核应急多功能作业机器人下部总成的制作方法

本发明涉及核应急设备技术领域，特别是一种核应急多功能作业机器人下部总成。

背景技术：

随着核电产业的快速发展，对核安全的要求也日益提高，对核电站应急响应机器人的研发需求也逐渐凸显。核电站应急机器人涉及的电气部件耐辐射性能、机器人系统耐辐射性能、系统可靠性及功能多样化都是应急机器人的设计重点和难点。

对核电站应急情况而言，在核辐射环境下发生的事故存在较大的辐射风险，尤其需要核应急机器人参与各项救援工作，核应急机器人可代替操作人员，针对核设施紧急情况采取措施(例如切割、焊接、钻孔作业)。由于核电站现场设施及周围环境条件复杂，从而对核应急机器人设计提出了诸多要求。

核应急机器人的设计难点如下：

1、底座地面净空高度既不能太低也不能太高，太低容易被地面上的杂物剐蹭底座，太高则不利于机器人的尺寸小型化及稳定性；

2、为适应核电站内复杂的现场设施及周围环境需求，其应具有越障、爬坡及多工种快速切换作业能力；

一直以来，研发人员都在致力于研发满足上述需求的核应急机器人系统，但目前市面上未见满足上述设计需求的核应急机器人。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种核应急多功能作业机器人下部总成，当它应用在核应急多功能作业机器人上时，为核应急多功能作业机器人提升作业稳定性、躲避地面障碍物、快速换装末端工具功能的实现提供了结构支持。

本发明的技术方案是：核应急多功能作业机器人下部总成，包括基座和运动支持装置；

基座包括底座、安装座a、安装座b、安装座c、回转驱动机构a和回转驱动机构b；安装座a固定安装在底座上端，其前后两端分别设有前部安装区域和后部安装区域，安装座b和安装座c分别活动安装在前部安装区域和后部安装区域中，安装座c上设有多个安置腔；回转驱动机构a安装在底座与安装座b之间，以驱动安装座b做水平方向的旋转；回转驱动机构b安装在底座与安装座c之间，以驱动安装座c做水平方向的旋转；

运动支持装置安装在底座的前端两侧和后端两侧，其用于驱动核应急多功能作业机器人运动。

本发明进一步的技术方案是：底座上设有电机安装孔a和电机安装孔b，底座的前端两侧和后端两侧分别设有用于安装运动支持装置的安装缺口a；

安装座a的前部安装区域为设在安装座a前端、从上至下贯通安装座a的弧形缺口，安装座a的后部安装区域为设在安装座a后端、从上至下贯通安装座a的安装孔；

安装座b呈圆柱形，并与前部安装区域的弧度相适应，其上设有安装缺口b，安装缺口b的底部设有滑轨；

安装座c呈圆柱形，并与后部安装区域的孔径相适应，所述安置腔从上至下依次包括上安置腔和下安置腔，上安置腔在安装座c的上端形成开口，所有的安置腔绕安装座c的中心线呈环形均布。

本发明再进一步的技术方案是：回转驱动机构a包括电机a、主动齿轮、转轴a及从动齿轮；电机a固定安装在底座的电机安装孔a中；主动齿轮固定安装在电机a的机轴上；转轴a竖直布置并可转动的安装在底座上，其上端与安装座b的下端固接；从动齿轮固定安装在转轴a上并与主动齿轮啮合；电机a的动力通过主动齿轮、从动齿轮及转轴a传递至安装座b上，以驱动安装座b转动；

回转驱动机构b包括电机b、主动销轮、转轴b及从动槽轮；电机b固定安装在底座的电机安装孔b中；主动销轮中部设有中心孔a，端面上固接有圆销，侧壁面上设有锁止凸弧，主动销轮通过中心孔a固定安装在电机b的机轴上；转轴b竖直布置并可转动的安装在底座上，其上端与安装座c的下端固接；从动槽轮中部设有中心孔b，侧壁面上设有多段锁止凹弧，所有的锁止凹弧绕中心孔b呈环形均布，相邻的锁止凸弧之间设有供圆销插入的插槽，从动槽轮通过中心孔b固定安装在转轴b上，并通过锁止凹弧与主动销轮的锁止凸弧相贴合；电机b的动力通过主动销轮、从动槽轮、转轴b传递至安装座c，以驱动安装座c间歇转动。

