基于全向轮的核电检修全方位移动平台的研究与实现

2021-05-22杜林宝龚卫民王晨

机械工程师 2021年5期

杜林宝，龚卫民，王晨

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉430074）

0 引言

全方位移动机器人作为一种特殊的轮式移动机器人，具有在零回转半径下实现平面内任意方向运动的特点，能够在拥挤、狭窄的环境中高效运动[1]。在平面内，全方位移动平台有3个自由度，可分别前后或左右直线运动、斜向45°直线运动、原地360°回转及上述任意运动形式组合[2]。全方位移动机构与传统移动机构相比具有许多优点，所需工作空间小、效率高，已在仓库储运等作业场合狭小的领域得到了应用[3]。核电站反应堆水池内设备较多、空间狭小，在水下检修过程中由于空间受限，使得检修工作受到很大限制。

针对上述情况，为了保证核电站水下检修工作的顺利实施，研究一种适用于核电站水下检修的全方位移动平台，平台上设计有负载接口，可搭载摄像头、机械手等不同的检修工具完成水下检修工作。

1 全方位移动平台轮系结构

全方位移动平台通常由机械结构和控制系统组成。移动平台机械结构常采用三轮组合或四轮组合，多为四轮组合，轮子通常采用Mecanum轮或全向轮（瑞士轮）。对于四轮配置的移动平台，一般将其设计成矩形、对称配置四轮，以保证系统有稳定的结构和平稳的运行状态[4]。轮组的布局一般四轮组合布局方式，其中使用较多的有圆形布局、菱形布局及H形布局[5]，如图1所示。

图1 轮组的典型布局方案图

本文所设计的全方位移动平台轮组采用圆形布局，轮子采用具有双排轮的全向轮，如图2所示，该类型的全向轮错开分布的两排辊子增加了轮子运行的连贯性。

将全方位移动平台的运动方式分解为零半径的旋转运动和前后左右的直线运动，这样移动平台就只有5种基本运动形式，在向非特殊方位角运动时，移动平台通过旋转运动和直线运动相结合即可实现全方位的运动。移动平台的5种基本运动形式对应的4个驱动电动机的转动方式如图3所示。

图2 双排全向轮

图3 全方位移动平台运动图

2 机械结构设计

图4 全方位移动平台结构图

根据核电水下检修的特点及常用检查类型，水下检修过程中全方位移动平台通常是在水池底部运动，为了保证检查的准确性，通常要求低速运动，在0～0.5 m/min 可满足检查要求；池底为不锈钢结构，相对平整；维修检查过程中最大负载约为250 kg。全方位移动平台主要由平台板、驱动装置和连接支撑件组成，结构如图4所示。

2.1 结构介绍

全方位移动平台上装有4组全向轮（全向轮的运动学直径为127 mm），每组全向轮配1个驱动电动机，4组全向轮采用圆形布局，每个电动机驱动1组全向轮。通过系统内预定算法控制各个驱动电动机按照不同的转动方向、顺序等驱动全向轮转动，通过运动组合实现全方位移动平台在水平任意方向移动、原地360°回转及各运动微调的功能，从而将移动平台上搭载的检修工具运送到预定地点。

为了提高产品的工艺性和可维修性，将全向移动平台的4个电动机、驱动轴、全向轮等组装成4个驱动装置。电动机减速后直接驱动锥齿轮转动，通过锥齿轮传动将动力传递给驱动轴，全向轮连接在驱动轴上，随驱动轴同步转动。

2.2 驱动力矩计算

为保证全方位移动平台具有足够的负重能力，必须选择合适的电动机和减速机。选择电动机和减速机时，按照移动平台最大承重时单个驱动轮所需要的驱动转矩进行计算，保证移动平台具有足够的动力。

平台移动时需要克服阻力的影响，阻力可分为摩擦阻力、水的阻力和加速阻力。由于平台设计运动速度和加速度均较小，因此设计计算中忽略水的阻力和加速阻力，只考虑摩擦阻力。

查机械设计手册可得橡胶轮胎与混凝土路面的滚动摩擦因数μk=2.5，构件池底部为不锈钢板，钢板比混凝土坚硬光滑，所以轮子和水池底部的滚动摩擦因数可以取μk=2.5，工作中单个全向轮对水池底部产生的压力N=100×9.8=980 N，全向移动平台运动时每个轮子需克服的滚动阻力为

