核工业热室主从遥操作机械臂系统

核工业存在严重放射性介质的环境，遥操作机器人和机械臂成为核工业不可或缺的一种工具。核原料生产和处理中广泛应用的基础设施为热室（Hotcell），热室内部环境相对而言更恶劣，存在极强的辐射活性物质及强腐蚀气氛环境，因而热室是主从机械臂广泛应用的场所。

 

主从机械臂最早为机械式主从机械臂，由德国人发明。俄罗斯则另辟新径，采用了自整角电机随动系统开发了三关节主从机械臂，采用自整角电机的作为随动控制系统，实现从手对主从端动作的复现，从而实现遥操作。

 

随着伺服驱动及控制技术以及遥操作技术的发展，传统的德国机械式主从机械臂以及俄罗斯的自整角电机随动三关节主从机械臂，正在被基于手柄、串联微型指令机构以及Omiga等遥操作人机交互接口的遥操作模式所取代。

 

1、三关节主从机械臂

 

三关节机械手包括主手、电缆贯穿件、从手和电气控制柜四大组件。主手与控制柜、电缆贯穿件组对连接，从手与电缆贯穿件的热室端组对连接。

 

机械手应满足7个自由度的要求，机械手的重心设置满足吊装平衡要求，机械手设计有良好的力反馈系统，能够防止人因操作失误带来电气及机械故障。

 

电缆贯穿件作为主臂与从臂之间的链接纽带，主要进行主、从臂之间的信号传递。电缆贯穿件不仅需要实现信号传递，而且还要实现对辐射源的隔离和密封。

 

为了减小主端操作者操作过程中的负荷，降低劳动车的劳动强度，在控制设计时考虑了力反馈比1:1和1:2两种模式。

 

结合动力学和静力学联合仿真的方式，通过动力学仿真得到机械手操作工作中的极限载荷，从而将极限载荷参数加入到静力学分析，全面提高机械手的可靠性和使用寿命。

 

2、德国主从机械臂

 

德国主从机械手衍生出了多种变形模式，可以使用各种规格尺寸的热室。主要包括三大部件组成，其一是主手（冷手，热室外）、穿墙管以及从手（热手，热室内部）。

 

机械手是核工业的科研生产必不可少的远距离操作工具，其中主从机械手操作轻便灵活、操作能力较大、适甩范围广，目前已经成为核工业行业的标准设备，是常用的通用机械手。

 

主从机械手由操作手把、主动臂、穿墙管、从动臂、夹钳及平衡系统等部件组成,，它可以手动实现七个独立运动，包括X向、Y向、Z向三个直线运动，方位旋转、夹钳俯仰、夹钳扭转三个旋转运动和夹紧运动。

 

某些机械手同时还能实现X向、Y向和Z向三个方向的电动调整运动, 以增大机械手的操作范围。

 

3、主从机械臂主要研制单位

 

除了上述比较常用和通用的热室主从机械手之外，还有多种应用于核工业领域的主从机械手系统。

 

3.1 法国Getinge La Calhene

 

3.1.1 MT200

 

MT200具有伸缩套管，可拆卸式机械臂系统，主要用于中型和大型热室的内部操作，是核工业领域内可以涵盖所有高性能操作要求的主从机械臂系统。

 

MT200的最大工作半径为4米，任意位姿下的复杂能力为20Kg，竖直提升的能力为80Kg，主臂和从臂都具有7个自由度，具有与人手相同的自由度，可以实现复杂的操作运动。

 

MT200主要有可拆装主手、穿墙管（密封或者非密封两种，带有屏蔽或者辐射防护结构）、可远程要操作从穿墙管上拆装的从手。根据使用热室环境的不同，穿墙管的密封形式不一样，主要有两种安装和工作模式：

 

第一类安装模式：MT200通过一个密封的防护罩安装在非密封的穿墙管上，以使得机械臂系统可以从前面拔出。在这种工作模式下，可伸缩防护罩可以保证污染的外泄，而且可以实现从臂从穿墙管内部拔出。安装在可弹射环上的防护罩与热室密封环的耦合可以保证热室密闭度。防护罩同时也可以保护从手免受热室内辐射物的污染。这也是MT200最常用的安装和工作模式。

 

