核工業(yè)熱室主從遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)

核工業(yè)存在嚴(yán)重放射性介質(zhì)的環(huán)境，遙操作機(jī)器人和機(jī)械臂成為核工業(yè)不可或缺的一種工具。核原料生產(chǎn)和處理中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施為熱室（Hotcell），熱室內(nèi)部環(huán)境相對而言更惡劣，存在極強(qiáng)的輻射活性物質(zhì)及強(qiáng)腐蝕氣氛環(huán)境，因而熱室是主從機(jī)械臂廣泛應(yīng)用的場所。

 

主從機(jī)械臂最早為機(jī)械式主從機(jī)械臂，由德國人發(fā)明。俄羅斯則另辟新徑，采用了自整角電機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)了三關(guān)節(jié)主從機(jī)械臂，采用自整角電機(jī)的作為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從手對主從端動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)遙操作。

 

隨著伺服驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)以及遙操作技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的德國機(jī)械式主從機(jī)械臂以及俄羅斯的自整角電機(jī)隨動(dòng)三關(guān)節(jié)主從機(jī)械臂，正在被基于手柄、串聯(lián)微型指令機(jī)構(gòu)以及Omiga等遙操作人機(jī)交互接口的遙操作模式所取代。

 

1、三關(guān)節(jié)主從機(jī)械臂

 

三關(guān)節(jié)機(jī)械手包括主手、電纜貫穿件、從手和電氣控制柜四大組件。主手與控制柜、電纜貫穿件組對連接，從手與電纜貫穿件的熱室端組對連接。

 

機(jī)械手應(yīng)滿足7個(gè)自由度的要求，機(jī)械手的重心設(shè)置滿足吊裝平衡要求，機(jī)械手設(shè)計(jì)有良好的力反饋系統(tǒng)，能夠防止人因操作失誤帶來電氣及機(jī)械故障。

 

電纜貫穿件作為主臂與從臂之間的鏈接紐帶，主要進(jìn)行主、從臂之間的信號傳遞。電纜貫穿件不僅需要實(shí)現(xiàn)信號傳遞，而且還要實(shí)現(xiàn)對輻射源的隔離和密封。

 

為了減小主端操作者操作過程中的負(fù)荷，降低勞動(dòng)車的勞動(dòng)強(qiáng)度，在控制設(shè)計(jì)時(shí)考慮了力反饋比1:1和1:2兩種模式。

 

結(jié)合動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)聯(lián)合仿真的方式，通過動(dòng)力學(xué)仿真得到機(jī)械手操作工作中的極限載荷，從而將極限載荷參數(shù)加入到靜力學(xué)分析，全面提高機(jī)械手的可靠性和使用壽命。

 

2、德國主從機(jī)械臂

 

德國主從機(jī)械手衍生出了多種變形模式，可以使用各種規(guī)格尺寸的熱室。主要包括三大部件組成，其一是主手（冷手，熱室外）、穿墻管以及從手（熱手，熱室內(nèi)部）。

 

機(jī)械手是核工業(yè)的科研生產(chǎn)必不可少的遠(yuǎn)距離操作工具，其中主從機(jī)械手操作輕便靈活、操作能力較大、適甩范圍廣，目前已經(jīng)成為核工業(yè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是常用的通用機(jī)械手。

 

主從機(jī)械手由操作手把、主動(dòng)臂、穿墻管、從動(dòng)臂、夾鉗及平衡系統(tǒng)等部件組成,，它可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)七個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，包括X向、Y向、Z向三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，方位旋轉(zhuǎn)、夾鉗俯仰、夾鉗扭轉(zhuǎn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和夾緊運(yùn)動(dòng)。

 

某些機(jī)械手同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)X向、Y向和Z向三個(gè)方向的電動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng), 以增大機(jī)械手的操作范圍。

 

3、主從機(jī)械臂主要研制單位

 

除了上述比較常用和通用的熱室主從機(jī)械手之外，還有多種應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域的主從機(jī)械手系統(tǒng)。

 

3.1 法國Getinge La Calhene

 

3.1.1 MT200

 

MT200具有伸縮套管，可拆卸式機(jī)械臂系統(tǒng)，主要用于中型和大型熱室的內(nèi)部操作，是核工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)可以涵蓋所有高性能操作要求的主從機(jī)械臂系統(tǒng)。

 