本发明更进一步的技术方案是：安置腔的轴心线相对于竖直平面倾斜8～12°。

本发明更进一步的技术方案是：上安置腔与母接头的外形轮廓相适应，上安置腔和下安置腔之间设有定位台阶面。

本发明更进一步的技术方案是：安置腔的数量为3个；相应的，从动槽轮上设有3段锁止凹弧。

本发明更进一步的技术方案是：运动支持装置包括液压马达a、液压马达b、伸缩套筒、支持壳体、轮带组件和驱动组件；液压马达a安装在底座的安装缺口a中，其转轴竖直向下伸出；液压马达b固定连接在液压马达a的转轴上，其转轴沿水平方向伸出；伸缩套筒包括前段套筒、后段套筒和液压缸f，前段套筒固接在液压马达b的转轴上，后段套筒与前段套筒活动套接，液压缸f安装在前段套筒和后段套筒之间，以驱动伸缩套筒伸长或缩短；支持壳体焊固在后段套筒上；轮带组件包括一号轮、一号轮轴、二号轮、二号轮轴和履带，一号轮固定安装在一号轮轴上，二号轮固定安装在二号轮轴上，一号轮轴和二号轮轴分别可转动的安装在支持壳体上，履带绕设在一号轮与二号轮之间；驱动组件包括电机c、齿轮a、齿轮b、齿轮c、齿轮轴a、齿轮轴b、齿轮d和齿轮e，电机c固定安装在支持壳体上，齿轮a固定安装在电机a的机轴上，齿轮b和齿轮c分别固定安装在齿轮轴a和齿轮轴b上，并位于齿轮a的两侧，并均与齿轮a啮合，齿轮d和齿轮e分别固定安装在一号轮轴和二号轮轴上，并分别与齿轮b和齿轮c啮合。

本发明更进一步的技术方案是：履带内侧表面上设有防滑齿，一号轮和二号轮的外圆面中部设有一圈供履带嵌入的定位槽，定位槽内设有供防滑齿嵌入的防滑齿槽；当履带嵌入一号轮和二号轮的定位槽中时，履带外侧表面与一号轮和二号轮的外圆面齐平，履带内侧表面的防滑齿与一号轮和二号轮上的防滑齿槽啮合。

本发明更进一步的技术方案是：其还包括传感器组件；传感器组件包括激光接近传感器a、摄像头、激光接近传感器b及倾斜传感器；激光接近传感器a设在底座下端；摄像头安装在安装座a上；激光接近传感器b安装在安装座a的两侧壁上；倾斜传感器安装在安装座a的前端两侧和后端两侧。

本发明应用于核应急多功能作业机器人，其具有如下优点：

1、基座为作业机器人上所有部件的安装提供了必要的结构支持，安装座a用于承载及安装机器人的各类部件，安装座b用于安装机械臂，安装座c用于搭载多个末端工具，回转驱动机构a和回转驱动机构b分别驱动安装座b和安装座c旋转。基于基座的结构，为机器人在作业现场快速换装末端工具提供了支持，进而有助于核应急多功能作业机器人实现在核应急场景下的多工种快速切换作业。

2、运动支持装置安装在底座的前端两侧和后端两侧，每一处运动支持装置均可独立运行，并能实现以下动作：在液压马达a的驱动下向底盘外侧水平转动、在伸缩套筒的带动下向远离底盘的方向移动、在液压马达b的驱动下竖直向下转动、在驱动组件的驱动下带动机器人移动。通过不同动作组合可极大拓展机器人的适用范围，提高机器人对复杂场地的适应性。

