РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к роботам-манипуляторам, предназначенным для работы с радиоактивными материалами на предприятиях атомной промышленности при проведении лабораторных исследований и в производственном цикле изготовления соответствующей продукции. При этом исполнительный орган робота-манипулятора размещается в герметичной камере, где по команде оператора, расположенного перед камерой, выполняет технологические операции с радиоактивными материалами.
Известен манипулятор UR10, производитель Universal Robots Ltd, Дания, который обеспечивает автоматизацию технологических процессов и характеризуется высокими технологическими характеристиками: полезная нагрузка составляет 10 кг, максимальный радиус действия - 1300 мм, а число степеней подвижности равно 6. Однако, применение данного манипулятора на объектах атомной промышленности практически невозможно, поскольку локальные системы управления приводами манипулятора расположены непосредственно внутри его звеньев, и в условиях радиоактивного излучения внутри герметичных камер электроника систем управления быстро выходит из строя.
Известен также электромеханический манипулятор МЭМ-10 [Юревич Е.И. Основы робототехники. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005 г., с.14-15], широко применяемый в настоящее время в атомной промышленности. Шестистепенной исполнительный орган манипулятора МЭМ-10 размещается внутри герметичной камеры, а кинематически подобный задающий орган - на рабочем месте оператора. Передача управляющих воздействий от задающего органа, который вручную перемещает оператор, к исполнительному органу производится по кабельной связи между ними с использованием системы «сельсин-датчик» - «сельсин-приемник». При этом внутри герметичной камеры нет никаких электронных устройств (они расположены снаружи), а перемещение звеньев исполнительного органа осуществляется механическими передачами. К недостаткам данных манипуляторов относятся негерметичность узлов манипулятора, ограниченные функциональные возможности, не позволяющие обеспечить автоматический режим работы исполнительного органа по заданной траектории движения, и наличие кинематически подобного задающего органа, перемещение которого требует значительных физических усилий от человека-оператора.
Наиболее близким по функциональному назначению и технической сущности к заявленной полезной модели является манипулятор МР-48 для атомной промышленности (патент РФ на полезную модель №172431). Исполнительный орган манипулятора, размещаемый внутри герметичной камеры, представляет собой разомкнутую механическую цепь, состоящую из 6 звеньев, последовательно соединенных вращательными кинематическими парами и приводимых в движение силовыми электроприводами. Электронные блоки системы управления конструктивно вынесены из герметичной камеры на рабочее место оператора (с целью исключения воздействия ионизирующих излучений). В качестве задающих органов системы управления манипулятором использованы два многостепенных джойстика, обеспечивающих реализацию автоматизированного (с оператором в контуре управления) и автоматического (по заданной траектории) режимов управления.
Недостатком данных манипуляторов, как показала практика внедрения МР-48 в опытную эксплуатацию, является отсутствие защиты от столкновений исполнительного органа манипулятора со стенками герметичной камеры и/или с технологическим оборудованием, расположенным внутри камеры, что может привести к выходу манипулятора из строя.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности и, как следствие, сокращение затрат на ремонт и обслуживание манипуляторов и внутрикамерного технологического оборудования.
Поставленная техническая задача решается тем, что манипулятор содержит пульт управления оператора и исполнительный орган, соединенный с пультом управления посредством кабельной связи и имеющий шесть степеней подвижности с активным радиальным двупалым схватом. В состав пульта управления входит вычислительное устройство, реализующее автоматический и автоматизированный режимы управления. Задание уставок по углам поворота и угловым скоростям звеньев исполнительного органа производится посредством двух джойстиков, расположенных на пульте управления оператора.
При этом задание уставок, предупреждающих ударные столкновения исполнительного органа и перемещаемой технологической тары с элементами герметичной камеры и внутрикамерным оборудованием производится посредством блока адаптации, расположенного в пульте оператора.
Исполнительный орган выполнен герметично и оснащен датчиками углов и угловых скоростей, сигналы с которых по кабельной линии связи подаются в пульт управления для последующей обработки. Геометрические параметры герметичной камеры, технологического оборудования и тары также введены в базу данных системы управления.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема работы манипулятора в герметичной камере, на фиг. 2 представлен внешний вид исполнительного органа манипулятора, на фиг. 3 - внешний вид пульта управления.
