CN102568626B - 基于机械臂的远程监控及维护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于机械臂的远程监控及维护系统，适合于狭窄危险环境下灵活操作。所述系统包括：柔性弯曲机械臂、远程操作系统和末端维护机械臂；柔性弯曲机械臂可通过远程操作系统使之在狭窄、具有核辐射的危险环境中灵活移动，并将末端维护机械臂运送到需进行远程监控及维护作业的区域进行空间任意角度对正的维护作业。通过本发明实现了对核电站危险区的远程监控及机器人实时监测维护，既减少了工作人员接触危险放射物时间，又增强了核设施安全运转性能。

Description

基于机械臂的远程监控及维护系统

技术领域

本发明涉及远程监控及维护技术领域，尤其是涉及一种通用的适合于核电站危险环境下远程监控及智能维护系统。

背景技术

众所周知，保证核电站安全运营的决定性条件之一是具备配套完善的设备监测和维护系统。区别于常规电站，规模特性、设备复杂性、核安全及公众健康等因素均对核电站监测和维修工作提出更高的要求。核电站监控和维修有两层含义：监控维护系统及设备使其按设计正常运行；修复失效系统及设备使其恢复设计运行能力。与之相对应的维修类型是预防性维修和纠正性维修，前者包括计划、实施、试验三步骤，是在系统及设备失效前采取措施避免设备失效，后者维修流程通常有故障诊断、临时处理、计划准备、最终修复和再鉴定实验，属于被动维修范畴。核电站的预防性维修通常分为周期性维修和预见性维修两种类型。其中预见性维修因具有安全预测、失效预先处理等功能而成为核电站复杂设备维护的最有效监督方法；其通过设备检测，在采集、积累数据并判断故障发生可能性的基础上提出设备维修最佳时机。

目前全世界核能发电量占总发电量的17％，但相当部分核电站在建造阶段没有建立完善的远程监控及维护系统。中国国家高技术研究发展计划(863计划)中已列入恶劣环境智能机器人研究项目，并自1987年开始确定把移动式机器人和壁面爬行机器式检查机器人这两种型号的核工业机器人作为开发目标，已取得了可喜成果。但不足之处在于，核工业区域空间有限，导致目前开发的机器人进入及作业受空间条件制约性较大，增加了机器作业的复杂性、可靠性及经济性；专业机器人作业功能比较少，没有形成模块化作业，使维护系统操作繁琐。随着核电站对预见性维修需求的日益剧增，随着机器人技术及智能技术的发展，具有更高自主能力及可靠性的智能监控及维护作业系统，既可避免核电站操作人员接近危险放射区，又可增强核设施运转的安全性。基于此，在核反应器狭窄有限的空间以及恶劣的环境中，设计一种独立灵活的基于机械臂的远程监控及维护系统，用于控制众多不同的检测和维护工具，供核能源发电使用，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种基于机械臂的远程监控及维护系统，使其能够在核反应器狭窄有限空间以及恶劣环境中，独立灵活的实现远程监控及维护作业，用于控制众多不同的检测和维护工具。本发明既为核电站实行预防性维修提供了有力的系统保障，又增加了核电站监控及维护作业的模块化程度，减少了核危险区远程监控及作业的复杂性和繁琐性，增加了检测维护操作的可靠性和经济型。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括柔性弯曲机械臂、末端维护机械臂、远程操作系统。柔性弯曲机械臂用于在狭窄回转空间内柔性弯曲行走，在行走过程中将空间信息反馈给远程操作系统使其对信息进行处理；末端维护机械臂安装于所述柔性弯曲机械臂末端，用于对被维护设备进行远程监控及维护作业，并通过网络将监控及维护信息传送给远程操作系统使其对信息进行处理；远程操作系统分别与所述柔性弯曲机械臂和所述末端维护机械臂进行操作信息交流，用于接受和处理所述柔性弯曲机械臂的行走作业信息，并对所述末端维护机械臂的维护作业状态进行实时操纵。

所述柔性弯曲机械臂包括机座、伺服电机，高精度减速机、弯曲关节，伺服电机与高精度减速机相连带动弯曲关节组成关节模块，首个关节模块安装于机座上，后续关节模块依次衔接，每个关节模块均可以绕前一个关节模块进行正转、反转、制动三个状态。

