CN101774170A - 核电站作业机器人及其控制系统 - Google Patents

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核电站作业机器人及其控制系统属于机器人及自动化设备领域。该核电站作业机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，可以在核电站内部移动，并有人工遥控和自主控制两种控制模式，采用无线或有线方式对其进行远程控制。所述的核电站作业机器人的控制系统分为上位监测与规划控制系统和机器人控制系统两部分，二者配合使用控制机器人的运作。该机器人自主运行，安全可靠，可在高放射的环境下完成一些危险的任务；机身小巧，性能稳定、机动灵活，运营成本低；履带式底盘抓地力强，有一定的爬坡与越障能力，适合在较复杂的地形中行走；机器人智能化程度高，可实现自主控制与人工远程遥控。

Description

核电站作业机器人及其控制系统
技术领域
本发明属于机器人及自动化设备领域，特别是提供了一种通用的核电站作业机器人及其控制系统。
背景技术
随着我国经济高速全面发展，对能源的需求越来越大，核能作为一种能量密度极大的清洁能源，大力发展核能、建设核电站也符合我国节能减排的新思路。然而核电厂的反应器内有大量的放射性物质，核电站有很多操作过程都带有放射性，核辐射对人体的伤害是致命的。在核工业早期，由于检修，保养和事故过程中人员操作不当，或由于放射性剂量过高无法对设备进行定期检查而造成的人身伤亡事故不断发生。因此远距离操作技术或者是用机器人来代替人工作业，成为很好解决上述问题的方式方法。
核电站机器人是应用在辐射环境下的特种机器人。随着核工业和机器人技术的发展，不少国家研制成功了真正的远距离控制的核工业机器人。例如有美国的SAMSIN型，德国的EMSM系列，法国的MA23-SD系列等。这些机器人的应用产生了较大的经济效益，减少了工作人员在辐射环境下进行作业的机会。现在全世界核能发电量占总发电量的17％。但是这些核电站在建造阶段没有考虑使用机器人遥控作业技术的应用，因此，现有的核电站应用机器人就必须以其定型的格局为前提，选择合适的机器人来完成某些任务。基于此，一种通用的核电站作业机器人具有广泛的应用前景。
中国国家高技术研究发展计划(863计划)中就已经列入了恶劣环境智能机器人的研究项目，从1987年开始，经过选型论证、总体概念设计、总体方案设计等阶段后，确定把移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人这两种型号的核工业机器人作为开发目标，已取得了可喜的成果。中国科学院光电技术研究所研制的水下异物打捞机器人，已于2006年年初交付广东大亚湾核电站使用。随着机器人技术的发展，尤其是智能技术的发展，具有更高自主能力的机器人作业系统，可以减轻操作人员的工作量，减少远程操作的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用的核电站作业机器人及其控制系统。该机器人系统可以代替人进行核电站设备的检查，核燃料的转运和处理，核废料的处理，核电站事故的处理，废弃核设施的拆卸等作业，具有很好的应用前景。
本发明采用的技术方案为：所述机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，具体结构为：在底盘的左侧通过左侧履带驱动电机、左侧电机输出减速机构安装左侧履带式行走机构，在底盘的右侧通过右侧履带驱动电机、左侧电机输出减速机构安装右侧履带式行走机构，通过左侧履带驱动电机和右侧履带驱动电机产生不同的差速控制行走；在左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构的尾端分别安装左侧光电码盘和右侧光电码盘，两个光电码盘检测机器人行走距离，并提供距离信息；在底盘上表面的前端安装4FOD机械手，在底盘上表面的4FOD机械手后方安装图像发射模块、图像天线、蓄电池、嵌入式计算机控制系统、主摄像机/云台摄像机、数据天线、陀螺仪，，在底盘的前部安装辐射/温度/湿度传感器和红外/声纳避障传感器，在底盘的尾部安装副摄像机/尾部摄像机。
