運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于核環(huán)境遙操縱機器人及自動化技術領域，更具體地說是涉及一種運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構及控制方法。
【背景技術】
[0002]托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，其中央是一個外面纏繞著線圈的環(huán)形真空室；在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。全托卡馬克裝置的內部艙體一般被稱為核聚變反應艙，作為當代核能源產生和制備的核心載體，其內部環(huán)境屬于一種典型極端環(huán)境，一方面具有強輻射、高溫、強磁場以及高真空等物理特點，另一方面，反應艙內部設備眾多，管道錯綜復雜，通道狹隘，工作空間小，再加上艙內的某些部件會受到放射性和有毒物質的污染，即使在設備的維護保養(yǎng)期間維護人員也不能或不宜直接對反應艙內部相關部件進行操作，因此需要借助于艙外遙操縱手段，通過一種智能型機電設備替代人類進入艙內完成相應的作業(yè)任務。為了應對反應艙內部的惡劣環(huán)境，保證核聚變反應堆的正常工作秩序，需要研制一種面向核聚變反應艙環(huán)境的行走機構，用來執(zhí)行反應艙內部件的曰常觀測、偵察和巡檢等對各種狀態(tài)信息的采集、處理、表示和識別等任務，監(jiān)視核聚變反應堆的具體工作情況，以便為異常情況出現(xiàn)時采取相應的決策提供依據(jù)。
[0003]目前國內外對于核聚變艙遙操縱機器人行走機構的公開報道為數(shù)不多。荷蘭愛思唯爾(Elsevier)科學出版公司出版的《聚變工程與設計》(Fus1n Engineering andDesign，83 (2008)，pp: 1833 - 1836.)中公開了一種 Articulated Inspect1n Arm(AIA)機器人，屬于一種針對核聚變艙環(huán)境的懸空式機器人行走機構，采用5個關節(jié)的模塊化設計，每個關節(jié)處分別有一個俯仰自由度和一個偏轉自由度，偏轉運動由安裝在模塊內的驅動電機提供，俯仰運動由平行四邊形桿內的螺旋千斤頂處的電機提供，各電機輸出軸的運動通過鋼索傳遞至大角度回轉關節(jié)索輪處，帶動機器人各模段之間產生相對回轉運動，該機器人可在核聚變艙物理實驗的間歇期內進入艙內移動，對真空室第一壁進行近距離觀測，監(jiān)測全托卡馬克裝置在運行期間真空室內的工作情況；但由于該機器人屬于懸臂式結構，一方面其動力驅動裝置分別集成在各機械臂關節(jié)內部，增加了機器人關節(jié)臂的重量，加大了機器人末端支撐裝置的承載負擔，使得機器人總體尺寸不宜過長，從而限制了機器人在核聚變艙內的探測活動空間范圍；另一方面由于該機器人各關節(jié)行走機構的回轉運動需要各自驅動裝置同步協(xié)調控制，步態(tài)軌跡較難精準規(guī)劃，且受機械臂自重的干擾，機器人前端探測裝置在運行過程中容易出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的定位精度和運動穩(wěn)定性。
[0004]中國專利申請CN102233575A公開的一種用于核輻射環(huán)境下的小型應急救援及探測機器人，其行走機構采用履帶式底盤結構，驅動電機放置在底盤中部，通過鏈條驅動履帶運行，底盤前端設有四自由度機械手，伽馬相機及成像系統(tǒng)位于機器人后部，可以對核環(huán)境下的輻射強度和方位進行探測，并通過機器人機械臂進行應急處理；該機器人的行走機構雖然具備一定的通過能力，可用于核聚變艙外圍的一些非結構化環(huán)境，但仍然無法在幾何構造條件苛刻的核聚變艙內部空間運行，限制了其使用范圍。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構及控制方法，以克服現(xiàn)有技術中懸臂式方案所造成的對核聚變艙內部空間探測范圍及定位精度有限并且運行不穩(wěn)定等缺陷，使其運動軌跡可遍及整個核聚變艙底部的大雙環(huán)形槽道，運動步態(tài)類似蠕蟲行走，運行穩(wěn)定性好且控制簡單，通過搭載視覺觀測云臺實現(xiàn)對核聚變艙內部空間三個自由度的全方位視覺信息采集，以期降低機器人行走機構本體對承載能力的要求，改善核環(huán)境遙操縱機器人平臺對核聚變艙內部結構化特定環(huán)境的運動適應性。