所述末端维护机械臂包括360度匀速旋转机构、90度匀速摆动机构；旋转和摆动的合成实现了半三维空间的无线回转，能够使所述末端维护机械臂任意角度变换达到对正作业的效果。

所述远程操作系统是所述柔性弯曲机械臂和所述末端维护机械臂中伺服电机控制的唯一系统。

所述360度匀速旋转机构包括伺服电机、高精度减速机、旋转轴，其安装于所述柔性弯曲机械臂最后一个关节末端。

所述90度匀速摆动机构包括伺服电机、高精度减速机、摆动机构，其安装于所述360度匀速旋转机构旋转轴上，在摆动的同时随之进行相应的旋转。

所述90度匀速摆动机构包括输入齿轮轴、传动齿轮轴、摆动齿轮轴，通过所述90度匀速摆动机构中所述伺服电机及所述高精度减速机传递动力，实现四分之一圆周内匀速摆动。

所述柔性弯曲机械臂中各个所述弯曲关节上增加的摄像装置均会对核电站内部环境及其所处位置进行图像反馈。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、所述柔性弯曲机械臂可以在不触碰核电站内壁设备的前提下灵活通过狭窄有限空间，即既可代替工作人员完成有可能对其人身造成危害的任务，还可对工作人员无法进入的空间进行作业。

2、所述柔性机械臂运转灵活，成本较低，较之人工作业总体费用大幅度下降，解决了人工检测与维护费用高的不足，且风险降低。

3、所述柔性机械臂与所述末端维护机械臂运用分布式操控，既增加了操控的灵活度，又减少了操作的复杂度。

4、所述末端维护机械臂具有模块化设计功能，可以安装众多不同的检测和维护工具，实现一种系统多种作业模式。

5、所述基于机械臂的远程监控及维护系统，智能化程度高，可实现自主控制、远程遥控等功能，有较强的容错能力，在狭窄有限的核电站复杂环境中适应能力强。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图。

图2为本发明的末端维护机械臂示意图。

图3为本发明的90度摆动实现三维示意图。

图4为本发明的90度摆动实现分解图。

附图标记的说明：1摆动机构输入齿轮轴，2摆动机构传动齿轮轴，3摆动机构摆动齿轮轴，4360度匀速旋转机构，590度匀速摆动机构。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例一种基于机械臂的远程监控及维护系统包括：柔性弯曲机械臂、末端维护机械臂、远程操作系统。其中：

柔性弯曲机械臂，用于在狭窄回转空间内柔性弯曲行走，在行走过程中将空间信息反馈给远程操作系统使其对信息进行处理；

末端维护机械臂，安装于所述柔性弯曲机械臂末端，用于对被维护设备进行远程监控及维护作业，并通过网络将监控及维护信息传送给远程操作系统使其对信息进行处理；

远程操作系统，分别与所述柔性弯曲机械臂和所述末端维护机械臂进行操作信息交流，用于接受和处理所述柔性弯曲机械臂的行走作业信息，并对所述末端维护机械臂的维护作业状态进行实时操纵。

所述柔性弯曲机械臂包括许多模块化的弯曲关节，除了第一个关节安装于机座上，最后一个关节末端闲置外，所有关节均首尾相接。所述的弯曲关节包括伺服电机、高精度减速机、旋转轴等部件，其通过与所述的远程操作系统进行信息接受、处理及传递。当对核电站进行预见性监控及系统维护时，需要先使监控或维修设备顺利穿过核电站内部狭窄有限空间，此功能全部根据所述柔性弯曲机械臂内各关节之间的灵活弯曲来实现，各关节的弯曲是通过所述远程操控系统对所述柔性弯曲机械臂内伺服电机进行遥控而实现的。这就实现了所述柔性弯曲机械臂灵活进出核电站内部狭窄有限空间。

如图2所示，所述末端维护机械臂包括360度匀速旋转机构4和90度匀速摆动机构5，360度匀速旋转机构4的旋转运动由伺服电机通过高精度减速机带动旋转轴实现，90度匀速摆动机构5的摆动运动实现方法如下所示。

