运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核环境遥操纵机器人及自动化技术领域，更具体地说是涉及一种运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构及控制方法。
【背景技术】
[0002]托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，其中央是一个外面缠绕着线圈的环形真空室；在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。全托卡马克装置的内部舱体一般被称为核聚变反应舱，作为当代核能源产生和制备的核心载体，其内部环境属于一种典型极端环境，一方面具有强辐射、高温、强磁场以及高真空等物理特点，另一方面，反应舱内部设备众多，管道错综复杂，通道狭隘，工作空间小，再加上舱内的某些部件会受到放射性和有毒物质的污染，即使在设备的维护保养期间维护人员也不能或不宜直接对反应舱内部相关部件进行操作，因此需要借助于舱外遥操纵手段，通过一种智能型机电设备替代人类进入舱内完成相应的作业任务。为了应对反应舱内部的恶劣环境，保证核聚变反应堆的正常工作秩序，需要研制一种面向核聚变反应舱环境的行走机构，用来执行反应舱内部件的曰常观测、侦察和巡检等对各种状态信息的采集、处理、表示和识别等任务，监视核聚变反应堆的具体工作情况，以便为异常情况出现时采取相应的决策提供依据。
[0003]目前国内外对于核聚变舱遥操纵机器人行走机构的公开报道为数不多。荷兰爱思唯尔(Elsevier)科学出版公司出版的《聚变工程与设计》(Fus1n Engineering andDesign，83 (2008)，pp: 1833 - 1836.)中公开了一种 Articulated Inspect1n Arm(AIA)机器人，属于一种针对核聚变舱环境的悬空式机器人行走机构，采用5个关节的模块化设计，每个关节处分别有一个俯仰自由度和一个偏转自由度，偏转运动由安装在模块内的驱动电机提供，俯仰运动由平行四边形杆内的螺旋千斤顶处的电机提供，各电机输出轴的运动通过钢索传递至大角度回转关节索轮处，带动机器人各模段之间产生相对回转运动，该机器人可在核聚变舱物理实验的间歇期内进入舱内移动，对真空室第一壁进行近距离观测，监测全托卡马克装置在运行期间真空室内的工作情况；但由于该机器人属于悬臂式结构，一方面其动力驱动装置分别集成在各机械臂关节内部，增加了机器人关节臂的重量，加大了机器人末端支撑装置的承载负担，使得机器人总体尺寸不宜过长，从而限制了机器人在核聚变舱内的探测活动空间范围；另一方面由于该机器人各关节行走机构的回转运动需要各自驱动装置同步协调控制，步态轨迹较难精准规划，且受机械臂自重的干扰，机器人前端探测装置在运行过程中容易出现抖动现象，影响了系统的定位精度和运动稳定性。
[0004]中国专利申请CN102233575A公开的一种用于核辐射环境下的小型应急救援及探测机器人，其行走机构采用履带式底盘结构，驱动电机放置在底盘中部，通过链条驱动履带运行，底盘前端设有四自由度机械手，伽马相机及成像系统位于机器人后部，可以对核环境下的辐射强度和方位进行探测，并通过机器人机械臂进行应急处理；该机器人的行走机构虽然具备一定的通过能力，可用于核聚变舱外围的一些非结构化环境，但仍然无法在几何构造条件苛刻的核聚变舱内部空间运行，限制了其使用范围。
【发明内容】
[0005]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构及控制方法，以克服现有技术中悬臂式方案所造成的对核聚变舱内部空间探测范围及定位精度有限并且运行不稳定等缺陷，使其运动轨迹可遍及整个核聚变舱底部的大双环形槽道，运动步态类似蠕虫行走，运行稳定性好且控制简单，通过搭载视觉观测云台实现对核聚变舱内部空间三个自由度的全方位视觉信息采集，以期降低机器人行走机构本体对承载能力的要求，改善核环境遥操纵机器人平台对核聚变舱内部结构化特定环境的运动适应性。