3、运动支持装置的轮带组件将轮子与履带结合为一体，一方面，履带嵌入一号轮和二号轮上的定位槽，以避免出现轴向滑移，另一方面，履带通过防滑齿与一号轮和二号轮上的防滑齿槽相互啮合，以避免出现相对打滑。轮带组件的轮子及履带同时与地面接触，结合了车轮行进速度较快、履带越障爬坡性能较好的特点。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为基座中的底座的结构示意图；

图3为基座中的安装座a的结构示意图；

图4为基座中的安装座b的结构示意图；

图5为基座中的回转驱动机构a的结构示意图；

图6为基座中的回转驱动机构b的结构示意图；

图7为基座中的回转驱动机构a的安装位置示意图；

图8为基座中的回转驱动机构b的安装位置示意图；

图9为运动支持装置的安装位置示意图；

图10为运动支持装置的爆炸图；

图11为运动支持装置的结构示意图；

图12为传感器组件的安装位置示意图；

图13为本发明所应用的核应急多功能作业机器人作业时的状态图；

图14为本发明所应用的核应急多功能作业机器人躲避地面障碍物时的状态图；

图15为本发明所应用的核应急多功能作业机器人换装末端工具时的状态图。

图例说明：底座11；电机安装孔a111；电机安装孔b112；安装缺口a113；安装座a12；前部安装区域121；后部安装区域122；安装座b13；安装缺口b131；安装座c14；安置腔141；上安置腔1411；下安置腔1412；定位台阶面1413；电机a151；主动齿轮152；主动齿轮轴153；从动齿轮154；电机b161；主动销轮162；圆销1621；锁止凸弧1622；转轴b163；从动槽轮164；锁止凹弧1641；插槽1642；

机械臂2；公接头31；母接头32；

运动支持装置4；液压马达a41；液压马达b42；伸缩套筒43；前段套筒431；后段套筒432；液压缸f433；支持壳体44；一号轮451；一号轮轴452；二号轮453；二号轮轴454；履带455；防滑齿4551；电机c461；齿轮a462；齿轮b463；齿轮c464；齿轮轴a465；齿轮轴b466；齿轮d467；齿轮e468；

摄像头51；激光接近传感器b52；倾斜传感器53。

具体实施方式

实施例1：

如图1-12所示，核应急多功能作业机器人下部总成，包括基座和运动支持装置4。

基座包括底座11、安装座a12、安装座b13、安装座c14、回转驱动机构a和回转驱动机构b。

底座11上设有电机安装孔a111和电机安装孔b112，底座11的前端两侧和后端两侧分别设有用于安装运动支持装置的安装缺口a113。

安装座a12固定安装在底座11上端，其前后两端分别设有前部安装区域121和后部安装区域122，前部安装区域121为设在安装座a12前端、从上至下贯通安装座a12的弧形缺口，后部安装区域122为设在安装座a12后端、从上至下贯通安装座a12的安装孔。

安装座b13活动安装在安装座a12的前部安装区域121中，安装座b13呈圆柱形，并与前部安装区域121的弧度相适应，其上设有安装缺口b131。

安装座c14活动安装在安装座a12的后部安装区域122中，安装座c14呈圆柱形，并与后部安装区域122的孔径相适应，其上设有绕安装座c14的中心线呈环形均布的三个安置腔141，安置腔141从上至下依次包括上安置腔1411和下安置腔1412，上安置腔1411在安装座c14的上端形成开口。

回转驱动机构a安装在底座11与安装座b13之间，以驱动安装座b13做水平方向的旋转。回转驱动机构a包括电机a151、主动齿轮152、主动齿轮轴153及从动齿轮154。电机a151固定安装在底座11的电机安装孔a111中。主动齿轮152固定安装在电机a151的机轴上。主动齿轮轴153竖直布置并可转动的安装在底座11上，其上端与安装座b13的下端固接。从动齿轮154固定安装在主动齿轮轴153上并与主动齿轮152啮合。电机a151的动力通过主动齿轮152、从动齿轮154及主动齿轮轴153传递至安装座b13上，以驱动安装座b13转动。

