核环境下探测机器人机械臂的结构分析与优化

高伟亚，刘满禄，张俊俊，张 华

（西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川 绵阳 621010）

1 引言

在核应急工作中，经常由机器人携带侦测设备代替人类完成一些高危环境的工作。目前已经有一些国家在核环境机器人研究上取得很大进步，例如福岛核事故中，通过PackBot等机器人进入人类无法进入的区域进行辐射剂量侦测，环境调研，为制定处理计划提供有效依据[1]。目前对于地表面的侦测较为有效，但是在深入地下的核环境，机器人不仅行走困难而难以到达，且机械臂负载能力较小，无法完成指定的工作任务。

针对这类狭窄入口地下辐射空间，设计了一个由车体携带大型伸缩机构和机械臂的机器人，如图1所示。通过遥操作进入厂房，利用伸缩机构将携带的机械臂及末端探测仪器，穿过地面方孔，进入地下空间进行危险环境的侦测工作。这套系统，由于地面开孔尺寸小和探测仪器种类限制，即要求机械臂横截面小，但末端负载要求又大，必须对机械臂进行优化设计来满足复杂的要求。本研究对机械臂进行了动力学分析，明确危险工况的优化目标，通过ANSYS对臂体进行静力分析得出机械臂的静力学特性，以此为依据设计轻量化参数，通过目标驱动优化分析进行设计，结果表明，优化的结构减小了机械臂臂体的质量，提高了机械臂的负载能力，达到了预期的目标。

图1 机器人工作示意图Fig.1 Robot Working Diagram

2 机械臂动力学分析

通过SolidWorks对机械臂虚拟样机设计，为了适应工况要求，机械臂整体设计为悬挂式，共六个关节，末端处安装工作需要的探测仪器。……