楊 瑞，張秋菊，張元昕

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，無錫 214122）

0 引言

自從上世紀九十年代啟動軍用核設(shè)施退役和放射性廢物治理以來,我國在核設(shè)施退役治理以及歷史遺留放射性廢物處理方面取得了一定的成績。由于相當一部分退役工作難點集中在輻射水平高、空間受限的工作場所,因此國內(nèi)外研究者在利用機器人進行核設(shè)施的退役工作上做了大量的研究并取得了一些成果。代表性的有VUJE公司為捷克A-1核電站退役工作研發(fā)的MT-80型機器人,適用于高輻射環(huán)境內(nèi)的退役任務,主要包括拆卸設(shè)備、切割管道、回收廢物等[1]。此外,還有德國的EMSM系列,美國的SAMSIN,法國的MA23-SD系列等[2,3]。在國內(nèi),西南科技大學的特殊環(huán)境技術(shù)四川省重點實驗室成立了特殊環(huán)境機器人實驗室,在核環(huán)境下的偵測、核退役機器人的研究上取得了一定的成果。

機器人進入到設(shè)備室內(nèi)開展核設(shè)施退役工作時,由于遠程遙操作存在時延影響,工作效率低,因此需要對機器人規(guī)劃出一種自主作業(yè)的算法,根據(jù)作業(yè)環(huán)境與作業(yè)對象的特征,高效合理地開展作業(yè)[4]。戰(zhàn)茜[5]等提出一種移動機器人的自主抓取作業(yè)方法,可以使機器人自適應的生成自主作業(yè)路徑和位姿。趙加龍[6]等提出機器人末端路徑點算法生成了機器人的環(huán)切路徑,完成了隧道切割的仿真。肖治琥[7]提出了一種自主作業(yè)算法,并應用到了深水機械手的控制中,實現(xiàn)了自主作業(yè)。但其中一些規(guī)劃算法比較復雜,應用到核退役場所仍有一定的局限性,因此仍需做進一步的研究。

針對核設(shè)備室內(nèi)退役工程,實現(xiàn)對內(nèi)部不同特征管道的有效拆解,通過伸縮筒+機器人實現(xiàn)定位和拆解,并且基于該機器人,對管道拆解作業(yè)進行分析,提出了自主拆解作業(yè)規(guī)劃的策略和自適應管道切割算法。通過該算法,可以生成機器人拆解管道的系列定位點與切割軌跡,實現(xiàn)自主作業(yè),同時也極大地提高了作業(yè)效率。

1 機器人運動學模型

本文研究的自主拆解作業(yè)機器人為自主設(shè)計的、第5軸為平移關(guān)節(jié)的6自由度串聯(lián)式機械臂,平移關(guān)節(jié)變化范圍為0～120mm。機器人基座固定在伸縮筒上,腕部搭載有雙目相機,賦予了機器人視覺感知功能。根據(jù)機器人機械結(jié)構(gòu),采用D-H參數(shù)法[8]建立各關(guān)節(jié)坐標系,確定各關(guān)節(jié)初始位置?？紤]到機器人的作業(yè)類型,將機器人第5軸平移關(guān)節(jié)作為外部軸單獨控制,所以機器人為5個旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動+1個外部平移軸。機器人運動學模型如圖1所示。

圖1 機器人運動學模型

2 自主拆解作業(yè)規(guī)劃

本文所研究的機器人自主拆解作業(yè)規(guī)劃是用于核設(shè)備室內(nèi)管道的退役工程,因此,首先對設(shè)備室內(nèi)退役工作的環(huán)境與任務需求進行分析。

2.1 退役工作環(huán)境與任務需求分析

機器人遠程控制拆解可分為垂直接近和水平接近兩種接近路徑[9]。本文研究中的設(shè)備室是處于地下無窺視窗的密閉屏蔽室。拆解的對象為設(shè)備室內(nèi)部有強放射性的圓柱形不銹鋼管道,絕大多數(shù)管道直徑在32mm以下,一般不大于57mm。伸縮筒搭載機器人從設(shè)備室頂部蓋板口下方的無障礙通道進入,由垂直方向接近進行拆解,拆解工具為鋸片切割機,鋸片直徑為100mm,如圖3所示。由于機器人的操作端位于150米外,時延大,效率低,因此,需要對機器人進行自主拆解作業(yè)規(guī)劃。

