運行在核聚變艙中的多段蠕動式蛇形機器人的控制方法
【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多段蠕動式蛇形機器人的控制方法。
【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(nèi)部會產(chǎn)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(nèi)部艙體一般被稱為核聚變反應艙，作為當代核能源產(chǎn)生和制備的核心載體，其內(nèi)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(nèi)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(nèi)的某些部件會受到放射性和有毒物質(zhì)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(nèi)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(nèi)完成相應的作業(yè)任務。為了應對反應艙內(nèi)部的惡劣環(huán)境，保證核聚變反應堆的正常工作秩序，需要一類特種機器人，以應對反應艙內(nèi)部件的兩大類日常操作任務，一類是觀測、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，用于監(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)；另一類是拆卸、裝配、回收、運送和修復等操作性任務，用于對核聚變反應堆的性能維護和常態(tài)化保養(yǎng)，以維持核聚變反應堆的正常工作能力，最終實現(xiàn)對核聚變反應艙內(nèi)部件操作的自動化、靈活性和穩(wěn)定性。
[0003]目前國內(nèi)外對于核聚變艙遙操縱機器人的公開報道為數(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 and Design，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，采用五個關節(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(nèi)的驅(qū)動電機提供，俯仰運動由平行四邊形桿內(nèi)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(chǎn)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(nèi)進入艙內(nèi)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(nèi)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(qū)動裝置分別集成在各機械臂關節(jié)內(nèi)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(nèi)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(qū)動裝置同步協(xié)調(diào)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(qū)動電機放置在底盤中部，通過鏈條驅(qū)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(nèi)部空間運行，限制了其使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)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多段蠕動式蛇形機器人的控制方法，以克服現(xiàn)有技術中懸臂式方案所造成的對核聚變艙內(nèi)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)類似多節(jié)蠕蟲行走，運行穩(wěn)定性好且控制簡單，可通過搭載視覺觀測云臺實現(xiàn)對核聚變艙內(nèi)部空間三個自由度的全方位視覺信息采集，也可通過搭載桅桿、機械手或其他操作工具實現(xiàn)對核聚變艙內(nèi)工作部件的組合性能維護，以期降低機器人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(nèi)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多段蠕動式蛇形機器人的控制方法的特點是: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行走機構，以所述行走機構作為蠕動單元，由至少兩個蠕動單元串聯(lián)構成多段蠕動式蛇形機器人，相鄰的蠕動單元之間由伸縮式彈性雙萬向節(jié)相連接；所述控制方法是:
[0008]所述多段蠕動式蛇形機器人按如下步驟完成一個前進步距的行走過程:
[0009]步驟1:各婦動單元中的前體節(jié)側向定位模塊和后體節(jié)側向定位模塊均處于鎖止狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊處于最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)處于最大伸長狀態(tài)；多段蠕動式蛇形機器人定位在位置A處；
[0010]步驟2:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊設置為解鎖狀態(tài)，各后體節(jié)側向定位模塊保持在鎖止狀態(tài)，各中體節(jié)軸向運動模塊同步伸長直至達到最大伸長狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)同步縮短直至達到最小縮短狀態(tài)；多段蠕動式蛇形機器人在由位置A向位置B的行進中；
[0011]步驟3:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊設置為鎖止狀態(tài)，各后體節(jié)側向定位模塊設置為解鎖狀態(tài)，各中體節(jié)軸向運動模塊同步縮短直至達到最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)同步伸長直至達到最大伸長狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人行進到位置B處；
[0012]步驟4:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊保持在鎖止狀態(tài)，后體節(jié)側向定位模塊進入鎖止狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊保持在最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)保持在最大伸長狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人定位在位置B處；
[0013]所述多段蠕動式蛇形機器人按如下步驟完成一個后退步距的行走過程:
