核辐射环境下机器人末端快换装置的设计

唐瑞瑞， 刘永霞

（南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001）

0 引 言

在核工业发展过程中，大量核设施和铀矿山将陆续进入退役期，在设计初期并没有系统考虑部分核设施的退役，加上复杂的退役现场环境及放射性核素污染等问题，给退役计划的实施带来极大的挑战。当前,在一些核设施退役和核泄漏场所，发生事故主要是由于采用没有屏蔽装置的机械手或机器人进行有限作业[1]。目前也尚未见我国专门针对核辐射环境中的工程机械进行研究的相关报道。我国核应急司已组织成立了核应急救援队，但还缺乏大型核应急装备[2]。进入21世纪，工业迅速发展，而人力资源越来越匮乏，为满足生产需求，节约生产成本，提高生产效率，各国开始向生产自动化进军[3]。因此，在国内外遥控机器人和普通作业工程装备的研究基础上，结合不同核辐射环境，开展核辐射环境自动换装液压机械手的关键技术研究，通过自动更换工具头可实现对相关物质的夹取、钻孔、切割等作业，避免作业人员暴露于核辐射环境，保障作业人员健康与生命安全，也对提高我国核泄漏和核设施退役安全处理处置能力具有重要的意义[4]。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外对机器人快换装置的研究较早，且技术都是对外保密的，现已经规模化进行生产。1989年，美国ATI公司就已经对机器人末端执行器的快速更换进行了研究，如型号为QC-20的更换器的组成是由一个主盘加一个工具盘。如图1所示，主要是采取气压传动进行锁紧，其载重范围基本满足市场需求[5]。

美国AGI公司研究生产快换装置是通过凸轮式来进行锁紧，在出现故障时，有自动保护功能，具有良好的安全可靠性，且能够更换多种尺寸的工具头，如图2所示。瑞典研究的RSP快换装置，载重范围可达到20～1000 kg之间。

1.2 国内外研究现状

在我国，从事机器人快换装置研究的单位多数是国内的一些高校及研究所，由于起步都较晚，还未形成产业化，且产品的可靠性都较低。2005年，哈尔滨工程大学设计了一种水下机器人的快换装置，是通过油缸锁紧，锁紧方式类似插销，对接时机械臂端与工具端需要具有很高的定位精度，无法良好地实现对接，如图3所示。

2009年，哈尔滨工业大学在机器人快换装置的研究方面取得了一定的进展，可以实现机械臂端与工具端的机械与电气连接，适用于中小型工具，载荷较小[6]。2015年，蒋君等[7]设计研究了机器人一种遥操作的快速更换装置，通过液压马达来提供动力源。此外，沈阳的一家通用机器人公司也设计了一种通过蜗轮蜗杆来进行锁紧的快换装置，其结构复杂，但正是利用了其自锁性能，锁紧较为可靠。

2 快换装置的工作原理

本文所设计的末端快换装置，一端是固定连接在机械臂上，称之为机械臂端，另一端是连接在末端执行器上，称之为工具端[8]。此末端快换装置的两端能够完成机械上的连接与断开。通过完成机械臂端与工具端的的连接与断开，从而实现机械臂与末端执行器的连接与分离，如图4所示。

3 末端执行器更换过程

首先，机器人进入核辐射环境场所后，移动到固定在核辐射环境某处的托架前，托架上提前摆放可实现多种功能的末端执行器，由机器人机械臂提起固定在手臂端的快换装置，移动并且定位到某一个需要使用的工具端，通过人工远程控制系统控制机械臂端固定连接的快换装置与需要的末端执行器进行连接，通过设计的锁紧装置的锁紧模块对其进行锁紧。工具端作业完成后，机器人再次移动至最初摆放多种末端执行器的托架前，再次通过人工远程控制系统控制，将使用完成的末端执行器放置到原始位置，此时锁紧模块松开，断开固定在机器人机械臂端的快换装置与工具端的连接，根据作业需要再更换下一个末端执行器[9]，如图5所示。