如图3所示，所述90度匀速摆动机构包括伺服电机、高精度减速机、摆动机构，其安装于所述360度匀速旋转机构旋转轴上，在摆动的同时随之进行相应的旋转。

所述摆动机构主要包括输入齿轮轴1、传动齿轮轴2和摆动齿轮轴3。

摆动机理如下：所述输入齿轮轴1上第一非完整齿轮1a与所述摆动齿轮轴3上完整齿轮相啮合，完成90度摆动的摆起运动(从竖直摆动到水平)；当达到水平位置时，所述齿轮轴1上非完整齿轮与所述摆动齿轮轴3上完整齿轮啮合运动到缺齿部位，此时转换为由输入齿轮轴1上第二非完整齿轮1b通过所述传动齿轮轴2上完整齿轮2b与所述摆动齿轮轴3上不完整齿轮3b进行啮合传动，完成90度摆动的回摆运动(从水平到竖直)，实现一个摆动周期，依次轮回。从而输入齿轮轴1转动一周可以实现两个摆动周期，且所述传动齿轮轴2仅参加90度摆动的回摆运动。

如图4所示，为实现上述90度匀速摆动机理，要求：

1、所述输入齿轮轴1上第一非完整齿轮1a、第二非完整齿轮1b分别由两个对角四分之一齿轮轮廓构成，且为了顺利实现“摆起→回摆→摆起”往复运动，必须确保第一非完整齿轮1a、第二非完整齿轮1b齿轮轮廓布置夹角为30°。

2、同时，为了保证回摆运动(第二非完整齿轮1b、完整齿轮2b和不完整齿轮3b三个齿轮均参与啮合运动)时所述输入齿轮轴1上第二非完整齿轮1b与所述摆动齿轮轴3上不完整齿轮3b不产生干涉，要求两者齿轮轮廓布置夹角为60°。

3、为保证回摆运动时传动齿轮轴2参与啮合，要求三个齿轮轴组成正三角形(此处所述摆动机构传动比为1，本发明不排除对其他传动比情况下摆动机构保护权利)。

上述实施例的工作过程和工作原理是：

1、当核电站狭窄有限空间及恶劣环境中需要进行预见性维护时，首先针对所述基于机械臂的远程监控及维护系统制定远程监控及维护计划，通过所述远程操作系统对安装于基座上的所述柔性弯曲机械臂进行操作，所述柔性弯曲机械臂中各个所述弯曲关节上增加的摄像装置均会对核电站内部环境及其所处位置进行图像反馈，所述远程操作系统对反馈图像处理并发出操控信号，通过无线或有线网络指挥各所述伺服电机带动所述弯曲关节围绕前一所述弯曲关节进行不同角度的旋转，在避免碰撞核电站内设施的前提下弯曲前进，将附加在所述基于机械臂的远程监控及维护系统上的监测设备或维护装置带入核电站需监测作业区域。

2、到达核电站内作业区域后，所述柔性弯曲机械臂中各个所述弯曲关节在所述远程操作系统的操作下，锁定各个所述伺服电机，使所述柔性弯曲机械臂相对于核电站处于静止状态，作为下一阶段监控及维护作业的刚性基础，其锁定位置需由实际作业情况而定。

3、所述柔性弯曲机械臂锁定后，其前端安装的所述末端维护机械臂通过附加摄像头对作业空间内图像反馈给所述远程操作系统，远程操作系统首先对图像进行相应处理，判断所述柔性弯曲机械臂与核电站内部作业位置匹配状态，其次通过所述远程操作系统对所述360度匀速旋转机构和所述90度匀速摆动机构进行远程操作，通过旋转和摆动组成复合运动，使安装于前端的监测设备或维护装置实现正对作业位置。

4、在所述远程操作系统的遥控作业下，对遥控监测设备或维护装置进行相应作业。

5、作业完毕后，参照前述步骤逐步退出核电站工作区域。

本发明能够在核反应器狭窄有限空间以及恶劣环境中，独立灵活的实现远程监控及维护作业，用于控制众多不同的检测和维护工具。本发明既为核电站实行预防性维修提供了有力的系统保障，又增加了核电站监控及维护作业的模块化程度，减少了核危险区远程监控及作业的复杂性和繁琐性，增加了检测维护操作的可靠性和经济型。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，包括：

柔性弯曲机械臂，用于在狭窄回转空间内柔性弯曲行走，在行走过程中将空间信息反馈给远程操作系统使其对信息进行处理；

末端维护机械臂，安装于所述柔性弯曲机械臂末端，用于对被维护设备进行远程监控及维护作业，并通过网络将监控及维护信息传送给远程操作系统使其对信息进行处理；

远程操作系统，分别与所述柔性弯曲机械臂和所述末端维护机械臂进行操作信息交流，用于接受和处理所述柔性弯曲机械臂的行走作业信息，并对所述末端维护机械臂的维护作业状态进行实时操纵；

