李彰，吴学洲，朱性利，汪曼

（1.核动力运行研究所，武汉 430200；2.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430200）

0 引言

核电站的正常安全运行是社会稳定和经济增长的重要保障，而核电站的检测和维修是确保核电站正常安全运行的重要一环。通常情况下，核电环境的特殊性使得核电站某个位置的检修任务只能采用专门开发的特种设备，然而许多人员步行可达的地方也有很多检维修任务，例如管道焊缝检测任务等。针对这些类型的任务，尤其是在具有辐射的环境中，由操作人员去完成存在着受辐照的危险，需要采用具有耐辐照能力的检修机器人完成，以减小人员劳动强度和身体损害，提高作业安全性。

检维修任务需要机器人具有较高的操作灵活度，通用型六轴机械臂具有三维空间中的三自由度位置可达和三自由度工具位姿变换能力，可以较大程度再现操作人员的手臂灵活性。考虑到核电站存在着非结构化和地形复杂的特点，尤其是核岛内部管道纵横交错，障碍物及楼梯较多且空间狭窄，机器人运动空间受到较多限制，机器人工作环境较为恶劣，因此实现高效的通行和可达性，机器人平台需要具备较强的空间移动能力。这种由移动平台和操作臂组成的机器人为复合型机器人，例如KUKA的小型移动机械臂[1]、上海大学的全向移动平台[2]等，许多机构也对这类机器人的移动导航、运动规划、运动控制等开展了众多研究。这种类型机器人的优点在于灵活，极大地扩展了固定位机械臂的作业范围和作业能力，而移动的形式也使得机械臂的操作无法如工业机器人一样预先规划执行。一类需要通过遥操作平台对机器人进行远程控制，例如AREVA公司的MCTEO-600，以及在福岛核事故中被投入应用的PackBot机器人和核电站作业机器人“迷迭香”[3]等；另一类则需要采用视觉方案实现目标的视觉识别、视觉引导和机械臂的半自主规划[4]。

对于移动式的检测和维修任务，许多情况下单条机械臂不足以完全胜任，需要2条机械臂协同操作开展。例如对于需要有一条臂抓持而另一条臂操作的任务。较为典型双臂机器人有ABB的YuMi、安川的CSDA5F、德国DLR的Rollin_Justin[5]、新松的DSCR3等。核电领域因为检维修作业的复杂性，对于代替人的双臂机器人也有非常多的应用场景，例如日本研制的核设备维护和检测双臂机器人，通过远程操控可操作质量为10 kg的部件，但该机器人抗核辐射能力较弱且设备较为笨重，而双臂重型机器人ASTACO-SoRa则在福岛核事故的清障等任务中发挥了重要作用。

综上所述，由于核电领域检测和维修作业环境的特殊性，完成特定任务的机器人或者设备都是单一专门的，少有较为通用的检维修平台，移动式操作臂则拓展了固定式机械臂的作业距离和领域，具有作业灵活的特点，而双臂系统则拓宽了作业范畴和机器人的作业能力。因此本文将针对核电站地形复杂和辐照的特点，面向通用检维修任务，设计一套移动式的具有双机械臂的检维修机器人系统，并对机器人的系统设计、机械臂设计、控制功能设计等进行描述，并通过仿真分析对机器人系统运行的运动稳定性进行验算，对双摆臂式履带移动平台进行越障规划和分析。

1 双臂协同检修机器人总体设计

1.1 系统设计

双臂协同检修机器人平台主要用于渗透检测、异物夹取、废物分离转运等，针对核电现场地形复杂和具有辐射的环境特点、作业对象及机器人的功能及特点，机器人主要包括总控平台、车载控制系统、传感系统、双机械臂模块和移动平台，机器人三维模型和系统框架如图1和图2所示。