所述嵌入式计算机控制系统使用基于32位的精简指令集计算机处理器的嵌入式系统，该系统控制机器人的局部路径规划、实时避障、并控制4FOD机械手的操作。
所述4FOD机械手包括底座旋转、第一关节俯仰、第二关节俯仰以及手臂旋转四个自由度；在4FOD机械手的末端安装作为执行机构的适配器，并在适配器后部安装一个固定摄像头，方便实时监控。
所述左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构采用结构相同的三角履带结构，由位于履带式行走机构最前端的主动轮和三角形另两个顶点的从动轮组成，主动轮悬空，从动轮一前一后着地；在两个从动轮之间设有三个张紧轮，在主动轮与前端从动轮之间设有一个张紧轮，张紧轮对履带起到支撑作用并提高履带的抓地能力；在履带式行走机构的尾部，安装可拆卸的尾轮机构，为机器人越障及攀爬楼梯提供辅助支撑作用。
所述左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构的履带采用橡胶材质，具有减震性。
所述主摄像机/云台摄像机具有旋转和俯仰两个自由度，并具有十倍的光学变焦能力以及感红外能力；在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式，显示图像为黑白色。
所述履带式移动机械手有人工遥控和自主控制两种模式，采用无线或有线方式对其进行远程控制。
本发明还提供了所述核电站作业机器人的控制系统，该控制系统分为上位监测与规划控制系统和机器人控制系统两部分：所述上位监测与规划控制系统由监视器、操作台和规划器组成：监视器利用履带式移动机械手携带的两个摄像机采集的图像呈现工作现场的状况及履带式移动机械手的工作状态；操作台利用监视器提供的信息生成三维仿真图像，实时显示工作现场的状况及带式移动机械手的工作状态，并为操作员提供操作界面，对履带式移动机械手进行控制；规划器接收操作台发来的指令和监视器发来的环境信息，完成自主规划任务，并给履带式移动机械手发送指令，控制其完成相应的作业任务；所述机器人控制系统由移动机械手自主导航系统、机械手控制系统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线监测系统构成。
所述移动机械手自主导航系统使用核电站环境地图进行路径规划，通过所述的两个光电码盘和陀螺仪所提供的里程和角度信息，完成履带式移动机械手的导航定位，并根据实时定位和预先规划路径轨迹确定行走误差，进行行走路径修正；通过所述的红外/声纳避障传感器进行障碍检测，实时调整局部路径，完成实时避障。
所述机械手控制系统控制所述的4FOD机械手运作，在4FOD机械手末端任务给定的情况下进行动作规划。
所述数据链路系统使用所述的数据天线与图像天线，在上位监测与规划控制系统和履带式移动机械手之间提供采用数字载波调制的双向的数据通信通道，除了基本数据传输，数据链路系统还提供数据压缩，抗干扰等数据处理功能；
所述基于多传感器融合的在线监测系统通过所述的辐射/温度/湿度传感器对核电站内环境温度、湿度与辐射量进行实时监测并上传至监视器，结合专家知识库找出导致故障或错误的原因。
该核电站作业机器人系统具有如下的技术特性：
1.履带式移动机械手具有自主导航能力，能根据核电站的CAD建设图纸，局部环境的障碍信息，对全局的路径规划做出局部调整，躲避障碍物。
2.规划器具有自主规划任务能力，发送指令，控制机器人完成相应的作业任务。
3.履带式移动机械手能实现核电站环境的在线监测。其所携带的大量的传感器，采集环境信息，并返回上位监测与规划控制系统进行数据分析，判断设备故障与错误，定位故障发生地点。
4.4FOD机械手末端安装的适配器，能够安装多种工具，完成作业任务。
5.在预定任务完成或者某些特殊条件下，履带式移动机械手具有自动返航的功能。
6.履带式移动机械手具有自动控制和人工遥控两种控制模式。人工遥控具有最高的优先级，可随时中断自主运行中的机器人，由人工进行行走或作业控制。
本发明的优点在于：
1.移动机械手自主运行，安全可靠，可在高放射的环境下完成一些危险的任务，即使发生了意外也不会造成人员的伤亡，有效的解决了使工作人员暴露在高放射性环境中工作的安全性问题。