所述末端维护机械臂包括360度匀速旋转机构、90度匀速摆动机构；旋转和摆动的合成实现了半三维空间的无限回转，能够使所述末端维护机械臂任意角度变换达到对正作业的效果；

所述360度匀速旋转机构包括伺服电机、高精度减速机、旋转轴，其安装于所述柔性弯曲机械臂最后一个关节末端；

所述的90度匀速摆动机构包括伺服电机、高精度减速机、摆动机构，其安装于所述360度匀速旋转机构旋转轴上，在摆动的同时随之进行相应的旋转；所述的摆动机构包括输入齿轮轴、传动齿轮轴、摆动齿轮轴，所述的伺服电机及所述的高精度减速机传递动力，实现四分之一圆周内匀速摆动；所述输入齿轮轴(1)上第一非完整齿轮(1a)与所述摆动齿轮轴(3)上完整齿轮相啮合，完成90度摆动的摆起运动即从竖直摆动到水平；当达到水平位置时，所述输入齿轮轴(1)上第一非完整齿轮(1a)与所述摆动齿轮轴(3)上完整齿轮啮合运动到缺齿部位，此时转换为由输入齿轮轴(1)上第二非完整齿轮(1b)通过所述传动齿轮轴(2)上完整齿轮(2b)与所述摆动齿轮轴(3)上不完整齿轮(3b)进行啮合传动，完成90度摆动的回摆运动即从水平到竖直，实现一个摆动周期，依次轮回；从而输入齿轮轴(1)转动一周可以实现两个摆动周期，且所述传动齿轮轴(2)仅参加90度摆动的回摆运动。

2.根据权利要求1所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述柔性弯曲机械臂包括机座、伺服电机，高精度减速机、弯曲关节，伺服电机与高精度减速机相连带动弯曲关节组成关节模块，首个关节模块安装于机座上，后续关节模块依次衔接，每个关节模块均可以绕前一个关节模块完成正转、反转、制动三个状态。

3.根据权利要求1所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述远程操作系统是控制所述柔性弯曲机械臂和所述末端维护机械臂中伺服电机的唯一系统。

4.根据权利要求2所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述柔性弯曲机械臂中各个所述弯曲关节上增加的摄像装置均会对核电站内部环境及其所处位置进行图像反馈，所述远程操作系统对反馈图像处理并发出操控信号，通过无线或有线网络指挥各所述伺服电机带动所述弯曲关节围绕前一所述弯曲关节进行不同角度的旋转，在避免碰撞核电站内设施的前提下弯曲前进，将附加在所述基于机械臂的远程监控及维护系统上的监测设备或维护装置带入核电站需监测作业区域。

5.根据权利要求4所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，到达核电站内作业区域后，所述柔性弯曲机械臂中各个所述弯曲关节在所述远程操作系统的操作下，锁定各个所述伺服电机，使所述柔性弯曲机械臂相对于核电站处于静止状态，作为下一阶段监控及维护作业的刚性基础。

6.根据权利要求5所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述柔性弯曲机械臂锁定后，其前端安装的所述末端维护机械臂通过附加摄像头对作业空间内图像反馈给所述远程操作系统，远程操作系统首先对图像进行相应处理，判断所述柔性弯曲机械臂与核电站内部作业位置匹配状态，其次通过所述远程操作系统对所述360度匀速旋转机构和所述90度匀速摆动机构进行远程操作，通过旋转和摆动组成复合运动，使安装于前端的监测设备或维护装置实现正对作业位置。

7.根据权利要求1所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述输入齿轮轴(1)上第一非完整齿轮(1a)、第二非完整齿轮(1b)分别由两个对角四分之一齿轮轮廓构成，且第一非完整齿轮(1a)、第二非完整齿轮(1b)齿轮轮廓布置夹角为30°。

8.根据权利要求1或7所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，所述输入齿轮轴(1)上第二非完整齿轮(1b)与所述摆动齿轮轴(3)上不完整齿轮(3b)，两者齿轮轮廓布置夹角为60°。

9.根据权利要求1或7所述的基于机械臂的远程监控及维护系统，其特征在于，为保证回摆运动时传动齿轮轴(2)参与啮合，输入齿轮轴(1)、传动齿轮轴(2)、摆动齿轮轴(3)组成正三角形。