MT200的最大工作半徑為4米，任意位姿下的復(fù)雜能力為20Kg，豎直提升的能力為80Kg，主臂和從臂都具有7個(gè)自由度，具有與人手相同的自由度，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作運(yùn)動(dòng)。

 

MT200主要有可拆裝主手、穿墻管（密封或者非密封兩種，帶有屏蔽或者輻射防護(hù)結(jié)構(gòu)）、可遠(yuǎn)程要操作從穿墻管上拆裝的從手。根據(jù)使用熱室環(huán)境的不同，穿墻管的密封形式不一樣，主要有兩種安裝和工作模式：

 

第一類安裝模式：MT200通過一個(gè)密封的防護(hù)罩安裝在非密封的穿墻管上，以使得機(jī)械臂系統(tǒng)可以從前面拔出。在這種工作模式下，可伸縮防護(hù)罩可以保證污染的外泄，而且可以實(shí)現(xiàn)從臂從穿墻管內(nèi)部拔出。安裝在可彈射環(huán)上的防護(hù)罩與熱室密封環(huán)的耦合可以保證熱室密閉度。防護(hù)罩同時(shí)也可以保護(hù)從手免受熱室內(nèi)輻射物的污染。這也是MT200最常用的安裝和工作模式。

 

第二種工作模式：在一些特定的工作條件下，諸如溫度較高的熱室，防護(hù)罩不能使用，因此需要改用密封的穿墻管實(shí)現(xiàn)MT200的安裝，此時(shí)從手只能從熱室內(nèi)部安裝和拆卸。在這種情況下，熱室的密閉度是通過密封的穿墻管實(shí)現(xiàn)的。密封的穿墻管可以從熱室外部的冷端拆除，但是需要采取嚴(yán)格的污染泄露預(yù)防措施，也可以從熱室端采用特殊定制的“推-推”工裝完成穿墻管的拆除。從手的安裝可以通過安裝設(shè)施內(nèi)的吊裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)吊裝。當(dāng)然，一個(gè)半密封的防護(hù)罩也可以安裝在從臂上以用來降低污染的影響。

 

3.1.2 MT120

 

MT120主從機(jī)械臂系統(tǒng)以一種伸縮式機(jī)械臂，具有七個(gè)自由度，同樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作運(yùn)動(dòng)。主要用于中型或者大型熱室的密集使用工況而設(shè)計(jì)的，已經(jīng)得到了應(yīng)用驗(yàn)證。作為主要運(yùn)動(dòng)的Ｘ和Ｙ軸的運(yùn)動(dòng)采用了電機(jī)補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)完全平衡，可以改善操作者的舒適度并且增加設(shè)備的工作空間，主要運(yùn)動(dòng)（X和Y軸運(yùn)動(dòng)）通過安裝在手柄上的開關(guān)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)則通過安裝在主手上的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。同樣有短型、中型和長型三種模式可選擇，手鉗的夾持力為12Kg。有兩種版本可供選擇，不可拆卸版本和主手可拆卸版本。其中不可拆卸版本具有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)傳動(dòng)鏈；對于可拆裝版本而言，拆卸和安裝都是比較方便的，可以拆卸為主手部件以及從手和穿墻管部件。

 

兼容的穿墻管直徑為7.5英寸（190.5mm）和10英寸（254mm）。

 

（1）運(yùn)動(dòng)motion（①）作為主要運(yùn)動(dòng)的Ｘ和Ｙ軸的運(yùn)動(dòng)采用了電機(jī)補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)完全平衡，可以改善操作者的舒適度并且增加設(shè)備的工作空間，主要運(yùn)動(dòng)（X和Y軸運(yùn)動(dòng)）通過安裝在手柄上的開關(guān)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)則通過安裝在主手上的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

 

（2）運(yùn)動(dòng)制動(dòng)（②）：運(yùn)動(dòng)制動(dòng)通過安裝在主臂上的三個(gè)機(jī)械臂開關(guān)實(shí)現(xiàn)，主要作用于X、Y和Z軸的運(yùn)動(dòng)。

 

3.1.3 MA30

 

Getinge La

Calhene公司基于之前在核工業(yè)領(lǐng)域主從遙操作機(jī)械臂的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了精簡版的主從遙操作機(jī)械臂MA30，主要用于操作一些比較危險(xiǎn)的材料，尤其具有輻射、劇毒產(chǎn)品以及那些需要保持無菌環(huán)境的產(chǎn)品的操作。MA30是小型熱室和手套箱應(yīng)用的機(jī)械臂的首選。

 