[0006]本發(fā)明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0007]本發(fā)明運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構的結構特點是:由前體節(jié)側向定位模塊與后體節(jié)側向定位模塊在中體節(jié)軸向運動模塊的兩端對稱設置構成；
[0008]所述前體節(jié)側向定位模塊的結構設置為:電驅動子模塊固裝于承載子模塊的內部，并有具有相同的結構形式的內側對開支撐子模塊和外側對開支撐子模塊對稱設置于所述電驅動子模塊的左右兩側；所述內側對開支撐子模塊和外側對開支撐子模塊的一端分別固聯(lián)于電驅動子模塊的左右兩側設定位置處，另一端分別沿所述電驅動子模塊的左右側向可伸縮運動并以所述承載子模塊為導軌；在所述前體節(jié)側向定位模塊的頂部，位于中央設置前體節(jié)熱控裝置，位于側部設置前體節(jié)配重系統(tǒng)，所述前體節(jié)配重系統(tǒng)處在前體節(jié)側向定位模塊中外側對開支撐子模塊的上方；
[0009]所述后體節(jié)側向定位模塊與所述前體節(jié)側向定位模塊具有相同的結構形式；在所述后體節(jié)側向定位模塊的頂部，位于中央設置后體節(jié)熱控裝置，位于側部設置后體節(jié)配重系統(tǒng)，所述后體節(jié)配重系統(tǒng)處在所述后體節(jié)側向定位模塊中外側對開支撐子模塊的上方；
[0010]所述中體節(jié)軸向運動模塊的結構設置為:前節(jié)段子模塊固裝于殼體子模塊的內部；所述前節(jié)段子模塊和后節(jié)段子模塊在殼體子模塊的內部相聯(lián)并且相互間沿前后方向可相對運動，形成可伸縮的中體節(jié)軸向運動模塊，所述后節(jié)段子模塊突出于所述中體節(jié)軸向運動模塊的尾部端面；在所述中體節(jié)軸向運動模塊的頂部，位于中央設置中體節(jié)熱控裝置；
[0011]在所述前體節(jié)側向定位模塊與中體節(jié)軸向運動模塊之間以前雙萬向節(jié)相聯(lián)接，在所述后體節(jié)側向定位模塊與中體節(jié)軸向運動模塊之間以后雙萬向節(jié)相聯(lián)接。
[0012]本發(fā)明運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構的結構特點也在于:
[0013]所述前體節(jié)側向定位模塊中承載子模塊的結構設置為:
[0014]以第一矩形底板為底面，以第一矩形頂板為頂面，在所述第一矩形底板和第一矩形頂板之間以前側板為前端面、以后側板為后端面，以內斜板為左端面，以外斜板為右端面形成前體節(jié)矩形框架；
[0015]在所述前體節(jié)矩形框架的外部，位于所述內斜板上設置有內滾球支承裝置，位于所述外斜板上設置有外滾球支承裝置，以所述內滾球支承裝置和外滾球支承裝置作為所述前體節(jié)矩形框架在左端面和右端面上的支撐件；在所述前體節(jié)矩形框架的外部，位于所述第一矩形底板上設置有萬向腳輪，以所述萬向腳輪作為所述前體節(jié)矩形框架在底面的支撐件；所述內滾球支承裝置是以核聚變艙中大雙環(huán)形槽道的內環(huán)壁為支撐面；所述外滾球支承裝置是以所述核聚變艙中大雙環(huán)形槽道的外環(huán)壁為支撐面；
[0016]所述前體節(jié)側向定位模塊中電驅動子模塊的結構設置為:
[0017]在所述前體節(jié)矩形框架的內部，位于所述第一矩形底板上并處在同軸線的位置上依次設置對開支撐子模塊固定支座、第一電機支座、第一軸承支座和第二軸承支座；在所述第一電機支座上固定安裝第一真空伺服減速電機，所述第一真空伺服減速電機的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與第一中心滾珠絲桿相聯(lián)接；所述第一中心滾珠絲桿為階梯軸，所述階梯軸的兩端分別通過第一雙列角接觸球軸承和第一深溝球軸承支承于所述第一軸承支座和第二軸承支座之間，第一螺套以滾動螺旋配合套裝在所述第一中心滾珠絲桿的螺紋軸段上；第一移動平板固裝于所述第一螺套上；設置第一移動平板導向結構，是在所述第一中心滾珠絲桿的兩側平行設置第一導向桿，所述第一導向桿的一端固裝于第一軸承支座上，另一端通過第一套筒固裝于第二軸承支座上，所述第一移動平板利用第一直線軸承支承在所述第一導向桿上，使所述第一移動平板在所述第一螺套的帶動下可以在第一導向桿上軸向移動；在所述第一矩形底板上、位于所述第一中心滾珠絲桿的正下方設置有第一光電開關，所述第一光電開關位于第一軸承支座和第二軸承支座之間設定位置處；