由于驱动轴上设计有双重机械动密封，所以减速机驱动轮子转动的过程中必须克服机械动密封中的密封圈与轴之间的摩擦阻力。机械动密封中每个密封圈对轴的摩擦阻力为[6]

式中：f为密封圈与轴之间的摩擦因数；e为密封圈的压缩率，本设计中压缩率为0.2；E为密封圈材料的弹性模量；μ为密封圈材料的泊松比；D为密封圈自然状态下的外径，所选O形圈D=27.13 mm；d为密封圈的截面直径，d=2.62 mm。

查机械设计手册可得：f=0.22（钢和夹布橡胶），E=0.00784 GPa，μ=0.47。

由于双重机械动密封所产生的摩擦阻力矩为

所以在全向移动平台运动的过程中，每个电动机驱动全向轮运动所需克服的阻力转矩M′为

M′=M1+Me=2.45+1.36=3.81 N·m。

经查机械设计手册，加工精度8级的锥齿轮在稀油润滑时的机械效率为η1=0.97，滚动轴承的机械效率η2=0.99，综上所述，需要驱动电动机经减速后的输出转矩为

设计过程中考虑2倍的安全系数，因此选用输出转矩大于2×3.98=7.96 N·m的驱动电动机。

2.3 密封设计

为保证移动平台能够适应水下环境，必须保证电动机和水下接头等处于密封的环境。如图5所示，通过电动机密封罩、减速箱体、驱动轴和密封件等的作用下，电动机处于一个相对封闭的环境，驱动装置上设计有多重机械动密封和静密封，保证驱动装置在额定负载下能够避免进水。

图5 驱动装置及机械密封结构

图6 电气密封结构

4个驱动电动机和全方位移动平台上摄像头线缆从控制系统集成为一根电缆，该电缆通过航空插头连接到全向移动平台上的一个水密集成盒上，从水密集成盒内分出多条分支线路再连接到各个电动机及摄像头，各个分支线路的末端连接有可拔插水密接头，可拔插水密接头固定在水密集成盒上，如图6所示。

3 试验

为了验证全方位移动平台的承载能力、运动能力及密封性等能否满足设计的要求，对全方位移动平台的样机进行了多项试验验证，试验的内容主要包括空载运动、负载运动试验和水下密封试验等。

1）空载试验。将全方位移动平台放置在地面上，通过操作控制系统设定全方位移动平台的运动速度，然后通过软件或操作手柄使其向任意方位运动，观察全方位移动平台运动是否连续、灵活，运动速度是否与设置相符合，转动过程中是否有卡涩现象。

试验表明：在空载情况下，全方位移动平台在地面上运动连续、灵活，可实现不同的运动速度，且运动过程中无卡涩现象，能够按照指定的方向运动。

2）负载运动试验。在空载试验合格的基础上进行负载试验，负载试验时将250 kg的重物放置在全方位移动平台上，通过操作控制系统设定全方位移动平台的运动速度，然后通过软件或操作手柄使其朝向任意方位运动，观察全方位移动平台运动是否连续、灵活，运动速度是否与设置相符合，转动过程中是否有卡涩现象；卸载后仔细检查机械结构是否存在明显变形或损伤。

图7 全方位移动平台负载试验图

试验表明：全方位移动平台在负载250 kg的情况下其运动性能与空载运动无明显差异；卸载后经检查，机械结构无明显变形或损伤。

3）水下密封试验。为保证全方位移动平台能否适应水下工作环境，将其放置在水下进行试验，实际工作时最大深度为水下12 m，即0.12 MPa的水压，试验时将全方位移动平台放置在密闭容器内，将容器充满水并将水压充至0.16 MPa（相当于水下16 m深）。通过操作控制系统使其在容器内运动，通过水下摄像系统观察运动状态。试验完成后将全方位移动平台从容器内取出，检查各机械密封和电气密封是否有漏水情况。

试验结果表明，全方位移动平台在0.16 MPa的水下运动与在地面上运动无明显异常；从水中取出后经检查各个机械密封部位和电气密封部位无漏水现象。

上述试验表明，全方位移动平台能够应用于核电站水下环境，可搭载各种执行机构进行水下检修工作。