核工業熱室主從遙操作機械臂系統

核工業存在嚴重放射性介質的環境，遙操作機器人和機械臂成為核工業不可或缺的一種工具。核原料生產和處理中廣泛應用的基礎設施為熱室（Hotcell），熱室內部環境相對而言更惡劣，存在極強的輻射活性物質及強腐蝕氣氛環境，因而熱室是主從機械臂廣泛應用的場所。

 

主從機械臂最早為機械式主從機械臂，由德國人發明。俄羅斯則另辟新徑，采用了自整角電機隨動系統開發了三關節主從機械臂，采用自整角電機的作為隨動控制系統，實現從手對主從端動作的復現，從而實現遙操作。

 

隨著伺服驅動及控制技術以及遙操作技術的發展，傳統的德國機械式主從機械臂以及俄羅斯的自整角電機隨動三關節主從機械臂，正在被基于手柄、串聯微型指令機構以及Omiga等遙操作人機交互接口的遙操作模式所取代。

 

1、三關節主從機械臂

 

三關節機械手包括主手、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。

 

機械手應滿足7個自由度的要求，機械手的重心設置滿足吊裝平衡要求，機械手設計有良好的力反饋系統，能夠防止人因操作失誤帶來電氣及機械故障。

 

電纜貫穿件作為主臂與從臂之間的鏈接紐帶，主要進行主、從臂之間的信號傳遞。電纜貫穿件不僅需要實現信號傳遞，而且還要實現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荷，降低勞動車的勞動強度，在控制設計時考慮了力反饋比1:1和1:2兩種模式。

 

結合動力學和靜力學聯合仿真的方式，通過動力學仿真得到機械手操作工作中的極限載荷，從而將極限載荷參數加入到靜力學分析，全面提高機械手的可靠性和使用壽命。

 

2、德國主從機械臂

 

德國主從機械手衍生出了多種變形模式，可以使用各種規格尺寸的熱室。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，熱室內部）。

 

機械手是核工業的科研生產必不可少的遠距離操作工具，其中主從機械手操作輕便靈活、操作能力較大、適甩范圍廣，目前已經成為核工業行業的標準設備，是常用的通用機械手。

 

主從機械手由操作手把、主動臂、穿墻管、從動臂、夾鉗及平衡系統等部件組成,，它可以手動實現七個獨立運動，包括X向、Y向、Z向三個直線運動，方位旋轉、夾鉗俯仰、夾鉗扭轉三個旋轉運動和夾緊運動。

 

某些機械手同時還能實現X向、Y向和Z向三個方向的電動調整運動, 以增大機械手的操作范圍。

 

3、主從機械臂主要研制單位

 

除了上述比較常用和通用的熱室主從機械手之外，還有多種應用于核工業領域的主從機械手系統。

 

3.1 法國Getinge La Calhene

 

3.1.1 MT200

 

MT200具有伸縮套管，可拆卸式機械臂系統，主要用于中型和大型熱室的內部操作，是核工業領域內可以涵蓋所有高性能操作要求的主從機械臂系統。

 

MT200的最大工作半徑為4米，任意位姿下的復雜能力為20Kg，豎直提升的能力為80Kg，主臂和從臂都具有7個自由度，具有與人手相同的自由度，可以實現復雜的操作運動。

 

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結構）、可遠程要操作從穿墻管上拆裝的從手。根據使用熱室環境的不同，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通過一個密封的防護罩安裝在非密封的穿墻管上，以使得機械臂系統可以從前面拔出。在這種工作模式下，可伸縮防護罩可以保證污染的外泄，而且可以實現從臂從穿墻管內部拔出。安裝在可彈射環上的防護罩與熱室密封環的耦合可以保證熱室密閉度。防護罩同時也可以保護從手免受熱室內輻射物的污染。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，防護罩不能使用，因此需要改用密封的穿墻管實現MT200的安裝，此時從手只能從熱室內部安裝和拆卸。在這種情況下，熱室的密閉度是通過密封的穿墻管實現的。密封的穿墻管可以從熱室外部的冷端拆除，但是需要采取嚴格的污染泄露預防措施，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施內的吊裝系統實現吊裝。當然，一個半密封的防護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主從機械臂系統以一種伸縮式機械臂，具有七個自由度，同樣可以實現復雜的操作運動。主要用于中型或者大型熱室的密集使用工況而設計的，已經得到了應用驗證。作為主要運動的Ｘ和Ｙ軸的運動采用了電機補償從而實現完全平衡，可以改善操作者的舒適度并且增加設備的工作空間，主要運動（X和Y軸運動）通過安裝在手柄上的開關進行控制，驅動則通過安裝在主手上的驅動器實現。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的運動學傳動鏈；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）運動motion（①）作為主要運動的Ｘ和Ｙ軸的運動采用了電機補償從而實現完全平衡，可以改善操作者的舒適度并且增加設備的工作空間，主要運動（X和Y軸運動）通過安裝在手柄上的開關進行控制，驅動則通過安裝在主手上的驅動器實現。

 

（2）運動制動（②）：運動制動通過安裝在主臂上的三個機械臂開關實現，主要作用于X、Y和Z軸的運動。

 

3.1.3 MA30

 

Getinge La

Calhene公司基于之前在核工業領域主從遙操作機械臂的研發經驗，開發了精簡版的主從遙操作機械臂MA30，主要用于操作一些比較危險的材料，尤其具有輻射、劇毒產品以及那些需要保持無菌環境的產品的操作。MA30是小型熱室和手套箱應用的機械臂的首選。