На фиг. 1 приведена схема работы шестистепенного исполнительного органа манипулятора 1, оснащенного рабочим инструментом (схватом) 2 и прикрепленного к потолку герметичной камеры 3, в которой размещено различное технологическое и измерительное оборудование 4. В процессе работы схват исполнительного органа берет из пункта приема камеры 5 специальную технологическую тару 6 с радиоактивным материалом и перемещает ее на рабочую поверхность технологического или измерительного оборудования 4. Величина максимального усилия сжатия схвата на технологической таре (как правило, стеклянной) задается ограничением тока обратной связи электропривода сжатия-разжатия губок схвата. Блок управления манипулятора 7 расположен на рабочем месте оператора 8 и соединен с исполнительным органом кабелем 9.
В автоматизированном режиме перемещение манипулятора с тарой визуально отслеживает оператор через толстое замутненное стекло, что делает вероятным ударное соприкосновение тары с рабочими поверхностями оборудования и/или столкновение различных звеньев манипулятора с элементами самой герметичной камеры. В автоматическом режиме управления (при повторяющихся стандартных операциях) траектория движения манипулятора задается программным путем, как правило, запоминанием заданной оператором траектории. При этом так же необходимо на первом этапе (задание траектории) исключить возможные ударные нагрузки.
Функция защиты оборудования от ударных нагрузок в заявляемом устройстве реализована путем введения в состав блока управления 7 дополнительного блока адаптивного управления манипулятором 10. Аппаратно-программная реализация блока 10 позволяет решить следующие задачи управления:
- ограничить усилие схвата манипулятора при зажиме технологической тары с известными массогабаритными параметрами (в автоматическом и автоматизированном режимах работы манипулятора);
- исключить ударные столкновения исполнительного органа и перемещаемой тары с элементами герметичной камеры и внутрикамерным оборудованием, то есть ограничить рабочую зону манипулятора с учетом геометрии окружающей среды (автоматический режим);
- обеспечить плавную (безударную) установку технологической тары на рабочие поверхности оборудования. В автоматическом режиме плавность установки обеспечивается программой управления, в автоматизированном режиме - введением понижающих коэффициентов передачи задающего воздействия (от оператора) к скорости перемещения схвата при его приближении к рабочей поверхности оборудования.
В процессе работы блок адаптации 10 получает от вычислительного устройства 11 информацию о текущей конфигурации исполнительного органа и объекта манипулирования (тары), сравнивает ее с имеющимися в его базе данных геометрическими параметрами герметичной камеры и внутрикамерного оборудования и формирует в вычислительное устройство 11 указание о приближении к запретной зоне и/или к зоне рабочей поверхности оборудования (для плавного снижения скорости перемещения). Вычислительное устройство 11 при получении данной информации вносит корректировки в заданные уставки траектории движения исполнительного органа.
В герметичной конструкции исполнительного органа использованы электроприводы, датчики углов и угловых скоростей и планетарно-циклоидные передачи, что позволяет обеспечить необходимые массогабаритные характеристики устройства при заданных моментах на приводах его звеньев.
Таким образом, предложенная полезная модель манипулятора отличается от прототипа повышенной надежностью и, как следствие, сокращением затрат на ремонт и обслуживание манипуляторов и внутрикамерного оборудования (за счет предотвращения ударных столкновений исполнительного органа и перемещаемой технологической тары с элементами герметичной камеры и внутрикамерным оборудованием).
В настоящее время разработанный и изготовленный опытный образец радиационно стойкого манипулятора прошел испытания в условиях действующего производства. В процессе испытаний подтверждены все заданные технико-эксплуатационные характеристики, при этом сложилась ситуация, при которой несанкционированные действия оператора привели к столкновению и выходу из строя как манипулятора, так и технологического оборудования. Трудоемкий процесс ремонта (выемка из герметичной камеры, дезактивация, замена вышедших из строя элементов, установка в камеру) оказался длительным и затратным, что и привело к необходимости решения поставленной технической задачи.