2.机器人机身较为小巧，性能稳定可靠、机动灵活，运营成本低，较之人工作业的总体费用大幅度降低，解决了人工检测与维护费用高的不足，且风险降低。
3.机器人为履带式底盘，抓地力强，有一定的爬坡与越障能力，适合在较复杂的地形中行走。
4.机器人智能化程度高，可实现自主控制与人工远程遥控，且实现自主返航等多种先进功能，有较强的容错能力，在核电站较为复杂的环境中适应能力强。
附图说明
图1为本发明的履带式移动机械手的主视图；
图2为本发明的履带式移动机械手的左视图；
图3为本发明的履带式移动机械手的俯视图；
图4为本发明的上位监测与规划控制系统功能结构框图；
图5为本发明的机器人控制系统功能结构框图；
图6为本发明的移动机械手的自主导航系统结构图。
图中标号：
1-左侧履带式行走机构；2-左侧履带驱动电机；3-左侧电机输出减速机构；4-左侧光电码盘；5-右侧履带式行走机构；6-右侧履带驱动电机；7-右侧电机输出减速机构；8-右侧光电码盘；9-底盘；10-图像发射模块；11-图像天线；12-4FOD机械手；13-主摄像机/云台摄像机；14-副摄像机/尾部摄像机；15-红外/声纳避障传感器；16-辐射/温度/湿度传感器；17-嵌入式计算机控制系统；18-数据天线；19-陀螺仪；20-蓄电池。
具体实施方式
本发明提供了一种核电站作业机器人及其控制系统，下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
所述核电站作业机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，可以在核电站内部移动，并有人工遥控和自主控制两种控制模式；履带式移动机械手采用蓄电池供电，采用无线或有线方式对其进行远程控制。
履带式移动机械手的结构为：在底盘9的左侧通过左侧履带驱动电机2、左侧电机输出减速机构3安装左侧履带式行走机构1，在底盘9的右侧通过右侧履带驱动电机6、左侧电机输出减速机构7安装右侧履带式行走机构5，通过左侧履带驱动电机2和右侧履带驱动电机6产生不同的差速控制行走；在左侧履带式行走机构1和右侧履带式行走机构5的尾端分别安装左侧光电码盘4和右侧光电码盘8，两个光电码盘检测机器人行走距离，并提供距离信息；在底盘9上表面的前端安装4FOD机械手12，在底盘9上表面的4FOD机械手12后方安装图像发射模块10、图像天线11、蓄电池20、嵌入式计算机控制系统17、主摄像机/云台摄像机13、数据天线18、陀螺仪19，在底盘9的前部安装辐射/温度/湿度传感器16和红外/声纳避障传感器15，在底盘9的尾部安装副摄像机/尾部摄像机14。
嵌入式计算机控制系统17使用基于32位的精简指令集计算机处理器的嵌入式系统，该系统通过分布式控制进行传感器信息采集，控制机器人的局部路径规划、实时避障、并控制4FOD机械手12的操作。
4FOD机械手12包括底座旋转、第一关节俯仰、第二关节俯仰以及手臂旋转四个自由度；在4FOD机械手12的末端安装作为执行机构的适配器，并在适配器后部安装一个固定摄像头，方便实时监控。
左侧履带式行走机构1和右侧履带式行走机构5采用结构相同的三角履带结构，由位于履带式行走机构最前端的主动轮和三角形另两个顶点的从动轮组成，主动轮悬空，从动轮一前一后着地；在两个从动轮之间设有三个张紧轮，在主动轮与前端从动轮之间设有一个张紧轮，张紧轮对履带起到支撑作用并提高履带的抓地能力。三角履带结构设计可以使机器人在面对不高于主动轮离地高度的障碍物的时候都可以爬越，履带式的设计使机器人具备了原地转弯的能力。左侧履带式行走机构1和右侧履带式行走机构5的履带采用橡胶材质，使底盘9具有减震性。在履带式行走机构的尾部，安装可拆卸的尾轮机构，为机器人越障及攀爬楼梯提供辅助支撑作用。
主摄像机/云台摄像机13具有旋转和俯仰两个自由度，并具有十倍的光学变焦能力以及感红外能力；在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式，显示图像为黑白色。主摄像机/云台摄像机13是监控机器人状态和辅助操作的主要设备，可以通过监视器控制摄像机进行变焦和自动对焦，以观察不同距离的图像。主摄像机/云台摄像机13与副摄像机/尾部摄像机14所采集的图像信息通过图像发射模块10与图像天线11传送至控制室；红外/声纳避障传感器15实时监测机器人行走路线中的障碍信息；辐射/温度/湿度传感器16检测设备射线辐射以及环境温度和环境湿度；陀螺仪19获取机器人自身的角度信息；蓄电池20为移动机械手提供电源。
