基本信息
- 项目名称：
- 核设施拆卸机器人末端工具实验样机研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 项目组针对现阶段核处理机器人末端工具的复用性和互换性差、无法实现自动换装功能这些局限，展开了对核设施拆卸机器人末端工具实验样机的研制。主要包括对末端工具模块化、标准化设计、互换性设计；自动换装；特种加工工艺与快速制造技术；机械手臂的电随动控制等方面展开研究。
- 详细介绍：
- 近年来，核安全事故频频发生，比如今年日本核泄漏事件引起了全世界的恐慌，但是目前国内外研制的核应急处理机器人还存在很大局限，项目组针对其末端工具的复用性和互换性差、无法实现自动换装功能这些局限，展开了对核设施拆卸机器人末端工具实验样机的研制。 1、针对现有机器人末端工具非标件、匹配困难等问题，项目团队采用了模块化、标准化设计和互换性设计技术，可以一次性完成复杂的拆卸和搬运任务。 2、面对核机器人驱离辐射区后形成的二次污染问题，机器人执行机构末端工具采用了自动换装技术，从而使核设施拆卸机器人可以快速的适应复杂拆卸现场，提高工作效率，从而推动机器人从专用型向通用型过度。 3、对结构复杂、制造困难等问题，采用了特种加工工艺和快速制造技术有效的解决 4、面对远程遥控操作十分困难的问题，该核设施拆卸机器人末端工具系统的机械手臂采用电随动的方式可进行有线无线控制。 根据该末端工具的特点，机器人不仅仅可以运用于和退役设施拆除现场，也可以在地震、泥石流、瘟疫等自然灾害现场实施救援，具有很好的发展前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、设计目的 近年来，核安全事故频频发生，比如今年日本核泄漏事件引起了全世界的恐慌，但目前国内外研制的核应急处理机器人还存在很大局限，我们项目组针对其末端工具的复用性和互换性差、无法实现自动换装功能这些局限，展开了对核设施拆卸机器人末端工具实验样机的研制。 二、基本思路 (1)根据核应急处理现场需破碎的水泥板尺寸、需剪切的钢筋型号等，重点研究搬运铲、破碎钳、切割锯等几种典型末端工具及其标准化设计。 (2)根据末端工具应具备的功能，综合考虑材料、加工、结构强度等因素，设计末端工具的结构，采用有限元技术和虚拟样机技术对其是否满足要求进行仿真分析，对结构进一步优化。 (3)采用互换性设计理论与方法，对搬运铲、破碎钳、切割锯等几种典型末端工具的自动换装与功能复用技术进行研究。 三、创新点 (1)末端工具系统采用了模块化、标准化设计和互换性设计技术 (2)机器人执行机构末端工具采用自动换装 (3)采用了特种加工工艺与快速制造技术 (4)机械手臂采用电随动方式控制 四、技术关键 (1)核机器人末端工具自动换装技术 (2)核机器人末端工具加工工艺与快速制造技术 (3)核机器人末端工具复用优化技术 五、技术指标 （1）机械故障率<0. 1%，机械响应时间<1s （2）常规环境连续稳定工作时间>100小时 （3）机器人末端工具定位精度<10cm （4）机器人携带末端工具数量>4 （5）末端工具自动换装时间<5min （6）防护等级：IP54
科学性、先进性