回转驱动机构b安装在底座11与安装座c14之间，以驱动安装座c14做水平方向的旋转。回转驱动机构b包括电机b161、主动销轮162、转轴b163及从动槽轮164。电机b161固定安装在底座11的电机安装孔b112中。主动销轮162中部设有中心孔a，端面上固接有圆销1621，侧壁面上设有锁止凸弧1622，主动销轮162通过中心孔a固定安装在电机b161的机轴上。转轴b163竖直布置并可转动的安装在底座11上，其上端与安装座c14的下端固接。从动槽轮164中部设有中心孔b，侧壁面上设有三段锁止凹弧1641，三段锁止凹弧1641绕中心孔b呈环形均布，相邻的锁止凸弧1641之间设有供圆销1621插入的插槽1642，从动槽轮164通过中心孔b固定安装在转轴b163上，并通过锁止凹弧1641与主动销轮162的锁止凸弧1622相贴合。电机b161的动力通过主动销轮162、从动槽轮164及转轴b163传递至安装座c14，以驱动安装座c14间歇转动，每次转动角度为120°。

运动支持装置4分别安装在底座11前端两侧的安装缺口a113和后端两侧的安装缺口a113中。运动支持装置4包括液压马达a41、液压马达b42、伸缩套筒43、支持壳体44、轮带组件和驱动组件。

液压马达a41安装在底座11的安装缺口a113中，其转轴竖直向下伸出。

液压马达b42固定连接在液压马达a41的转轴上，其转轴水平方向伸出。

伸缩套筒43包括前段套筒431、后段套筒432和液压缸f433，前段套筒431固接在液压马达b42的转轴上，后段套筒432与前段套筒431活动套接，液压缸f433安装在前段套筒431和后段套筒432之间，以驱动伸缩套筒43伸长或缩短。

支持壳体44焊固在伸缩套筒43的后段套筒432上。

轮带组件包括一号轮451、一号轮轴452、二号轮453、二号轮轴454和履带455。一号轮451固定安装在一号轮轴452上，二号轮453固定安装在二号轮轴454上，一号轮轴452和二号轮轴454分别可转动的安装在支持壳体44上，履带455绕设在一号轮451与二号轮453之间。

驱动组件包括电机c461、齿轮a462、齿轮b463、齿轮c464、齿轮轴a465、齿轮轴b466、齿轮d467和齿轮e468。电机c461固定安装在支持壳体44上，齿轮a462固定安装在电机a461的机轴上，齿轮b463和齿轮c464分别固定安装在齿轮轴a465和齿轮轴b466上，并位于齿轮a462的两侧，并均与齿轮a462啮合，齿轮d465和齿轮e466分别固定安装在一号轮轴452和二号轮轴454上，并分别与齿轮b463和齿轮c464啮合。电机c461的动力通过齿轮a462传递至齿轮b463和齿轮c464上，再通过齿轮b463和齿轮c464分别传递至齿轮d467和齿轮e468，再通过齿轮d467和齿轮e468分别传递至一号轮轴452和二号轮轴454，然后通过一号轮轴452和二号轮轴454分别带动一号轮451和二号轮453转动，一号轮451和二号轮453共同带动履带455运转。

优选，上安置腔1411与母接头32的外形轮廓相适应，下安置腔1412用于容纳不同类型的末端工具。上安置腔1411和下安置腔1412之间设有定位台阶面1413。当该结构应用在核应急多功能作业机器人上时，上安置腔1411和定位台阶面1413共同用于定位支承母接头32，母接头32及其连接的末端工具装入安置腔141内后，位置被精确固定，没有滑移或晃动的空间，有利于保持作业机器人行进及作业过程的稳定性。