本发明所述的核电站作业机器人的控制系统分为上位监测与规划控制系统和机器人控制系统两部分。
所述上位监测与规划控制系统由监视器、操作台和规划器组成：三者之间通过标准的局域网技术进行互相连接，支持多种传输媒介；监视器利用履带式移动机械手携带的两个摄像机采集的图像呈现工作现场的状况及履带式移动机械手的工作状态；操作台利用监视器提供的信息生成三维仿真图像，实时显示工作现场的状况及带式移动机械手的工作状态，包括机器人行走过的距离、现行的路线以及核电站温度、湿度、放射强度、时间、日期等环境信息，并为操作员提供操作界面及工作模式(人工遥控或自主控制)，对履带式移动机械手进行控制；规划器接收操作台发来的指令和监视器发来的环境信息，进行数据分析，完成自主规划任务，并通过数据天线18给履带式移动机械手发送指令，控制其完成相应的作业任务。
机器人控制系统由移动机械手自主导航系统、机械手控制系统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线监测系统构成。
(1)移动机械手自主导航系统
该系统使用核电站环境地图进行路径规划，环境地图通过核电站建设的CAD图纸获得。通过两个光电码盘和陀螺仪19所提供的里程和角度信息，完成履带式移动机械手的导航定位，并根据实时定位和预先规划路径轨迹确定行走误差，进行行走路径修正；通过红外/声纳避障传感器15进行障碍检测，实时调整局部路径，完成实时避障。
(2)机械手控制系统
该系统控制4FOD机械手12的运作，在4FOD机械手12末端任务给定的情况下进行路径规划，通过预处理和动态规划，能够有效地回避静态和动态障碍物，适合在复杂的核电站环境中进行作业任务的执行，有效地对不确定因素进行处理。
(3)数据链路系统
该系统使用数据天线18与图像天线11，在上位监测与规划控制系统和履带式移动机械手之间提供采用数字载波调制的双向的数据通信通道，除了基本数据传输，数据链路系统还提供数据压缩，抗干扰等数据处理功能。主摄像机/云台摄像机13与副摄像机/尾部摄像机14在履带式移动机械手行进过程中拍摄周围工作环境的图像，通过无线通讯发送器将图像信息发送回监视器，并保存在监视器的存储设备中。
(4)基于多传感器融合的在线监测系统
该系统通过辐射/温度/湿度传感器16对核电站内环境温度、湿度与辐射量进行实时监测并上传至监视器，建立三种信息的数据库，作为以后的监测参考数据。将辐射/温度/湿度传感器16得到的信息通过专家知识库处理，找出导致故障或错误的原因，并返回给操作人员。
在对核电站执行作业任务的时候，需要对履带式移动机械手的初始位置进行初始化，以便进行后续动作的执行。随后启动自主导航控制程序，履带式移动机械手进行自主移动。在履带式移动机械手自主移动的过程中，将各个传感器的值、图像、位置等信息送至上位监测与规划控制系统，并保存在数据库中，之后由上位监测与规划控制系统对信号进行分析处理。
在履带式移动机械手蓄电池电量消耗到设定值时，启动返航程序，机器人发送实时位置并返回至出发点。工作人员对履带式移动机械手的状态进行必要的检查，以便进行下一次的作业任务执行。
当机器人出现故障或不可预知的错误时，人工可介入干预，或者执行远程重启操作，待机器人复位后再继续进行任务的执行。

Claims (8)

1.核电站作业机器人，其特征在于，所述机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，具体结构为：在底盘(9)的左侧通过左侧履带驱动电机(2)、左侧电机输出减速机构(3)安装左侧履带式行走机构(1)，在底盘(9)的右侧通过右侧履带驱动电机(6)、左侧电机输出减速机构(7)安装右侧履带式行走机构(5)，通过左侧履带驱动电机(2)和右侧履带驱动电机(6)产生不同的差速控制行走；在左侧履带式行走机构(1)和右侧履带式行走机构(5)的尾端分别安装左侧光电码盘(4)和右侧光电码盘(8)，两个光电码盘检测机器人行走距离，并提供距离信息；在底盘(9)上表面的前端安装4FOD机械手(12)，在底盘(9)上表面的4FOD机械手(12)后方安装图像发射模块(10)、图像天线(11)、蓄电池(20)、嵌入式计算机控制系统(17)、主摄像机/云台摄像机(13)、数据天线(18)、陀螺仪(19)，在底盘(9)的前部安装辐射/温度/湿度传感器(16)和红外/声纳避障传感器(15)，在底盘(9)的尾部安装副摄像机/尾部摄像机(14)。