第二种工作模式：在一些特定的工作条件下，诸如温度较高的热室，防护罩不能使用，因此需要改用密封的穿墙管实现MT200的安装，此时从手只能从热室内部安装和拆卸。在这种情况下，热室的密闭度是通过密封的穿墙管实现的。密封的穿墙管可以从热室外部的冷端拆除，但是需要采取严格的污染泄露预防措施，也可以从热室端采用特殊定制的“推-推”工装完成穿墙管的拆除。从手的安装可以通过安装设施内的吊装系统实现吊装。当然，一个半密封的防护罩也可以安装在从臂上以用来降低污染的影响。

 

3.1.2 MT120

 

MT120主从机械臂系统以一种伸缩式机械臂，具有七个自由度，同样可以实现复杂的操作运动。主要用于中型或者大型热室的密集使用工况而设计的，已经得到了应用验证。作为主要运动的Ｘ和Ｙ轴的运动采用了电机补偿从而实现完全平衡，可以改善操作者的舒适度并且增加设备的工作空间，主要运动（X和Y轴运动）通过安装在手柄上的开关进行控制，驱动则通过安装在主手上的驱动器实现。同样有短型、中型和长型三种模式可选择，手钳的夹持力为12Kg。有两种版本可供选择，不可拆卸版本和主手可拆卸版本。其中不可拆卸版本具有连续的运动学传动链；对于可拆装版本而言，拆卸和安装都是比较方便的，可以拆卸为主手部件以及从手和穿墙管部件。

 

兼容的穿墙管直径为7.5英寸（190.5mm）和10英寸（254mm）。

 

（1）运动motion（①）作为主要运动的Ｘ和Ｙ轴的运动采用了电机补偿从而实现完全平衡，可以改善操作者的舒适度并且增加设备的工作空间，主要运动（X和Y轴运动）通过安装在手柄上的开关进行控制，驱动则通过安装在主手上的驱动器实现。

 

（2）运动制动（②）：运动制动通过安装在主臂上的三个机械臂开关实现，主要作用于X、Y和Z轴的运动。

 

3.1.3 MA30

 

Getinge La

Calhene公司基于之前在核工业领域主从遥操作机械臂的研发经验，开发了精简版的主从遥操作机械臂MA30，主要用于操作一些比较危险的材料，尤其具有辐射、剧毒产品以及那些需要保持无菌环境的产品的操作。MA30是小型热室和手套箱应用的机械臂的首选。

 

其相对较小的外形尺寸和紧凑的机构设计可以使得MA30的操作范围在很小的空间内（2-3m3）。特殊的灵巧性、人体工学设计以及鲁棒性使得该机械臂系统很适合用于核辐射环境中对小型载荷的操作。MA30的负载能力为2.5-3.5千克（取决于不同的型号）。

 

MA30 的制造材料采用铝合金和不锈钢制造。

 

MA30的基本运动参数：

 

X向（侧向转动）：±180°；

 

Y向（肩关节转动）：﹢30°/-50°；Y向运动安装了一个机械补偿机构，可以实现±22.5°的角度补偿，其运动通过手柄处的操作开关实现；

 

Z向（肘关节转动）﹢30°/-50°；

 

Azimut运动：±174°；

 

手钳的俯仰运动：﹢35°/-135°；

 

手钳的绕轴线的转动：±220°；

 

手钳的加紧/张开手指加持包络空间：60/86mm;

 

3.1.4 MA11.80

 

MA11是Getinge La Calhene公司研制的第一套主从遥操作机械臂系统。主要用于小型或者中型的热室，有短型、中型和长型三种型号，柔性的结构形式（从手长度），部分采用平衡装置，手钳的可操作负载为6-7千克（取决于主从手的模式）。

 

主手和从手都具有六个自由度，可以实现较复杂的操作运动。基于使用需求，以及MA11主从机械手的外形，意味着MA11可以用于热室和手套箱内的工作。密闭度是通过一个密封的防护套实现的（可选用双层防护套）。MA11-80是一款非常灵巧的且易于使用，结实耐用且可靠性较高负载能力较强的处从机械臂系统。Y轴的配重（配重控制安装在手柄上）可以提供整个工作区域内的平衡。MA11-80可以根据使用需求装备多种Getinge La Calhene公司研制的多种手钳。

 

MA11-80采用24伏直流电机驱动。电力通过一个整流变换箱实现，输入为110/220伏交流电压，提供100W的电力供应。一个电源箱可以用于两套MA11-80的电力供应。

 

3.1.5 MT200 Tao

 