优选，安置腔141的轴心线相对于竖直平面倾斜8～12°。当该结构应用在核应急多功能作业机器人上时，最靠近底座11后端的安置腔141朝向底座11前端倾斜，当换装末端工具时，公接头31可很方便的与放置在底座11后端安置腔141内的母接头32进行对接。

优选，履带455内侧表面上设有防滑齿4551，一号轮451和二号轮452的外圆面中部设有一圈供履带455嵌入的定位槽，定位槽内设有供防滑齿4551嵌入的防滑齿槽。当履带455嵌入一号轮451和二号轮453的定位槽中时，履带455外侧表面与一号轮451和二号轮453的外圆面齐平，履带455内侧表面的防滑齿4551与一号轮451和二号轮453上的防滑齿槽啮合。上述结构中的定位槽可避免履带455在一号轮451和二号轮452上出现轴向滑移，上述结构中的防滑齿与防滑齿槽相啮合的结构可避免履带455在一号轮451和二号轮453上打滑。

优选，其还包括传感器组件，传感器组件包括激光接近传感器a、摄像头51、激光接近传感器b52及倾斜传感器53。激光接近传感器a(图中未示出)设在底座11下端，用于识别处在核应急多功能作业机器人行进路线上的高于底座地面净空高度的障碍物。摄像头51安装在安装座a12上，用于观察核应急多功能作业机器人周围环境及辅助末端工具换装。激光接近传感器b52安装在安装座a12的两侧壁上，用于辅助核应急多功能作业机器人在狭窄空间通行。倾斜传感器53安装在安装座a12的前端两侧和后端两侧，用于检测核应急多功能作业机器人的基座是否保持水平。

本发明应用于核应急多功能作业机器人，核应急多功能作业机器人还包括机械臂3和工具换接装置。机械臂2活动安装在安装座b13的安装缺口b131内。工具换接装置包括可相互对接或分离的公接头31和母接头32，公接头31活动连接在机械臂的前端，母接头32用于连接末端工具，末端工具为铲斗、液压剪或破拆锤。

本发明应用于核应急多功能作业机器人，可充分满足核应急多功能作业机器人在核应急场景下的使用需求，主要通过以下几项功能体现：

一、可提升核应急多功能作业机器人的作业稳定性：

s01，将基座调整至水平状态：通过四处倾斜传感器的检测数据综合判断基座是否水平；若已达到水平状态，则进入下一步骤；若未达到水平状态，则通过调整低洼处的运动支持装置4，使基座达到水平状态；

本步骤中，调整运动支持装置4的方法是：控制液压马达b42启动，使运动支持装置4绕液压马达b42的转轴向下转动，从而局部抬升底座11高度。

s02，调整核应急多功能作业机器人的重心位置：

a、运动支持装置向底座外侧转动：四处运动支持装置4的液压马达a41启动，分别驱动四处运动支持装置4绕各自液压马达a41的转轴向底座11外侧转动，转动完成后，四处运动支持装置4呈“x”形分布，任意相邻的两个运动支持装置4之间的夹角为90°；

b、运动支持装置向底座外侧伸出：四处运动支持装置4的液压缸f433的活塞杆伸出，分别驱动对应的伸缩套筒43伸长；四处运动支持装置4的电机c461启动，分别驱动对应的轮带组件运转；上述两项动作同时运作，使四处运动支持装置4均向远离底座11的方向移动。

如图13所示，完成上述操作后，纠正了因地面坑洼造成的作业机器人倾斜状态，提升了作业机器人的平稳性和稳定性；作业机器人的重心得到降低且更靠近基座的中心区域，进一步提升了作业机器人的平稳性和稳定性，较大程度上避免了作业机器人在作业时因重心不稳而出现倾翻或倾翻趋势。