其相對較小的外形尺寸和緊湊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得MA30的操作范圍在很小的空間內(nèi)（2-3m3）。特殊的靈巧性、人體工學(xué)設(shè)計(jì)以及魯棒性使得該機(jī)械臂系統(tǒng)很適合用于核輻射環(huán)境中對小型載荷的操作。MA30的負(fù)載能力為2.5-3.5千克（取決于不同的型號）。

 

MA30 的制造材料采用鋁合金和不銹鋼制造。

 

MA30的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

 

X向（側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)）：±180°；

 

Y向（肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)）：﹢30°/-50°；Y向運(yùn)動(dòng)安裝了一個(gè)機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)±22.5°的角度補(bǔ)償，其運(yùn)動(dòng)通過手柄處的操作開關(guān)實(shí)現(xiàn)；

 

Z向（肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)）﹢30°/-50°；

 

Azimut運(yùn)動(dòng)：±174°；

 

手鉗的俯仰運(yùn)動(dòng)：﹢35°/-135°；

 

手鉗的繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)：±220°；

 

手鉗的加緊/張開手指加持包絡(luò)空間：60/86mm;

 

3.1.4 MA11.80

 

MA11是Getinge La Calhene公司研制的第一套主從遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)。主要用于小型或者中型的熱室，有短型、中型和長型三種型號，柔性的結(jié)構(gòu)形式（從手長度），部分采用平衡裝置，手鉗的可操作負(fù)載為6-7千克（取決于主從手的模式）。

 

主手和從手都具有六個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的操作運(yùn)動(dòng)?；谑褂眯枨螅约癕A11主從機(jī)械手的外形，意味著MA11可以用于熱室和手套箱內(nèi)的工作。密閉度是通過一個(gè)密封的防護(hù)套實(shí)現(xiàn)的（可選用雙層防護(hù)套）。MA11-80是一款非常靈巧的且易于使用，結(jié)實(shí)耐用且可靠性較高負(fù)載能力較強(qiáng)的處從機(jī)械臂系統(tǒng)。Y軸的配重（配重控制安裝在手柄上）可以提供整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)的平衡。MA11-80可以根據(jù)使用需求裝備多種Getinge La Calhene公司研制的多種手鉗。

 

MA11-80采用24伏直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電力通過一個(gè)整流變換箱實(shí)現(xiàn)，輸入為110/220伏交流電壓，提供100W的電力供應(yīng)。一個(gè)電源箱可以用于兩套MA11-80的電力供應(yīng)。

 

3.1.5 MT200 Tao

 

MT200 TAO是從標(biāo)準(zhǔn)的MT200發(fā)展而來的，通過在MT200上集成電力攢動(dòng)謀愛和一個(gè)模擬電氣主手。MT200TAO完全采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算及控制，從而可以為操作者提供完全的反饋信息，該機(jī)械手具有可實(shí)現(xiàn)繞主要軸360度轉(zhuǎn)動(dòng)的能力。由于減低了操作者的疲勞，操作可以增效60-65%。同時(shí)，通過運(yùn)動(dòng)精度的提高進(jìn)一步提高效益20%。由于完全兼容，因此無需更換從手、穿墻管和密封系統(tǒng)就可可以實(shí)現(xiàn)從MT200到MT200Tao的升級。

 

MT200Tao主要有從手、穿墻管、運(yùn)動(dòng)模塊、操作工作站以及多關(guān)節(jié)主手組成。

 

3.1.6 TERMAN TAO

 

TERMAN TAO是全新一代的主從手，主要是將MT200TAO冷端的的操作方式與新一代的從手結(jié)合起來，從而使得TERMAN TAO將很多電腦輔助控制的很多優(yōu)點(diǎn)（力反饋、電氣傳輸和遙操作）和快速且持久耐用的精密從手以及機(jī)器人模塊結(jié)合起來。

 

（1）運(yùn)動(dòng)模塊：TERMAN TAO的運(yùn)動(dòng)模塊和MT200TAO的運(yùn)動(dòng)模塊是完全一樣的，均可以和所有類型的穿墻管兼容。

 

（2）符合人體工學(xué)具有力反饋的工作站：多關(guān)節(jié)主手應(yīng)用了人機(jī)交互技術(shù)。操作的運(yùn)動(dòng)被乘以一個(gè)相似系數(shù)，從而降低需要提升或者移動(dòng)載荷所需的體力，這種補(bǔ)償功能通過集成主手可以很大程度的簡化，病提升人體工學(xué)性能。