[0014]步驟1:各婦動單元中的前體節(jié)側向定位模塊和各后體節(jié)側向定位模塊均處于鎖止狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊處于最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)處于最大伸長狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人定位在位置A處；
[0015]步驟2:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊保持為鎖止狀態(tài)，后體節(jié)側向定位模塊設置為解鎖狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊同步伸長直至達到最大伸長狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)同步縮短直至達到最小縮短狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人處在由位置A向位置C的行進中；
[0016]步驟3:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊設置為解鎖狀態(tài)，后體節(jié)側向定位模塊設置為鎖止狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊同步縮短直至達到最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)同步伸長直至達到最大伸長狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人行進到位置C處；
[0017]步驟4:各蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊設置為在鎖止狀態(tài)，后體節(jié)側向定位模塊保持在鎖止狀態(tài)，中體節(jié)軸向運動模塊保持在最小縮短狀態(tài)；相鄰蠕動單元(之間的伸縮式彈性雙萬向節(jié)保持在最大伸長狀態(tài)，多段蠕動式蛇形機器人定位在位置C處。
[0018]本發(fā)明運行在核聚變艙中的多段蠕動式蛇形機器人的控制方法的特點也在于:
[0019]所述前體節(jié)側向定位模塊的結構設置為:電驅(qū)動子模塊固裝于承載子模塊的內(nèi)部，并有具有相同的結構形式的內(nèi)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(qū)動子模塊的左右兩側；所述內(nèi)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(qū)動子模塊的左右兩側設定位置處，另一端分別沿所述電驅(qū)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；
[0020]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；
[0021]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(nèi)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(nèi)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；
[0022]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。
[0023]本發(fā)明運行在核聚變艙中的多段蠕動式蛇形機器人的控制方法的特點也在于:
[0024]所述伸縮式彈性雙萬向節(jié)的組成構件包括:前節(jié)段、后節(jié)段、前俯仰限位片、后俯仰限位片、中節(jié)段筒體、中節(jié)段桿體和壓縮彈簧；所述前節(jié)段和后節(jié)段具有相同結構形式，所述前俯仰限位片和后俯仰限位片具有相同結構形式；
[0025]所述中節(jié)段筒體是由中節(jié)段筒體萬向接口端和中節(jié)段筒體線性接口端構成，所述中節(jié)段桿體是由中節(jié)段桿體萬向接口端和中節(jié)段桿體線性接口端構成；所述中節(jié)段筒體線性接口端與中節(jié)段桿體線性接口端以花鍵配合，并能夠在軸向相對移動，在所述中節(jié)段筒體線性接口端和中節(jié)段桿體線性接口端之間設置壓縮彈簧形成軸向可彈性伸縮結構；
[0026]所述前節(jié)段的一端通過前十字結與中節(jié)段筒體萬向接口端構成上下俯仰及左右偏轉二維轉動連接，另一端與前方相鄰的蠕動單元中的后體節(jié)側向定位模塊中的前側板固聯(lián)；后節(jié)段的一端通過后十字結與中節(jié)段桿體萬向接口端構成上下俯仰及左右偏轉二維轉動連接，另一端與后方相鄰的蠕動單元中的前體節(jié)側向定位模塊的前側板固聯(lián)；兩只所述前俯仰限位片呈上下對稱固裝于前節(jié)段的頂面和底面，兩只所述后俯仰限位片呈上下對稱固裝于后節(jié)段的頂面和底面。
[0027]本發(fā)明運行在核聚變艙中的多段蠕動式蛇形機器人的控制方法的特點也在于:所述伸縮式彈性雙萬向節(jié)中的中節(jié)段筒體線性接口端與中節(jié)段桿體線性接口端之間的軸向可相對移動距離不小于各蠕動單元內(nèi)部中體節(jié)軸向運動模塊中的前節(jié)段子模塊與后節(jié)段子模塊之間沿前后方向的可相對運動距離。
[0028]本發(fā)明運行在核聚變艙中的多段蠕動式蛇形機器人的控制方法的特點也在于:
[0029]所述前體節(jié)側向定位模塊中承載子模塊的結構設置為:
[0030]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(nèi)斜板為左端面，以外斜板為右端面形成前體節(jié)矩形框架；
[0031]在所述前體節(jié)矩形框架的外部，位于所述內(nèi)斜板上設置有內(nèi)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(nèi)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(nèi)滾球支承裝置是以核聚變艙中大雙環(huán)形槽道的內(nèi)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；
[0032]所述前體節(jié)側向定位模塊中電驅(qū)動子模塊的結構設置為:
[0033]在所述前體節(jié)矩形框架的內(nèi)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；
[0034]所述前體節(jié)側向定位模塊中外側對開支撐子模塊和內(nèi)側對開支撐子模塊具有如下相同的結構形式:
[0035]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(nèi)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(nèi)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