4 快换传动的选择

为保证快换装置与末端执行器快速且可靠地完成连接，需要某种传动方式来提供动力源。即确保与机器人的机械臂固定相连的快换装置实现快换内壳与末端执行器上的快换外壳的锁紧与断开。经查阅资料，现有的传动方式分为许多种类，其中液压传动用途比较广泛，在工业中应用也较多，主要是因为液压传动的结构简单、效率较高且成本较低。除了液压传动之外，也有机械传动、电气传动、电子传动、气压传动等主要传动方式。其中气动、液压传动具有成本低、效率高、结构简单等优点，在工业中应用较多。几种主要传动方式的特性如表1所示。

由以上比较可以看出，液压传动具有以下优点：1）液压传动是用油液作为传动介质，构成的元器件润滑条件较为良好；2）较容易实现方向和速度的控制，远程遥控条件较好；3）液压传动的元器件都是标准化且通用化的，便于设计和制造；4）驱动力大、受负载影响小、传动平稳、工作寿命长且成本低；5）工作油液可以通过管道输送，允许液压执行元件和液压泵保持一定距离。

表1 主要传动方式特性比较

当然，液压传动也存在着一定的缺点：一方面，传动系统的效率和工作性能受温度影响，在温度较高或者较低的环境下工作，存在一定的困难；另一方面，油液具有一定的可压缩性，不可避免地有泄漏存在，且油液对污染很敏感，污染后的油液会对元件造成一定的危害。

5 快换装置的设计

该接口采用连杆结构，由连接体、内置液压缸、销轴连接件、锥形卡扣、连杆等5部分组成。连接体由空心圆柱体和上下两个内圆盘焊接而成，液压缸密封于上下两个圆盘之间，圆盘上开有圆孔用于油管通道。销轴连接件与液压缸连接推动连杆，从而带动锥形卡扣伸缩运动。接口上端与不同的工具头通过螺钉进行紧固连接，下端与机械臂通过锥形卡扣进行卡紧，同时下端外圈处设有凸台，与机械臂内圈凹槽进行装配，可以有效分担工具头轴向转动时对锥形卡扣产生的压力，如图6所示。

6 快换装置的使用

快换装置一直是与机器人的机械臂端固定连接在一起，而实现各种功能的工具端则放置于固定在核辐射场所的某处托架上。因作业要求而需要使用某种工具端时，机器人的控制系统会控制与机器人机械臂固定连接的快换装置移动至需要更换末端执行器上端，使快换装置部分与提前放置在固定托架上的末端执行器连接体精准对齐并连接。通过控制系统来控制液压系统推动活塞，使活塞轴向下运动至极限位置，在连杆的牵引作用下，锥形头与末端执行器外壳紧密连接锁紧，完成连接。需要更换其他末端执行器时，控制系统控制液压系统推动活塞使活塞轴向下运动，在连杆的牵引作用下，锥形头与末端执行器的外壳断开连接，完成分离动作。机器人手臂带动快换装置移动至其他末端执行器进行更换。

7 技术要求

设计的机器人快换装置应用于核设施退役场所，由于核环境属于人工不能到达现场的危险环境，在机械臂对末端工具更换时，不能用人工在现场工作，而是需要通过远程遥控来完成机械臂端的快换装置与工具端的锁紧和断开工作。机器人机械臂端快换装置实现与末端工具连接或断开时，需要传递控制信号，再通过接收信号的液压系统推动各个零部件运作，来实现机械臂端与末端执行器的锁紧与断开。快换装置与托架上的末端执行器进行对准连接时，由于是人工远程遥控操作，因此会存在着些许误差。故固定连接在机械臂端的快换装置与末端执行器在通过人工遥控实现对接的过程中需要进行误差补偿。对接过程中，由于快换装置的下降深度、旋转角度及锥形卡扣的卡紧深度等参数都会影响到对接作业，若因为其中某种原因而导致对接失败时，应一直保持快换装置处于锁紧状态，防止机械臂端的快换装置与连接的末端工具断开，从而造成不可预知的危险。

8 结 语

设计不同核辐射环境下机器人末端快换装置，提高了换装效率，并使得同一台机器人可以完成多种操作，具有高可靠性和重复性，提高了工作效率，且该装置结构简单，成本较低。同时避免了作业人员暴露于核辐射环境，保障了工作人员的生命健康，也对提高我国核泄漏和核设施退役安全处理处置能力具有重要的意义。