图1 机器人三维模型

图2 机器人系统框架图

双臂机械臂采用相向布置，左机械臂和右机械臂分别与机身支架相连，分布于机身支架的两侧。总控平台通过遥杆操控和主从机械臂遥操作的控制模式对移动平台和双机械臂进行远程控制，通过有线或者无线通信完成控制指令和工具定位命令的实时发送及反馈信号的实时传输，并将机器人传感信息及视觉信号显示于监视器上。

车载控制柜包含了通信模块、电源模块、安全模块等各类控制和电气模块。1）用于接收视觉系统反馈来的操作物体的深度和位置信息，发送给车载控制柜中的机械臂实时控制模块生成机械臂的运动轨迹和控制命令；2）用于接收总控平台下发的移动平台运动、双机械臂运动、云台运动、末端工具执行运动的控制命令；3）接收视觉系统、机械臂末端力传感器、云台摄像机等传感器的反馈信号，发送给总控平台实现反馈信息的实时显示。

移动平台采用双摆臂履带式机器人，履带机器人相比于轮式机器人具有更强的越障能力，相比于足式机器人又具有稳定和可靠的优点，前后摆臂的设计不仅展开增加接地面积，还提供了攀爬阶梯和楼梯等障碍物时的支撑作用，能有效提高机器人移动平台的综合性能和越障能力。车体控制模块位于双摆臂式履带移动平台内，通过航插与车体控制柜相连，用于接收车载控制柜下发的移动平台和云台的控制指令，实现对车体和云台的运动控制。云台相机安装于车载控制柜的上方，通过俯仰和偏航2个自由度的运动，实现对机器人所处环境和机器人运动的实时监视和反馈。与此同时，整个系统的电源由分体式电池模块提供，该电池模块安装于无人移动平台上，能快拆、快装和充电。

视觉系统放置于机身支架的顶部，采用机器视觉技术，用于实现对操作物体的特征识别、深度感知和空间定位，以生成操作物体相对于机器人的相对位姿关系，以此为基础生成机械臂的作业运动轨迹。

基于以上的系统部件和功能，双臂协同检修机器人可实现局部自主和人机协同的两种控制方式，通过视觉系统的识别和运动轨迹的生成实现局部自主，通过总控平台的操控界面和主从控制手实现人机协同操作，从而适应对不同检修任务的应用需求。

1.2 工具系统设计

根据双臂协同检修机器人需要完成渗透检测和分离转运等任务需求，结合主从手操作者多为右手惯用者的情况，将机器人右手设为主要工作手，左手设为辅助工作手。

左手主要搭载自适应夹持工具，能够满足不同类型物件的夹持需求，并配有力传感器，用于控制和提高辅助工作的柔顺性。右手通过安装法兰装配有快换装置，通过快换装置机器人侧和工具侧的释放与夹紧实现多种工具的换装。右手配备的工具主要为模块化喷剪工具、平动电爪和螺丝电批，其中模块化喷剪工具由蜗轮蜗杆夹持模块、按压模块、喷罐夹持工具头、剪具工具头组成，可实现喷罐的夹持和喷罐的按压，更换工具头后可实现线缆等的剪切。平动电爪用于实现擦拭块和异物等的夹持，以及和左手的协作作业。螺丝电批用于实现螺钉的锁紧与拆卸。

2 机械臂设计

图3 机器人执行工具

机械臂采用六自由度通用协作臂的构型形式，如图4所示，其中肩部偏转关节、肩部俯仰关节和肘部俯仰关节为三自由度空间定位关节，实现机械臂在空间中的位置可达，腕部的3个关节组成了三自由度球形关节，实现机械臂末端在空间中的姿态变换。整个机械臂可实现的最大臂展为1.2 m，具有8.5 kg的负载能力。

图4 六自由度机械臂构型和尺寸

根据该负载性能和臂展要求，机械臂的关节依据减速器的选型分为17型关节、25型关节和32型关节三类关节。根据构型设计，肩部的偏转关节（关节1）和俯仰关节（关节2）力矩需求最大，为32型关节，肘关节（关节3）次之，采用25型关节，腕部3个关节（关节4、5、6）需求的输出力矩较小，采用17型关节，各关节尺寸与质量等参数如表1所示。