 

其相對較小的外形尺寸和緊湊的機構設計可以使得MA30的操作范圍在很小的空間內（2-3m3）。特殊的靈巧性、人體工學設計以及魯棒性使得該機械臂系統很適合用于核輻射環境中對小型載荷的操作。MA30的負載能力為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的基本運動參數：

 

X向（側向轉動）：±180°；

 

Y向（肩關節轉動）：﹢30°/-50°；Y向運動安裝了一個機械補償機構，可以實現±22.5°的角度補償，其運動通過手柄處的操作開關實現；

 

Z向（肘關節轉動）﹢30°/-50°；

 

Azimut運動：±174°；

 

手鉗的俯仰運動：﹢35°/-135°；

 

手鉗的繞軸線的轉動：±220°；

 

手鉗的加緊/張開手指加持包絡空間：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械臂系統。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，柔性的結構形式（從手長度），部分采用平衡裝置，手鉗的可操作負載為6-7千克（取決于主從手的模式）。

 

主手和從手都具有六個自由度，可以實現較復雜的操作運動?；谑褂眯枨?，以及MA11主從機械手的外形，意味著MA11可以用于熱室和手套箱內的工作。密閉度是通過一個密封的防護套實現的（可選用雙層防護套）。MA11-80是一款非常靈巧的且易于使用，結實耐用且可靠性較高負載能力較強的處從機械臂系統。Y軸的配重（配重控制安裝在手柄上）可以提供整個工作區域內的平衡。MA11-80可以根據使用需求裝備多種Getinge La Calhene公司研制的多種手鉗。

 

MA11-80采用24伏直流電機驅動。電力通過一個整流變換箱實現，輸入為110/220伏交流電壓，提供100W的電力供應。一個電源箱可以用于兩套MA11-80的電力供應。

 

3.1.5 MT200 Tao

 

MT200 TAO是從標準的MT200發展而來的，通過在MT200上集成電力攢動謀愛和一個模擬電氣主手。MT200TAO完全采用電機驅動和計算及控制，從而可以為操作者提供完全的反饋信息，該機械手具有可實現繞主要軸360度轉動的能力。由于減低了操作者的疲勞，操作可以增效60-65%。同時，通過運動精度的提高進一步提高效益20%。由于完全兼容，因此無需更換從手、穿墻管和密封系統就可可以實現從MT200到MT200Tao的升級。

 

MT200Tao主要有從手、穿墻管、運動模塊、操作工作站以及多關節主手組成。

 

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合起來，從而使得TERMAN TAO將很多電腦輔助控制的很多優點（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器人模塊結合起來。

 

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

 

（2）符合人體工學具有力反饋的工作站：多關節主手應用了人機交互技術。操作的運動被乘以一個相似系數，從而降低需要提升或者移動載荷所需的體力，這種補償功能通過集成主手可以很大程度的簡化，病提升人體工學性能。

 

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

Tao）開啟了新的熱室設計單元，也許傳統的較大的熱室屏蔽窗將不再需要了。

 

（4）維護增效：在這個結實耐久且持久的系統的維護成本中將會產生較好的經濟效益：

 

1）TERMAN Tao具有1000小時的平均無故障時間（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）機器人模塊：不需要力反饋的重復運動可以在機器人模式中通過重現模式實現，從而降低操作的壓力并且提高速度。重復運動是機器人與編程的模式或者試教的模式實現。

 

（6）全新的設計：基于一個轉動桿的傳動設計的TERMAN 從手是無繩索形式，僅采用機械傳動的方式，與現有的任意遙操作機械臂相比可以增強剛度并實現較長的運動范圍。

 

（7）優越的從手工作空間：由于TERMAN可以到達熱室的頂部，因此操作被增強。與現有的標準主從手相比，其工作區域被放大三倍。

 

1）伸縮式從手，可伸縮范圍為1480mm-4010mm；

 

2）橫向擺動：-255°到﹢255°；

 

3）腕關節轉動（Azimut）：-720°-﹢720°；

 

4）夾鉗的無限制轉動，最大夾鉗開合為90mm（螺旋或者非螺旋模式）；

 

5）最大負載能力為20Kg（制造商測試數據），無運動限制；

 

6）在一個與肩關節成15度角的錐形工作區域內的末端提升能力為80Kg；

 

3.2德國威利斯米勒WALISCHMILLER

 

3.2.1 A100機械式主從手

 

伸縮式主從機械手A100在1963首次被研制，但從被研制以來已經歷了無數次的改進、增強和升級。伸縮式主從機械手的基本原理為：該伸縮式主從機械臂是一個由冷臂（主手，放在熱室外），通過穿墻管和熱臂（從手，放在熱室內）等三個子系統組成。至今，該伸縮式機械臂是一個革命性的發展，已成為核工業的行業標準。由于技術的不斷發展，基于部分客戶的使用要求以及A100在不同環境下的使用要求，A100系統具已經成為銷售最佳的主從機械臂操作系統。

 

A100伸縮式主從機械臂具有以下特點：

 

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

 

（4） 主手機械臂的連接到通過管只有四個螺栓。所有的配重快和電動驅動器，以及它們的電氣控制元件，都放置到熱室外；

 

（5） 該機械臂適合于習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，因為使用了保護套；