- 1、末端工具系统采用了模块化、标准化设计和互换性设计技术，解决现有机器人末端工具非标件、匹配困难等问题。与其他核工业机器人系统相比，该核设施拆卸机器人末端工具系统具有更明显的通用性。 2、机器人执行机构末端工具采用自动换装，解决核机器人驱离辐射区后形成二次污染的问题。机器人可根据拆卸任务的实际情况需要，可以自动选择安装与之相对应的末端工具。与其他类型的机器人相比，装载该末端工具系统的机器人在换装工具时无需退出强辐射现场或者由工作人员介入手动换装。 3、采用了特种加工工艺与快速制造技术 机器人末端工具需要对各种高强度设施进行可靠剪断、切割等动作，采用高强度特种合金，它们的加工工艺和快速制造技术亟待解决。本项目在电火花、线切割、激光钻孔、高速射流切割等特种加工方法方面展开研究。 4、机械手臂采用电随动方式控制 该核设施拆卸机器人末端工具系统的机械手臂采用电随动的方式进行控制，可有效降低远程遥操作的难度，解决现有的手柄、键盘等方式控制存在的问题。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物；模型；图纸；现场演示；图片；录像。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、在核工业科研和生产领域，核设施拆卸机器人末端工具系统可以广泛应用于核退役设施拆除现场，满足核工业与放射性三废治理工程的急迫需求；核退役机器人为核设施拆除提供了一个安全、可靠的解决方案，改进了放射性环境作业与核废物治理工程的传统方法，有效的降低了人员伤亡以及对周边环境的污染，将在核工业发展中发挥着重要的作用。 2、通过对其他危险环境的研究，核设施拆卸机器人末端工具系统可以为有毒有害气体环境的科学研究提供实验平台；可以在地震、泥石流、瘟疫等灾害现场实施救援工作，具有很好的推广应用价值。
同类课题研究水平概述
- 近年来美国、瑞典、法国、加拿大等国，以及我国国内一些高校、研究院已掀起一股研制用于核应急处理机器人的研究热潮。 在国外，许多国家在理论研究、实物研制等方面开展了大量研究工作，所研制的部分机器人装备与系统也得到应用。美国华盛顿州南部原子能研究中心根据强辐射环境的具体需求，设计了具有攀爬、去污、搬运功能的机器人组。美国ADAM公司还设计了一种机器人，可用于强辐射环境中的设施的自动拆卸任务。瑞典布鲁克公司设计生产的机器人通过特殊的改装后也曾应用于反应堆的退役工程。2006年9月，由俄罗斯和瑞典联合研制的移动机器人Bobik被用于Kola半岛的核辐射监测。 在国内，也有大量研究人员从事核应急处理研究。上海交通大学等高校联合研制的“勇士号”核工业机器人样机，涉及在恶劣、危险、有害环境下遥控机器人的移动、控制和通讯等关键技术。哈尔滨工业大学、中国科技大学、西安交通大学等大学，以及中国原子能科学研究院、中国科学院等单位也在核应急处理机器人的研制方面取得进展。 2009年6月，西南科技大学项目组研制的机器人成功完成杞县钴卡源故障的处置任务。在之后的广东番禺卡源事故处理中，项目组研制的特种机器人再次成功完成任务。 总结国内外的研究现状，存在以下问题： (1) 核应急条件下，辐照剂量大，需处理处置的结构强度高、尺寸大，现场复杂多变，机器人末端工具一般采用特殊的高强度合金材料，结构复杂、加工困难。目前的核处理机器人末端工具均为非标产品，需要根据作业现场的实际情况临时设计制造，互换性差、性能可靠性差、研制周期长、成本高、加工困难。目前仅瑞典BROKK等少数公司提供核设施处理机器人及末端工具，价格昂贵。 (2) 考虑控制的可靠性，目前用于核领域的机器人末端工具均采用液压驱动，在长期的作业中，现有的液压系统会发生泄漏。强辐照会污染机器人和作业机械，致使其成为新的放射源，不允许驶离辐照区；发生泄漏时，不允许人到有核区域进行处理，人工方式换装末端工具存在巨大的安全隐患。根据现有报道，目前国内外的核处理机器人尚无法完成自动换装末端工具。 辐射监测与应急处置机器人技术成果的产品化，辐射监测、作业与事故应急的工程化和策略与方案的科学规范对核技术健康安全发展非常重要。研发特种高性能的危险作业机器人工程装备，形成高放物质处理处置的工程能力，既有明确的工程目的又有重要的社会经济意义。
