)一樣，需將機(jī)械臂調(diào)整至主履帶后側(cè)使重心后移，防止機(jī)器人傾翻。因此，只需調(diào)整機(jī)械臂的位形即可調(diào)整機(jī)械臂對(duì)于履帶機(jī)器人重心的影響。

由于履帶機(jī)器人在越障時(shí)需將機(jī)械臂調(diào)整至收縮狀態(tài)，以使機(jī)械臂重心對(duì)履帶越障的影響最小，故當(dāng)機(jī)械臂完全處于收縮狀態(tài)時(shí)，機(jī)械臂和履帶機(jī)器人本體可簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，重點(diǎn)分析履帶機(jī)器人在越障時(shí)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于越障性能的影響。為了獲得此時(shí)整機(jī)的重心坐標(biāo)，建立固連于主履帶后輪轂中心的局部坐標(biāo)系，如圖3所示。其中沿驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪輪轂中心連線O1O2方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系x軸正方向。整機(jī)的重心坐標(biāo)（l,h）可通過如下公式計(jì)算獲得：

圖3 雙臂履帶機(jī)器人重心及坐標(biāo)系定義

其中：m0和m1分別為履帶機(jī)器人主體和單擺臂的質(zhì)量；L為履帶機(jī)器人主履帶驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)輪軸的距離；α和β分別為前后擺臂相對(duì)主體機(jī)身的轉(zhuǎn)角。

該履帶機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

2 履帶機(jī)器人越障分析

為確認(rèn)雙擺臂履帶機(jī)器人在核電站中的地形適應(yīng)性，本節(jié)主要以階梯、樓梯和溝壑等4種障礙地形為目標(biāo)，以雙擺臂履帶機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)對(duì)越障能力的影響作為主要分析對(duì)象，對(duì)于雙擺臂履帶機(jī)器人的越障能力和地形通過性進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 階梯攀爬

當(dāng)履帶機(jī)器人前方障礙物高度小于履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑時(shí)，機(jī)器人平臺(tái)驅(qū)動(dòng)底盤擺臂無需做任何的改變，擺臂可處于與主體機(jī)身垂直的位置，此時(shí)雙擺臂履帶機(jī)器人的階梯翻越能力可簡(jiǎn)化為機(jī)器人主履帶的越障能力分析，如圖4所示。當(dāng)履帶機(jī)器人遇到階梯時(shí)，履帶機(jī)器人會(huì)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(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人攀上階梯，直至履帶機(jī)器人的重心越過階梯角，機(jī)器人會(huì)在重心作用下使機(jī)器人整體旋轉(zhuǎn)，前輪轂落于階梯上，而后輪轂離地。

此過程中，履帶機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)

圖4 機(jī)器人主履帶越障爬梯示意圖

其中：R為主履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑。該函數(shù)中R、l、h三者均為已知數(shù)，則可繪制出障礙物高度H與機(jī)器人底盤傾角γ的關(guān)系圖，如圖5所示。

從圖中可以看出，機(jī)器人可跨越的障礙物高度經(jīng)歷了一個(gè)隨著機(jī)器人機(jī)身傾角先增大后減小的過程，其中關(guān)鍵拐點(diǎn)為機(jī)器人傾角到達(dá)45°左右時(shí)，可跨越的障礙物高度達(dá)到最大125 mm。也就是說，僅憑主履帶運(yùn)動(dòng)，該機(jī)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(jī)器人機(jī)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(jī)器人牽引過障礙物。而且機(jī)身傾角過大，機(jī)器人容易傾翻。從計(jì)算公式也能看到，適當(dāng)增加機(jī)器人主履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑R和驅(qū)動(dòng)輪中心距L，可以提高機(jī)器人的可跨越障礙物的高度H。