2.根据权利要求1所述的核电站作业机器人，其特征在于，所述嵌入式计算机控制系统(17)使用基于32位的精简指令集计算机处理器的嵌入式系统，该系统控制机器人的局部路径规划、实时避障、并控制4FOD机械手(12)的操作。
3.根据权利要求1所述的核电站作业机器人，其特征在于，所述4FOD机械手(12)包括底座旋转、第一关节俯仰、第二关节俯仰以及手臂旋转四个自由度；在4FOD机械手(12)的末端安装作为执行机构的适配器，并在适配器后部安装一个固定摄像头，方便实时监控。
4.根据权利要求1所述的核电站作业机器人系统，其特征在于，所述左侧履带式行走机构(1)和右侧履带式行走机构(5)采用结构相同的三角履带结构，由位于履带式行走机构最前端的主动轮和三角形另两个顶点的从动轮组成，主动轮悬空，从动轮一前一后着地；在两个从动轮之间设有三个张紧轮，在主动轮与前端从动轮之间设有一个张紧轮，张紧轮对履带起到支撑作用并提高履带的抓地能力；在履带式行走机构的尾部，安装可拆卸的尾轮机构，为机器人越障及攀爬楼梯提供辅助支撑作用。
5.根据权利要求1所述的核电站作业机器人，其特征在于，所述左侧履带式行走机构(1)和右侧履带式行走机构(5)的履带采用橡胶材质，具有减震性。
6.根据权利要求1所述的核电站作业机器人，其特征在于，所述主摄像机/云台摄像机(13)具有旋转和俯仰两个自由度，并具有十倍的光学变焦能力以及感红外能力；在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式，显示图像为黑白色。
7.根据权利要求1所述的核电站作业机器人，其特征在于，所述履带式移动机械手有人工遥控和自主控制两种模式，采用无线或有线方式对其进行远程控制。
8.核电站作业机器人控制系统，其特征在于，该控制系统分为上位监测与规划控制系统和机器人控制系统两部分：
所述上位监测与规划控制系统由监视器、操作台和规划器组成：监视器利用履带式移动机械手携带的两个摄像机采集的图像呈现工作现场的状况及履带式移动机械手的工作状态；操作台利用监视器提供的信息生成三维仿真图像，实时显示工作现场的状况及带式移动机械手的工作状态，并为操作员提供操作界面，对履带式移动机械手进行控制；规划器接收操作台发来的指令和监视器发来的环境信息，完成自主规划任务，并给履带式移动机械手发送指令，控制其完成相应的作业任务；
所述机器人控制系统由移动机械手自主导航系统、机械手控制系统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线监测系统构成；
所述移动机械手自主导航系统使用核电站环境地图进行路径规划，通过权利要求1所述的两个光电码盘和陀螺仪(19)所提供的里程和角度信息，完成履带式移动机械手的导航定位，并根据实时定位和预先规划路径轨迹确定行走误差，进行行走路径修正；通过权利要求1所述的红外/声纳避障传感器(15)进行障碍检测，实时调整局部路径，完成实时避障；
所述机械手控制系统控制权利要求1所述的4FOD机械手(12)运作，在4FOD机械手(12)末端任务给定的情况下进行动作规划；
所述数据链路系统使用权利要求1所述的数据天线(18)与图像天线(11)，在上位监测与规划控制系统和履带式移动机械手之间提供采用数字载波调制的双向的数据通信通道，除了基本数据传输，数据链路系统还提供数据压缩，抗干扰等数据处理功能；
所述基于多传感器融合的在线监测系统通过权利要求1所述的辐射/温度/湿度传感器(16)对核电站内环境温度、湿度与辐射量进行实时监测并上传至监视器，结合专家知识库找出导致故障或错误的原因。
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