核电站多功能水下打捞机器人系统研究.pdf

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1、第３８卷第３期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ３２０１７年３月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＭａｒ．２０１７核电站多功能水下打捞机器人系统研究１２２２２黄晓辰，张小俊，孙凌宇，李满宏，张明路（１．天津职业技术师范大学机械工程学院天津３００２２２；２．河北工业大学机械工程学院天津３００１３０）摘要：在核电站中，存在辐照剂量高、结构环境复杂等问题，操作人员作业时不可避免地会受到核辐射照射，对操作人员生命安全带来极大威胁。针对上述问题，研制出作业于核环境下的核电站多功能水下打捞机器人。首先，对机器人进行运动学分析，分别求解出机械手的正逆运动学方程

2、及奇异位形；在此基础上，考虑水阻力、附加质量力以及浮力的影响，建立了机器人的水动力学模型，对机器人复杂水下动力学问题进行描述；最后，根据理论分析研制出该机器人第３代工程样机，并通过核电站现场实验对该机器人进行实验验证。实验结果表明，核电站多功能水下打捞机器人能够快速准确的完成异物抓取作业，实现核环境下的水下异物搜索与异物打捞的设计目标。关键词：核电站；水下打捞机器人；运动学分析；水动力学分析；机器人设计中图分类号：ＴＰ２４ＴＨ１２２文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．２０Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｆｏｒｏｂｊｅｃｔｓａｌｖ

3、ａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ１２２２２ＨｕａｎｇＸｉａｏｃｈｅｎ，ＺｈａｎｇＸｉａｏｊｕｎ，ＳｕｎＬｉｎｇｙｕ，ＬｉＭａｎｈｏｎｇ，ＺｈａｎｇＭｉｎｇｌｕ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００２２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐ

4、ｌｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｅｒｓｏｎｎｅｌｃａｎｂｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｒａｄｉａｔｉｏｎｓｔｈａｔｇｒｅａｔｌｙｔｈｒｅａｔｅｎｔｈｅｉｒｐｈｙｓｉｃａｌｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｌｉｆｅｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｆｏｒｏｂｊｅｃｔｓａｌｖａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｍｏｄｅｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅＤＨｒｕｌｅ，ａｎｄｉｔｓｆｏｒｗａｒｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｆｏｒｍｕ

5、ｌａｔｉｏｎ，ｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｗａｔｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｆｏｒｃｅａｎｄｂｕｏｙａｎｃｙｆｏｒｃｅ，ｄｙｎａｍｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｏｂｏｔａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｆｉｎａ

6、ｌｌｙ，ａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｒｅａｃｔｏｒｒｏｂｏｔｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｇｒａｂｂｉｎｇｔｅｓｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｆｏｒｏｂｊｅｃｔｓａｌｖａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｇｏａｌｏｆｇｒａｂｂｉｎｇｆｏｒｅｉｇｎｍａｔｔｅｒｓｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒｐｏｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ；ｒｏｂｏｔｆｏｒｏｂｊｅｃｔｓ

7、ａｌｖａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｗａｔｅｒｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎ巨大的廉价能源供应，但在核电站中，存在辐照剂量高、１引言结构环境复杂等问题。操作人员在进行常规作业时，会不可避免地受到核辐射照射，对操作人员的生命安全带能源是世界上一切生命生存的基础，从某种意义上来极大的威胁。在这种特殊环境下，采用机器人代替操讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和对先进能作人员作业可以降低操作人员劳动强度和受照剂