圖2 鋸片切割機模型圖

2.2 自主拆解作業(yè)策略

為實現(xiàn)高效的機器人自主拆解作業(yè)規(guī)劃,本文提出一種自主拆解作業(yè)策略,以設(shè)備室內(nèi)管道為拆解對象,將拆解作業(yè)規(guī)劃為四個子任務,如圖3所示。

圖3 自主拆解作業(yè)策略框圖

機器人在進入設(shè)備室后調(diào)整姿態(tài),利用雙目相機自主搜尋作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對象,獲取其位置信息,然后通過自主定位算法生成定位點,并根據(jù)作業(yè)環(huán)境約束條件規(guī)劃出機器人任務空間內(nèi)一條無碰撞的到達路徑；到達定位點后根據(jù)切割對象的特征信息,生成自適應切割路徑和姿態(tài),切割完成后,自動返回起始點。

1）在自主搜尋時,機器人以特定的位姿和軌跡對當前周圍環(huán)境信息進行探測,為避免作業(yè)時與其他管道發(fā)生碰撞,作業(yè)對象選取當前距離機器人最近的管道,并獲取其位置和姿態(tài),進行坐標轉(zhuǎn)換。過程如圖4所示。

圖4 自主搜尋

2）在自主定位時,機器人通過所獲取的管道位姿,通過算法生成管道附近的作業(yè)點,首先通過伸縮筒調(diào)整機器人整體高度對齊管道,然后以直線路徑徑直靠近到達定位點,提取管道的幾何特征。過程如圖5所示。

圖5 自主定位

3）在自適應切割時,為保證機器人能夠完整的對管道進行切割,通過后文提出的自適應管道切割算法完成作業(yè)。過程如圖6所示。

圖6 自動切割

4）切割完成后,機器人按照自主定位時的路徑自動返回起始點,將第一個工作點沿管道方向平移一定距離,作為第二次切割作業(yè)點,如此反復循環(huán)。由于機器人每次都是從初始點到達切割作業(yè)點,避免了單次切割作業(yè)點之間的轉(zhuǎn)移,因此可以有效的避免碰撞發(fā)生。

2.3 自適應管道切割規(guī)劃算法

針對機器人管道切割的實際工況,本文還提出了一種自適應管道切割規(guī)劃算法（Adaptive Pipe Cutting Planning）,下文簡稱為APCP算法。該算法可實現(xiàn)對不同管道生成適合的作業(yè)軌跡。

1）首先對機器人獲取的圖像信息進行處理,獲取待切割管道的三維特征信息和位姿狀態(tài)。

2）計算作業(yè)起始點,為從管道的中心位置向外偏置管道半徑+預留距離。

3）根據(jù)設(shè)定的管道直徑閾值進行判斷,對于小于管道直徑閾值的管道,采用平切方式切割,大于則采用兩段式切割。

4）在依靠伸縮臂的平切式切割中,根據(jù)管道直徑確定機器人水平切割深度（管道直徑+預留值）；在兩段式切割中,根據(jù)管道直徑,由算法生成上下方兩個切割中間點,計算“半圓轉(zhuǎn)移路徑”LC,為經(jīng)過管道下方中間點,起始點和上方中間點三個點的半圓,并在上下中間點進行切割。兩種方法綜合可實現(xiàn)對所有管道的自適應切割。

APCP算法流程框圖如圖7所示。

圖7 APCP算法流程圖

下面以直徑大于閾值的管道切割為例來說明APCP算法的原理。

1）通過圖像處理獲取管道的特征參數(shù)和位姿,示意圖如圖8所示,該模型可以表示為：

圖8 管道特征和位姿

式(1)中(x0,y0,z0)為管道切割面中心點坐標；

d為管道直徑；

θ為管道軸向相對于相機畫面水平方向的旋轉(zhuǎn)角。

圖9 a點位置示意圖

切割深度根據(jù)鋸片和管道兩個圓的幾何關(guān)系得出,幾何關(guān)系如圖10所示,切割深度為：

圖10 兩段式管道切割深度示意圖

式(3)中R表示鋸片半徑。

4）通過與管道直徑閾值比較,采用兩段式切割路徑規(guī)劃算法。如圖11(a)～圖11(f)為切割路徑規(guī)劃示意圖：機器人首先根據(jù)模型參數(shù)旋轉(zhuǎn)角θ,調(diào)整末端使鋸片與管道保持正交狀態(tài)。從作業(yè)起始點a開始,首先通過“半圓轉(zhuǎn)移路徑”到達b點,然后從底部開始切割管道,切割深度為d2,完成后回到b點,再經(jīng)由“半圓轉(zhuǎn)移路徑”轉(zhuǎn)移到c點,從頂部開始切割,采用同樣的切割深度,切割完成后回到c點。