[0018]所述前體節(jié)側向定位模塊中外側對開支撐子模塊和內側對開支撐子模塊具有如下相同的結構形式:
[0019]在所述對開支撐子模塊固定支座和第一移動平板的旁側設置大平板，在所述大平板的內側與對開支撐子模塊固定支座的相對位置處固定安裝聯(lián)接板，在所述大平板的內側與第一移動平板的相對位置處固定安裝滑軌，所述滑軌與第一中心滾珠絲桿的軸線平行，在所述滑軌上滑動配合有滑塊；平行設置的第一上連桿和第一下連桿在一端通過第一上鉸支座、第一下鉸支座以及第一銷軸與對開支撐子模塊固定支座相鉸接；在另一端通過雙鉸支座和第四銷軸與所述滑塊相鉸接；平行設置的第二上連桿和第二下連桿在一端通過第三上鉸支座、第三下鉸支座以及第三銷軸與安裝聯(lián)接板相鉸接，在另一端通過第二上鉸支座、第二下鉸支座以及第二銷軸與第一移動平板相鉸接；在所述內側對開支撐子模塊中，在其大平板的外側固定設置內楔形支架，在所述內楔形支架的外端面上設置有內萬向撐爪；在所述外側對開支撐子模塊中，在其大平板的外側固定設置外楔形支架，在所述外楔形支架的外端面上設置外萬向撐爪；以所述內萬向撐爪和外萬向撐爪在核聚變艙中的大雙環(huán)形槽道的內環(huán)壁和外環(huán)壁上形成支撐為鎖止狀態(tài)，以所述內萬向撐爪和外萬向撐爪脫離在核聚變艙中的大雙環(huán)形槽道的內環(huán)壁和外環(huán)壁上的支撐為解鎖狀態(tài)；
[0020]本發(fā)明運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構的結構特點也在于:所述外滾球支承裝置和內滾球支承裝置具有如下相同的結構形式:導向筒通過安裝板固定在內斜板上，彈簧壓塊嵌裝于導向筒內且與導向筒為滑動配合，在安裝板與彈簧壓塊之間套裝有波形彈簧，球鉸座與彈簧壓塊螺紋聯(lián)接，并有滾球與所述球鉸座球鉸配合。
[0021]本發(fā)明運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構的結構特點也在于:所述外萬向撐爪和內萬向撐爪具有如下相同的結構形式:
[0022]撐爪頭部通過一萬向結與鉸支座相聯(lián)，所述萬向結由長銷軸、兩只結構相同的半銷軸以及十字塊組成，所述十字塊通過長銷軸鉸接于鉸支座上，并通過兩只半銷軸沿十字塊的中心截面對稱鉸接于撐爪頭部，兩只半銷軸與長銷軸的中心線垂直交匯于十字塊的中心；所述鉸支座與所述內側對開支撐子模塊中的內楔形支架固聯(lián)；在所述撐爪頭部的圓弧外端面上粘貼氟橡膠層并且呈陣列式分布有壓力傳感器件。
[0023]本發(fā)明運行在核聚變艙中的仿蠕蟲機器人行走機構的結構特點也在于:
[0024]所述中體節(jié)軸向運動模塊中的殼體子模塊的結構設置為:
[0025]以第二矩形底板為底面，以第二矩形頂板為頂面，并在所述第二矩形底板和第二矩形頂板之間以矩形左側板和矩形右側板分別為兩側面，以矩形前側板和工字型后側板分別為兩端面形成一中體節(jié)矩形框架；
[0026]所述前節(jié)段子模塊和后節(jié)段子模塊具有如下相同的結構形式:
[0027]在所述中節(jié)體矩形框架的內部，位于第二矩形底板上并處在同軸線B的位置上分別設置第三軸承支座與第四軸承支座，位于第二矩形頂板上呈懸置固定設置第二電機支座，在所述第二電機支座上固定安裝第二真空伺服減速電機；第一齒輪設置在所述第二真空伺服減速電機的輸出軸上并且與第二齒輪嚙合，所述第二齒輪設置在第二中心滾珠絲桿的端部且由小圓螺母進行軸向緊固；所述第二中心滾珠絲桿為階梯軸，所述階梯軸的兩端分別通過第二雙列角接觸球軸承和第二深溝球軸承支承于所述第三軸承支座和第四軸承支座之間，第二螺套以滾動螺旋配合套裝在所述第二中心滾珠絲桿的螺紋軸段上；第二移動平板固裝于所述第二螺套上；
[0028]在所述第二移動平板的左右兩側對稱位置上分別固裝有第二直線軸承；在所述第二中心滾珠絲桿的左右兩側對稱位置上分別設置第二導向桿，所述第二導向桿的一端固裝于第三軸承支座上，另一端通過第二套筒固裝于第四軸承支座