表1 3种关节设计参数

2.1 关节结构设计

机械臂关节是决定机械臂输出性能的关键部件，考虑到双臂协同检修机器人系统的工作环境，机械臂的关节还需考虑耐辐照性能。针对机械臂关节的耐辐照性能，驱动器和编码器是两类敏感易损元件，因此驱动器采用中空走线的形式进行后置处理，而编码器的关键在于选型。

双臂协同检修机器人的关节结构形式如图5所示，电动机驱动器被集中放置在车载控制柜中，并进行了抗辐射加固处理。机械臂的关节主要包括电动机、编码器、减速器和抱闸，在高速端轴上安装编码器，为兼顾机械臂的精度和关节耐辐照性能，编码器采用耐辐射的特种位置传感器。

图5 机械臂关节示意图

2.2 关键器件耐辐照测试

为对关键器件进行筛选，并检验核心部件编码器的耐辐照能力，采用Co-60 辐射源对编码器进行了耐辐照测试，主要测试编码器对辐射剂量率的耐受能力和抗辐射总剂量。

图6 编码器耐辐射测试布置图

测试之前，通过驱动器对电动机、霍尔传感器和编码器组成的电控系统进行配置和调试，霍尔传感器接于电动机的高速端，用于换向和速度反馈，编码器接于电动机的低速端，用于位置反馈。测试过程，将电动机转速设置为300 r/min，使电动机持续转动，通过驱动器软件界面的反馈信息监视，重点关注状态信息反馈栏中的位置反馈、速度反馈和位置误差的信息状态，以及异常报错情况。为减少霍尔传感器对于测试结果的影响，设置了对比实验组，即仅有霍尔传感器（未配置编码器反馈）作用的电动机持续运动实验组。在测试过程中，设置了20 Gy/h、50 Gy/h和100 Gy/h的阶梯式辐射剂量率测试环境，用于测试编码器对于辐射剂量率的耐受程度。经过测试，选用编码器能够在100 Gy/h辐射剂量率的环境中正常运行一定时间，因此机械臂关节采用了该编码器作为高速端速度和位置反馈元件。

3 总控平台功能设计

总控平台主要集成控制指令，可实现对机械臂实时控制单元下发控制指令、接收反馈信息并为操作者提供良好的人机交互和监控界面。图7所示为加装主从机械臂后的机械臂控制平台，其主要包括：人机交互触摸屏和控制面板。功能实现主要采用按钮、手柄、拨码开关和触摸屏组合形式实现功能和指令下发，功能分布如图8所示。主要功能区包括：1）基础功能区。启动、急停、通信、电量、报错等基础功能。2）履带移动平台控制区。主履带、摆臂履带、云台和绕线盘等控制功能。3）机械臂功能区。使能、模式、示教、模型显示等功能。4）机械臂操控区。主从手、遥柄等操控功能和机械臂半自主运动启动功能。5）工具控制区：机械夹爪等末端工具的控功能。

图7 总控平台控制方案

图8 总控平台面板

4 机械臂运动仿真

机械臂在整个机器人系统的布局靠前，机器臂整体质量较大，为实现异物夹取和管道焊缝检测等任务，机械臂的运动范围较大，其重心变化对于整个机器人的重心变化具有较大影响，重心超出履带移动平台的支撑范围，整个机器人会出现倾翻风险。因此本节将针对管道焊缝检测任务，通过仿真分析的方法，计算机械臂的重心变化情况。

建立移动平台的固连坐标系{X基座，Y基座，Z基座}，原点位于机械臂支座质心位置，如图9所示，分别建立机械臂各个关节的局部坐标系{Xn，Yn，Zn}（n=0,1…5），原点位于各关节中心，如图10所示，建立机械臂末端工具的局部坐标系{X6，Y6，Z6}，原点位于机械臂末端。末端工具相对于移动平台基座坐标系的相对位姿满足：