圖11 管道切割路徑規(guī)劃示意圖

至此,采用兩段式切割的APCP算法生成的切割軌跡已經(jīng)完成,而對于采用平切方式切割管道,只需給出鋸片在x軸方向的切割深度即可,并加上容差值d1/3,如圖12所示。數(shù)學模型表示為：d3=d+d1+d1/3。

圖12 平切式管道切割深度示意圖

3 自主拆解作業(yè)仿真分析

仿真分析采用MATLAB Robotics toolbox對機器人建模,機器人模型如圖13所示。應用本文提出的自主拆解作業(yè)策略和APCP算法,規(guī)劃出笛卡爾空間機器人的運動軌跡和切割軌跡,以驗證自主拆解作業(yè)規(guī)劃的合理性。

圖13 機器人模型圖

1）自主搜尋

機器人以初始狀態(tài)開始,調(diào)整為搜尋狀態(tài),起始關(guān)節(jié)角為theta_S=[0,135,-135,-90,0,0],終止關(guān)節(jié)角為theta_D=[360,135,-135,-90,0,0],通過對機器人腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的控制,實現(xiàn)相機繞基坐標系環(huán)視一周,以獲取附近的環(huán)境信息,如圖14表示機器人的末端運行軌跡。

圖14 自主搜尋軌跡仿真圖

2）自主定位

首先根據(jù)獲取到的作業(yè)對象在設(shè)備室內(nèi)的高度信息,調(diào)整伸縮筒使得機器人末端高度與管道一致。然后,假設(shè)相機獲取到最近的管道的特征參數(shù)與位姿有兩種情況,管道直徑為小于閾值的P1=[1.5,0.25,0.75,0.020,0],和管道直徑大于閾值的P2=[1.5,0.25,0.75,0.040,0]。在靠近階段所生成的a點和靠近軌跡如圖15所示。

圖15 自主定位軌跡仿真圖

3）自適應切割

在進行自適應切割時,由CPAP算法對機器人的末端運動路徑進行規(guī)劃,對于管道P1,a點坐標a=[1.46,-0.25,0.75],采用平切式切割方式切割,切割深度為d3=d+d1+d1/3=60mm。

切割過程僅需要控制機器人的伸縮臂伸出即可完成平切,生成的切割軌跡如圖16所示,機器人末端的位置變化曲線如圖17所示。

圖16 平切式切割階段軌跡仿真圖

圖17 平切時末端位置變化曲線

對于管道P2,采用兩段式切割方式切割,根據(jù)a點,由算法生成兩個中間點b=[1.5,-0.25,0.79],c=[1.5,-0.25,0.79]和“半圓轉(zhuǎn)移路徑”LC,LC圓心O坐標為[1.5,0.25,0.75],直徑為d+2d1,為經(jīng)過a,b,c三點的半圓弧,如圖18(a)所示。從b點開始切割,切割深度：

相應的切割路徑如圖18(b)所示。

圖18 兩段式切割階段軌跡仿真圖

在切割完成后返回b點,經(jīng)由LC路徑轉(zhuǎn)移至c點,在此過程中機器人末端的位置變化曲線如圖19所示。

圖19 b-c間末端位置變化曲線

由c點開始切割仿真效果與b點效果相同,仿真過程略。在c點處切割完成后,機器人返回到起始點再到達下一切割作業(yè)點。

通過以上仿真可以看出,針對給出的兩種不同特征的管道,本文提出的自主拆解作業(yè)策略和APCP算法,可以生成機器人的自主作業(yè)路徑,對兩種特征的管道進行不同的切割方式。實驗結(jié)果可以很好的驗證本文提出的自主拆解作業(yè)策略和APCP算法的合理性與可行性。

4 結(jié)語

本文針對自主設(shè)計的核環(huán)境下六自由度機器人在設(shè)備室內(nèi)的退役拆解工作,提出了一種自主拆解作業(yè)策略和自適應管道切割算法（APCP算法）,使機器人在設(shè)備室內(nèi)自主搜尋作業(yè)目標,自主定位,并根據(jù)管道的基本特征生成自適應的管道切割路徑。在MATLAB中進行的仿真分析結(jié)果表明,該策略與算法能夠可靠實現(xiàn)。研究結(jié)果對核環(huán)境下機器人的自主作業(yè)提供了參考意義。