對(duì)于僅有主履帶的情況，若階梯高度增加，履帶機(jī)器人翻越階梯和重心越過階梯角所需的傾角則會(huì)逐漸增加，當(dāng)階梯高度過高使重心無法越過時(shí)，機(jī)器人繼續(xù)運(yùn)動(dòng)就會(huì)發(fā)生整機(jī)傾翻，此時(shí)則需要擺臂的協(xié)助才能完成任務(wù)。具有雙擺臂的履帶機(jī)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(tài)A；2）通過前擺臂的順時(shí)針翻轉(zhuǎn)，使機(jī)器人主體逐漸被抬起，質(zhì)心逐漸上升至姿態(tài)B；3）逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)后擺臂當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心在階梯拐角時(shí)順時(shí)針翻轉(zhuǎn)前擺臂至姿態(tài)C；4）當(dāng)機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，促使重心越過階梯角，機(jī)器人會(huì)繞著階梯角旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人落于階梯上，后擺臂脫離地面，到達(dá)姿態(tài)D，機(jī)器人成功翻越障礙物階梯。在這個(gè)過程中，A和C的狀態(tài)為機(jī)器人越障的兩個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，而C狀態(tài)直接決定了機(jī)器人能夠跨越的最大高度。

圖5 障礙物高度H與機(jī)器人底盤傾角γ的關(guān)系示意圖

圖6 機(jī)器人跨越障礙物示意圖

1）A狀態(tài)：機(jī)器人剛觸及階梯。當(dāng)機(jī)器人面對(duì)前方的高障礙物可轉(zhuǎn)動(dòng)前擺臂，當(dāng)前擺臂履帶觸及階梯拐角后以前擺臂的驅(qū)動(dòng)力將機(jī)器人主體機(jī)身拉起，如圖7所示。障礙物的高度越高，前擺臂的轉(zhuǎn)角越大?？煽缭秸系K物的高度H計(jì)算公式為

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

圖7 機(jī)器人接觸階梯的A狀態(tài)

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

機(jī)器人越過障礙物階梯需滿足以下公式：

圖8 雙擺臂機(jī)器人跨越階梯關(guān)鍵姿態(tài)

其中：r為前擺臂履帶從動(dòng)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(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，可繪制出障礙物高度H與機(jī)器人主體機(jī)身傾角γ的關(guān)系圖，如圖9所示。

與圖5所示的僅有主履帶時(shí)的情況相比，具有雙擺臂的履帶機(jī)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(dá)440 mm，其對(duì)應(yīng)的機(jī)身傾角約50°。當(dāng)障礙物高度大于440 mm時(shí)，即使機(jī)器人增加機(jī)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(jī)器人牽引過障礙物。機(jī)身傾角過大，機(jī)器人也容易傾翻。從計(jì)算公式能看到，適當(dāng)增加機(jī)器人前擺臂履帶從動(dòng)輪半徑r、單擺臂履帶輪中心距s和驅(qū)動(dòng)輪中心距L，可以提高機(jī)器人的可跨越障礙物的高度H。

圖9 障礙物高度H與機(jī)器人主體機(jī)身傾角γ的關(guān)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(tài)的機(jī)器人可跨越的障礙物高度440 mm大于處于A狀態(tài)的機(jī)器人可跨越障礙物高度400 mm，僅靠機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)前擺臂去接觸階梯實(shí)現(xiàn)440 mm的越障已然無法實(shí)現(xiàn)，可以按照?qǐng)D10所示的運(yùn)動(dòng)順序?qū)崿F(xiàn)較高階梯的初始接觸：先通過后擺臂的運(yùn)動(dòng)將機(jī)身重心抬升至一個(gè)較高的高度，當(dāng)主履帶接觸階梯角后，后擺臂轉(zhuǎn)至水平，然后通過后擺臂與主體機(jī)身的聯(lián)動(dòng)，再次將機(jī)身重心抬高，當(dāng)重心越過階梯角后，機(jī)器人同樣會(huì)在重力作用下使機(jī)器人攀越過階梯。

2.2 樓梯攀爬

當(dāng)障礙物階梯為連續(xù)階梯時(shí)便成為樓梯，機(jī)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(jī)器人攀爬第一節(jié)樓梯與跨越階梯障礙物過程動(dòng)作一致，當(dāng)機(jī)器人成功跨過第一節(jié)樓梯時(shí)，保持姿態(tài)D，通過履帶在樓梯上以斜坡的形式往上爬行，當(dāng)?shù)竭_(dá)最后一節(jié)臺(tái)階時(shí)，采用跨越障礙物時(shí)的姿態(tài)爬上最后一節(jié)臺(tái)階。