[0006]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构的结构特点是:由前体节侧向定位模块与后体节侧向定位模块在中体节轴向运动模块的两端对称设置构成；
[0008]所述前体节侧向定位模块的结构设置为:电驱动子模块固装于承载子模块的内部，并有具有相同的结构形式的内侧对开支撑子模块和外侧对开支撑子模块对称设置于所述电驱动子模块的左右两侧；所述内侧对开支撑子模块和外侧对开支撑子模块的一端分别固联于电驱动子模块的左右两侧设定位置处，另一端分别沿所述电驱动子模块的左右侧向可伸缩运动并以所述承载子模块为导轨；在所述前体节侧向定位模块的顶部，位于中央设置前体节热控装置，位于侧部设置前体节配重系统，所述前体节配重系统处在前体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块的上方；
[0009]所述后体节侧向定位模块与所述前体节侧向定位模块具有相同的结构形式；在所述后体节侧向定位模块的顶部，位于中央设置后体节热控装置，位于侧部设置后体节配重系统，所述后体节配重系统处在所述后体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块的上方；
[0010]所述中体节轴向运动模块的结构设置为:前节段子模块固装于壳体子模块的内部；所述前节段子模块和后节段子模块在壳体子模块的内部相联并且相互间沿前后方向可相对运动，形成可伸缩的中体节轴向运动模块，所述后节段子模块突出于所述中体节轴向运动模块的尾部端面；在所述中体节轴向运动模块的顶部，位于中央设置中体节热控装置；
[0011]在所述前体节侧向定位模块与中体节轴向运动模块之间以前双万向节相联接，在所述后体节侧向定位模块与中体节轴向运动模块之间以后双万向节相联接。
[0012]本发明运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构的结构特点也在于:
[0013]所述前体节侧向定位模块中承载子模块的结构设置为:
[0014]以第一矩形底板为底面，以第一矩形顶板为顶面，在所述第一矩形底板和第一矩形顶板之间以前侧板为前端面、以后侧板为后端面，以内斜板为左端面，以外斜板为右端面形成前体节矩形框架；
[0015]在所述前体节矩形框架的外部，位于所述内斜板上设置有内滚球支承装置，位于所述外斜板上设置有外滚球支承装置，以所述内滚球支承装置和外滚球支承装置作为所述前体节矩形框架在左端面和右端面上的支撑件；在所述前体节矩形框架的外部，位于所述第一矩形底板上设置有万向脚轮，以所述万向脚轮作为所述前体节矩形框架在底面的支撑件；所述内滚球支承装置是以核聚变舱中大双环形槽道的内环壁为支撑面；所述外滚球支承装置是以所述核聚变舱中大双环形槽道的外环壁为支撑面；
[0016]所述前体节侧向定位模块中电驱动子模块的结构设置为:
[0017]在所述前体节矩形框架的内部，位于所述第一矩形底板上并处在同轴线的位置上依次设置对开支撑子模块固定支座、第一电机支座、第一轴承支座和第二轴承支座；在所述第一电机支座上固定安装第一真空伺服减速电机，所述第一真空伺服减速电机的输出轴通过第一联轴器与第一中心滚珠丝杆相联接；所述第一中心滚珠丝杆为阶梯轴，所述阶梯轴的两端分别通过第一双列角接触球轴承和第一深沟球轴承支承于所述第一轴承支座和第二轴承支座之间，第一螺套以滚动螺旋配合套装在所述第一中心滚珠丝杆的螺纹轴段上；第一移动平板固装于所述第一螺套上；设置第一移动平板导向结构，是在所述第一中心滚珠丝杆的两侧平行设置第一导向杆，所述第一导向杆的一端固装于第一轴承支座上，另一端通过第一套筒固装于第二轴承支座上，所述第一移动平板利用第一直线轴承支承在所述第一导向杆上，使所述第一移动平板在所述第一螺套的带动下可以在第一导向杆上轴向移动；在所述第一矩形底板上、位于所述第一中心滚珠丝杆的正下方设置有第一光电开关，所述第一光电开关位于第一轴承支座和第二轴承支座之间设定位置处；