图9 双臂协同检修机器人基座固连坐标系

图10 机械臂各关节局部坐标系

式中，aTb为坐标系b相对于坐标系a的相对位姿变换过程，包含了位置和姿态的相对运动情况，为关节空间的映射函数，即

根据管道焊缝的检测任务需求，选定直径为400 mm的管道作为操作对象，针对该对象规划多个管道表面作业点，作业点的机械臂工具期望位姿满足法线方向垂直于管道表面，作业点沿管道圆弧表面规划。此时，为保证工具坐标系沿着规划路径运动，机械臂各关节坐标系需满足：

式中：（px，py，pz）为作业点沿管道的轨迹；圆心T6为沿着规划的轨迹，工具相对于圆心坐标系的相对位姿；基座T圆心为管道圆心相对于机器人基座坐标系的位姿变换，可通过视觉系统识别获得，因此就建立起关节空间与规划轨迹的映射关系，可计算沿着规划轨迹运动时各关节的角度变化。

仿真环境建立如图11所示，移动平台、机械臂支架和2条机械臂为1个多体动力学系统，根据上述获得的关节运动轨迹在仿真环境中进行动力学仿真，分析计算系统的重心位置变化，仿真结果如图12所示。

图11 仿真分析环境

从图12可知，双臂在沿着管道轨迹运动时，重心的坐标变化不大，x方向和y方向的重心投影均在移动底盘的支撑范围内，小车不会倾覆，而重心变化不大也是因为移动底盘的质量较大。

图12 机器人系统重心变化曲线

5 移动平台越障姿态规划与测试

移动平台是重要的承重平台，面对核岛复杂的地形环境，也承担着通行载体的角色，需要具备较高越障能力。对于双摆臂式履带机器人，其越障能力一方面取决于结构参数与传动系设计[6-7]；另一方面取决于越障过程中移动平台的姿态调整[8]，而前后摆臂的加入有效地提高了越障姿态变换的灵活性。因此，通过障碍物的越障，对双臂协同检修机器人的移动平台进行了越障性能测试，测试如图13所示，此过程中移动平台还带有200 kg的负重，需要越障的障碍物高度为200 mm。

图13 双摆臂履带机器人阶梯越障实测

此过程中，首先将双摆臂式履带机器人前摆臂摆到合适的位置接近阶梯，依靠主履带和摆臂履带的攀爬力攀爬上阶梯障碍物。当双摆臂式履带机器人的重心接近阶梯拐角时，下摆臂下摆以提供足够的后部支撑力防止机器人向后倾翻，在重心到达拐角之前，前摆臂下摆靠近地面，防止由于重心越过阶梯拐角使机器人顺时针翻转导致的机器人与地面的冲击力，避免影响传动结构的稳定性和可靠性；然后机器人主履带运动，前摆臂同步上摆使机器人的重心下降，当机器人主履带接触地面，后摆臂上摆以提供机器人越下障碍物时的后部支撑力，促使机器人平稳越障，这个过程也证明了双摆臂履带机器人作为移动平台的优越越障性能。

6 结语

本文典型检测和维修任务需求，设计了一套移动式双臂协同检修机器人平台，对机器人系统的系统组成、控制框架和工具系统进行了介绍。针对机械臂设计，分别从构型设计、关节结构设计、关键元器件辐照测试和筛选几个方面进行了介绍。同时，还介绍了机器人系统的控制功能和总控平台的功能设计。针对机械臂在运动过程中对于整个机器人系统稳定性的影响，通过建立运动学模型和动力学仿真对管道焊缝检测过程中的重心变化进行了分析，验算了机器人的运行稳定性。最后，对机器人系统的承重平台和移动载体、双摆臂式履带机器人进行了越障规划，并通过障碍物越障的实验测试验证了双摆臂式履带机器人的越障能力，也为机器人系统的通过性奠定基础。