機(jī)器人除了應(yīng)滿足跨越階梯障礙物時(shí)的條件外，還應(yīng)滿足另外兩個(gè)條件：1）當(dāng)后擺臂離開一個(gè)臺(tái)階時(shí)，履帶機(jī)器人的整機(jī)重心投影應(yīng)已越過前一個(gè)階梯的階梯角，防止機(jī)器人因重力作用后傾；2）當(dāng)前后擺臂靠近地面的履帶端與主履帶共線時(shí)，機(jī)器人在地面上的運(yùn)動(dòng)履帶長(zhǎng)度應(yīng)該大于兩個(gè)階梯的連續(xù)長(zhǎng)度。因此，機(jī)器人的越障結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)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(huán)境結(jié)果為依據(jù)，通過代入機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)該履帶機(jī)器人機(jī)器人滿足所有樓梯的連續(xù)攀爬需求。當(dāng)樓梯每節(jié)臺(tái)階間隔距離較大無法采用姿態(tài)D爬行時(shí)，可將樓梯等效為多個(gè)障礙物連續(xù)攀爬，其能攀爬樓梯的每節(jié)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(jī)器人跨越壕溝障礙物的關(guān)鍵在于越障過程中前后擺臂的支撐作用。當(dāng)機(jī)器人在跨越時(shí)，首先將前后擺臂旋轉(zhuǎn)至姿態(tài)A，如圖12所示，即前后擺的下段履帶與主履帶共線，此時(shí)實(shí)際與地面接觸的履帶長(zhǎng)度增加。當(dāng)履帶機(jī)器人在跨越溝壑，前擺臂前端剛接觸溝壑另一側(cè)及重心剛進(jìn)入溝壑上方，此時(shí)溝壑的寬度是履帶機(jī)器人能夠正常越障的最大寬度，即機(jī)器人可跨越溝壑的最大跨度W為

圖12 機(jī)器人跨越壕溝示意圖

代入履帶機(jī)器人參數(shù)可知，該機(jī)器人可跨越的壕溝最大寬度為575 mm。

3 履帶機(jī)器人樣機(jī)及其控制系統(tǒng)搭建

針對(duì)核電站階梯、樓梯的越障需求，通過雙擺臂履帶機(jī)器人的越障分析，圖1所示的履帶機(jī)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(jī)器人本體，并搭建了圖14所示的核電站應(yīng)急機(jī)器人系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。

圖13 雙擺臂履帶機(jī)器人本體

圖14 核電站應(yīng)急機(jī)器人系統(tǒng)

履帶機(jī)器人控制系統(tǒng)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(tǒng)主要由電源、主控板、功能按鍵、無線數(shù)據(jù)模塊、光纖數(shù)據(jù)模塊、無線圖傳模塊、光纖圖傳模塊、DVR、液晶驅(qū)動(dòng)板、液晶顯示屏等組成，用于發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤的遙操作，同時(shí)接收底盤回傳的圖像信息、狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)顯示；底盤控制系統(tǒng)主要由電源、主控板、傳感器、照明系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)模塊、光纖數(shù)據(jù)模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無線圖傳模塊、光纖圖傳模塊、視頻分割器、云臺(tái)、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(tǒng)一回傳，同時(shí)接收遙控端指令并解析，實(shí)現(xiàn)底盤運(yùn)動(dòng)控制。

4 結(jié)論

本文針對(duì)核電站巡檢和應(yīng)急救援情況下對(duì)于機(jī)器人地形適應(yīng)性和通過性的要求，設(shè)計(jì)了具有較強(qiáng)越障能力的雙擺臂履帶機(jī)器人，并通過分析系統(tǒng)參數(shù)與越障能力的關(guān)系，建立了雙擺臂履帶機(jī)器人越障性能分析的參數(shù)理論模型，對(duì)低階梯、高階梯、樓梯和溝壑等多種障礙物環(huán)境進(jìn)行了越障性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的雙擺臂履帶機(jī)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(jī)器人及其控制系統(tǒng)。