[0018]所述前体节侧向定位模块中外侧对开支撑子模块和内侧对开支撑子模块具有如下相同的结构形式:
[0019]在所述对开支撑子模块固定支座和第一移动平板的旁侧设置大平板，在所述大平板的内侧与对开支撑子模块固定支座的相对位置处固定安装联接板，在所述大平板的内侧与第一移动平板的相对位置处固定安装滑轨，所述滑轨与第一中心滚珠丝杆的轴线平行，在所述滑轨上滑动配合有滑块；平行设置的第一上连杆和第一下连杆在一端通过第一上铰支座、第一下铰支座以及第一销轴与对开支撑子模块固定支座相铰接；在另一端通过双铰支座和第四销轴与所述滑块相铰接；平行设置的第二上连杆和第二下连杆在一端通过第三上铰支座、第三下铰支座以及第三销轴与安装联接板相铰接，在另一端通过第二上铰支座、第二下铰支座以及第二销轴与第一移动平板相铰接；在所述内侧对开支撑子模块中，在其大平板的外侧固定设置内楔形支架，在所述内楔形支架的外端面上设置有内万向撑爪；在所述外侧对开支撑子模块中，在其大平板的外侧固定设置外楔形支架，在所述外楔形支架的外端面上设置外万向撑爪；以所述内万向撑爪和外万向撑爪在核聚变舱中的大双环形槽道的内环壁和外环壁上形成支撑为锁止状态，以所述内万向撑爪和外万向撑爪脱离在核聚变舱中的大双环形槽道的内环壁和外环壁上的支撑为解锁状态；
[0020]本发明运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构的结构特点也在于:所述外滚球支承装置和内滚球支承装置具有如下相同的结构形式:导向筒通过安装板固定在内斜板上，弹簧压块嵌装于导向筒内且与导向筒为滑动配合，在安装板与弹簧压块之间套装有波形弹簧，球铰座与弹簧压块螺纹联接，并有滚球与所述球铰座球铰配合。
[0021]本发明运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构的结构特点也在于:所述外万向撑爪和内万向撑爪具有如下相同的结构形式:
[0022]撑爪头部通过一万向结与铰支座相联，所述万向结由长销轴、两只结构相同的半销轴以及十字块组成，所述十字块通过长销轴铰接于铰支座上，并通过两只半销轴沿十字块的中心截面对称铰接于撑爪头部，两只半销轴与长销轴的中心线垂直交汇于十字块的中心；所述铰支座与所述内侧对开支撑子模块中的内楔形支架固联；在所述撑爪头部的圆弧外端面上粘贴氟橡胶层并且呈阵列式分布有压力传感器件。
[0023]本发明运行在核聚变舱中的仿蠕虫机器人行走机构的结构特点也在于:
[0024]所述中体节轴向运动模块中的壳体子模块的结构设置为:
[0025]以第二矩形底板为底面，以第二矩形顶板为顶面，并在所述第二矩形底板和第二矩形顶板之间以矩形左侧板和矩形右侧板分别为两侧面，以矩形前侧板和工字型后侧板分别为两端面形成一中体节矩形框架；
[0026]所述前节段子模块和后节段子模块具有如下相同的结构形式:
[0027]在所述中节体矩形框架的内部，位于第二矩形底板上并处在同轴线B的位置上分别设置第三轴承支座与第四轴承支座，位于第二矩形顶板上呈悬置固定设置第二电机支座，在所述第二电机支座上固定安装第二真空伺服减速电机；第一齿轮设置在所述第二真空伺服减速电机的输出轴上并且与第二齿轮啮合，所述第二齿轮设置在第二中心滚珠丝杆的端部且由小圆螺母进行轴向紧固；所述第二中心滚珠丝杆为阶梯轴，所述阶梯轴的两端分别通过第二双列角接触球轴承和第二深沟球轴承支承于所述第三轴承支座和第四轴承支座之间，第二螺套以滚动螺旋配合套装在所述第二中心滚珠丝杆的螺纹轴段上；第二移动平板固装于所述第二螺套上；
[0028]在所述第二移动平板的左右两侧对称位置上分别固装有第二直线轴承；在所述第二中心滚珠丝杆的左右两侧对称位置上分别设置第二导向杆，所述第二导向杆的一端固装于第三轴承支座上，另一端通过第二套筒固装于第四轴承支座