二、可避开行进路线上的地面障碍物：

s01，判断是否存在地面障碍物及是否影响通行：

核应急多功能作业机器人在行进过程中，通过激光接近传感器实时检测前方地面上是否有高于底座地面净空高度的障碍物；若无，则正常行进；若有，则停止移动，进入s02步骤；

本步骤中，核应急多功能作业机器人行进至距离地面障碍物0.5～2m处时停止移动；

本步骤开始之前，核应急多功能作业机器人在保证底座11不剐蹭到地面障碍物的前提下，保持以底座地面净空高度最低的状态移动。

s02，根据地面障碍物的高度抬升底座地面净空高度：

a、控制四处运动支持装置4的液压马达b42启动，使四处运动支持装置4分别绕各自液压马达b42的转轴向下转动，以抬升底座地面净空高度，当激光接近传感器检测到底座地面净空高度高于地面障碍物时起，底座11继续抬升h高度后停止抬升，进入s03步骤；

b、若通过a分步骤将底座地面净空高度抬升至最高时，激光接近传感器检测到地面障碍物仍高于底座地面净空高度，则控制四处运动支持装置4的液压缸f433伸出，使四处运动支持装置4的伸缩套筒43伸长，以进一步抬升底座地面净空高度，当激光接近传感器检测到地面障碍物低于底座地面净空高度时起，底座11继续抬升h高度后停止抬升，进入s03步骤；

c、若通过b分步骤将底座11抬升至y高度时，激光接近传感器检测到地面障碍物仍高于底座地面净空高度，则由操作人员控制核应急多功能作业机器人改变行进路线；

本步骤中，y=h-h，h为通过b分步骤所能将底座11抬升的最高高度，h的取值为2～5cm；

本步骤中，四处运动支持装置4的液压马达b42的转动角度相同，以使底座地面净空高度抬升后仍保持平稳和水平；四处运动支持装置4的液压马达b42同步转动，以使底座地面净空高度抬升过程中保持平稳和水平；

本步骤中，四处运动支持装置4的液压缸f433伸出长度相同，以使底座地面净空高度抬升后仍保持平稳和水平；四处运动支持装置4的液压缸f433同步伸出，以使底座地面净空高度抬升过程中保持平稳和水平。

s03，越过地面障碍物：核应急多功能作业机器人恢复正常行进，越过地面障碍物。

如图14所示，完成上述操作后，核应急多功能作业机器人的底座地面净空高度得到抬升，有利于核应急多功能作业机器人在不改变既定行进路线的前提下避开地面障碍物。

三、可在作业现场快速换装末端工具：

s01，将空置安置腔转动至换装工位：核应急多功能作业机器人需要更换末端工具时，控制回转驱动机构b的电机b161启动，以驱动安装座c14间歇转动，将目标空置安置腔141转动至最靠近底座11后端的位置；

本步骤中，安装座c14每次转动的角度为120°；

本步骤中，安置腔141中至少有一个空置的安置腔141。

s02，将待卸载的末端工具卸载在空置安置腔内：

a、控制回转驱动机构a的电机a151启动，以驱动安装座b13转动，使机械臂2及待卸载的末端工具转动至接近目标空置安置腔141；

b、调整机械臂2的位姿，使待卸载的末端工具伸入目标空置安置腔141中；

c、控制公接头31与母接头32分离，从而使母接头32与待卸载的末端工具落入目标空置安置腔141中；

本步骤中，基于摄像头的实时拍摄画面辅助控制a、b分步骤的动作。

s03，连接目标末端工具：

a、调整机械臂2的位姿，以抬升公接头31的高度，避免公接头31干涉安装座c14转动；

b、控制回转驱动机构b的电机b161启动，以驱动安装座c14间歇转动，将装有目标末端工具的安置腔141转动至最靠近底座11后端的位置；

c、调整机械臂2的位姿，使公接头31伸入母接头32中，再控制公接头31和母接头32相互连接，最后调整机械臂的位姿，将母接头32连同目标末端工具从安置腔141中取出；

本步骤中，基于摄像头的实时拍摄画面辅助控制a～c分步骤的动作。

如图15所示，上述操作可快速卸载当前末端工具，并快速换装目标末端工具。操作简单，精度要求低，实现了作业机器人在核应急场景下的多工种快速切换作业。