MT200 TAO是从标准的MT200发展而来的，通过在MT200上集成电力攒动谋爱和一个模拟电气主手。MT200TAO完全采用电机驱动和计算及控制，从而可以为操作者提供完全的反馈信息，该机械手具有可实现绕主要轴360度转动的能力。由于减低了操作者的疲劳，操作可以增效60-65%。同时，通过运动精度的提高进一步提高效益20%。由于完全兼容，因此无需更换从手、穿墙管和密封系统就可可以实现从MT200到MT200Tao的升级。

 

MT200Tao主要有从手、穿墙管、运动模块、操作工作站以及多关节主手组成。

 

3.1.6 TERMAN TAO

 

TERMAN TAO是全新一代的主从手，主要是将MT200TAO冷端的的操作方式与新一代的从手结合起来，从而使得TERMAN TAO将很多电脑辅助控制的很多优点（力反馈、电气传输和遥操作）和快速且持久耐用的精密从手以及机器人模块结合起来。

 

（1）运动模块：TERMAN TAO的运动模块和MT200TAO的运动模块是完全一样的，均可以和所有类型的穿墙管兼容。

 

（2）符合人体工学具有力反馈的工作站：多关节主手应用了人机交互技术。操作的运动被乘以一个相似系数，从而降低需要提升或者移动载荷所需的体力，这种补偿功能通过集成主手可以很大程度的简化，病提升人体工学性能。

 

（3）用于加强操作者安全性的可移动工作站：操作者可以通过热室上的窥视窗通过直接观察的模式进行操作，同样也可以借助摄像头在远离热室200米的任意位置进行操作，这主要是借助主从手之间的电气连接实现的。较远的距离意味着辐射剂量的降低。Tao系统（MT200 Tao和TERMAN

Tao）开启了新的热室设计单元，也许传统的较大的热室屏蔽窗将不再需要了。

 

（4）维护增效：在这个结实耐久且持久的系统的维护成本中将会产生较好的经济效益：

 

1）TERMAN Tao具有1000小时的平均无故障时间（MTBF；

 

2）在核废物体积方面带来显著的减少；

 

3）备件消耗降低；

 

（5）机器人模块：不需要力反馈的重复运动可以在机器人模式中通过重现模式实现，从而降低操作的压力并且提高速度。重复运动是机器人与编程的模式或者试教的模式实现。

 

（6）全新的设计：基于一个转动杆的传动设计的TERMAN 从手是无绳索形式，仅采用机械传动的方式，与现有的任意遥操作机械臂相比可以增强刚度并实现较长的运动范围。

 

（7）优越的从手工作空间：由于TERMAN可以到达热室的顶部，因此操作被增强。与现有的标准主从手相比，其工作区域被放大三倍。

 

1）伸缩式从手，可伸缩范围为1480mm-4010mm；

 

2）横向摆动：-255°到﹢255°；

 

3）腕关节转动（Azimut）：-720°-﹢720°；

 

4）夹钳的无限制转动，最大夹钳开合为90mm（螺旋或者非螺旋模式）；

 

5）最大负载能力为20Kg（制造商测试数据），无运动限制；

 

6）在一个与肩关节成15度角的锥形工作区域内的末端提升能力为80Kg；

 

3.2德国威利斯米勒WALISCHMILLER

 

3.2.1 A100机械式主从手

 

伸缩式主从机械手A100在1963首次被研制，但从被研制以来已经历了无数次的改进、增强和升级。伸缩式主从机械手的基本原理为：该伸缩式主从机械臂是一个由冷臂（主手，放在热室外），通过穿墙管和热臂（从手，放在热室内）等三个子系统组成。至今，该伸缩式机械臂是一个革命性的发展，已成为核工业的行业标准。由于技术的不断发展，基于部分客户的使用要求以及A100在不同环境下的使用要求，A100系统具已经成为销售最佳的主从机械臂操作系统。

 

A100伸缩式主从机械臂具有以下特点：

 

（1） 主手端机械臂、从手段机械臂和以及穿墙管可以快速分离；

 

（2） 基于长期使用的寿命需求而研制，使用寿命长

 

（3） 模块化设计；主手端机械臂、从手段机械臂和以及穿墙管模块化设计且可互换。主手端和从手段机械臂，工具、适配器或夹钳的互换是任意且无止境的；

 

（4） 主手机械臂的连接到通过管只有四个螺栓。所有的配重快和电动驱动器，以及它们的电气控制元件，都放置到热室外；

 

（5） 该机械臂适合于习惯于使用右手或者左手操作者；

 

（6） 夹钳以及伸缩套是很容易更换的，因为使用了保护套；