 

（3）用于加強(qiáng)操作者安全性的可移動(dòng)工作站：操作者可以通過熱室上的窺視窗通過直接觀察的模式進(jìn)行操作，同樣也可以借助攝像頭在遠(yuǎn)離熱室200米的任意位置進(jìn)行操作，這主要是借助主從手之間的電氣連接實(shí)現(xiàn)的。較遠(yuǎn)的距離意味著輻射劑量的降低。Tao系統(tǒng)（MT200 Tao和TERMAN

Tao）開啟了新的熱室設(shè)計(jì)單元，也許傳統(tǒng)的較大的熱室屏蔽窗將不再需要了。

 

（4）維護(hù)增效：在這個(gè)結(jié)實(shí)耐久且持久的系統(tǒng)的維護(hù)成本中將會(huì)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益：

 

1）TERMAN Tao具有1000小時(shí)的平均無故障時(shí)間（MTBF；

 

2）在核廢物體積方面帶來顯著的減少；

 

3）備件消耗降低；

 

（5）機(jī)器人模塊：不需要力反饋的重復(fù)運(yùn)動(dòng)可以在機(jī)器人模式中通過重現(xiàn)模式實(shí)現(xiàn)，從而降低操作的壓力并且提高速度。重復(fù)運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人與編程的模式或者試教的模式實(shí)現(xiàn)。

 

（6）全新的設(shè)計(jì)：基于一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì)的TERMAN 從手是無繩索形式，僅采用機(jī)械傳動(dòng)的方式，與現(xiàn)有的任意遙操作機(jī)械臂相比可以增強(qiáng)剛度并實(shí)現(xiàn)較長的運(yùn)動(dòng)范圍。

 

（7）優(yōu)越的從手工作空間：由于TERMAN可以到達(dá)熱室的頂部，因此操作被增強(qiáng)。與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主從手相比，其工作區(qū)域被放大三倍。

 

1）伸縮式從手，可伸縮范圍為1480mm-4010mm；

 

2）橫向擺動(dòng)：-255°到﹢255°；

 

3）腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)（Azimut）：-720°-﹢720°；

 

4）夾鉗的無限制轉(zhuǎn)動(dòng)，最大夾鉗開合為90mm（螺旋或者非螺旋模式）；

 

5）最大負(fù)載能力為20Kg（制造商測試數(shù)據(jù)），無運(yùn)動(dòng)限制；

 

6）在一個(gè)與肩關(guān)節(jié)成15度角的錐形工作區(qū)域內(nèi)的末端提升能力為80Kg；

 

3.2德國威利斯米勒WALISCHMILLER

 

3.2.1 A100機(jī)械式主從手

 

伸縮式主從機(jī)械手A100在1963首次被研制，但從被研制以來已經(jīng)歷了無數(shù)次的改進(jìn)、增強(qiáng)和升級。伸縮式主從機(jī)械手的基本原理為：該伸縮式主從機(jī)械臂是一個(gè)由冷臂（主手，放在熱室外），通過穿墻管和熱臂（從手，放在熱室內(nèi)）等三個(gè)子系統(tǒng)組成。至今，該伸縮式機(jī)械臂是一個(gè)革命性的發(fā)展，已成為核工業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于技術(shù)的不斷發(fā)展，基于部分客戶的使用要求以及A100在不同環(huán)境下的使用要求，A100系統(tǒng)具已經(jīng)成為銷售最佳的主從機(jī)械臂操作系統(tǒng)。

 

A100伸縮式主從機(jī)械臂具有以下特點(diǎn)：

 

（1） 主手端機(jī)械臂、從手段機(jī)械臂和以及穿墻管可以快速分離；

 

（2） 基于長期使用的壽命需求而研制，使用壽命長

 

（3） 模塊化設(shè)計(jì)；主手端機(jī)械臂、從手段機(jī)械臂和以及穿墻管模塊化設(shè)計(jì)且可互換。主手端和從手段機(jī)械臂，工具、適配器或夾鉗的互換是任意且無止境的；

 

（4） 主手機(jī)械臂的連接到通過管只有四個(gè)螺栓。所有的配重快和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，以及它們的電氣控制元件，都放置到熱室外；

 

（5） 該機(jī)械臂適合于習(xí)慣于使用右手或者左手操作者；

 

（6） 夾鉗以及伸縮套是很容易更換的，因?yàn)槭褂昧吮Ｗo(hù)套；