CN102951275A

CN102951275A - 一种核电站微小型作业水下机器人

Info

Publication number: CN102951275A
Application number: CN2012104459864A
Authority: CN
Inventors: 丑武胜; 方斌; 马鑫; 郭晓旗
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种核电站微小型作业水下机器人，它包括水下机器人本体和岸上控制系统两部分，其中本体的水平和垂直方向上分别安装有两枚推进器，前部右侧安装深度计，前方底部安装机械手，顶部安装声纳，控制舱安装在本体中后部，外舱通过透明玻璃罩密封，安装有后视摄像头和辅助照明LED灯，本体前部安装有前视摄像系统，由可变焦耐辐照摄像管，云台和照明灯组成，视频图像和控制信号通过屏蔽电缆传至岸上控制系统，控制系统由运动控制杆、机械手控制键、键盘、主显示屏、速度调节旋钮组成。本发明用在核电站堆芯池，乏燃料池和构件池的监测和简单的异物打捞工作。

Description

一种核电站微小型作业水下机器人

技术领域

本发明专利涉及一种核电站用微小型作业机器人，主要用于核电站反应堆水池、乏燃料水池和反应堆堆芯、堆内构件在大修期间的检查、维修和异物搜索、打捞工作。

背景技术

ROV（Remote Operated Vehicle）即水下机器人，是一种能够在浅水区域进行探测，作业的工具机器人，主要用于对江河湖海水资源的开发和利用，以及近海资源的探测、利用。目前，世界上的ROV种类已达几十种甚至上百种，形式多样，分为大、中、小型，其中大型主要用于近海油气田的开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面；中小型主要用于江河湖泊捕鱼业以及水质观测等民用领域。公知的ROV系统的组成从结构上可以划分为水面指控系统和水下潜体部分，水面指控系统包括主控计算机、操控系统、跟踪定位系统、显示系统、与水下的通信接口、动力源、脐带电缆及收放系统。水下潜航体主要包括水密耐压壳体和动力推进、探测识别与传感、通讯与导航、电子控制及执行机构等分系统。虽然目前世界上ROV的形式多种多样，但很少有用于相对特殊的极端环境下（如核反应堆芯水池）。极端环境下的ROV的设计不仅要求掌握一般的ROV技术，还要考虑极端环境对ROV的特殊要求。

发明内容

本发明提供一种新型ROV，可用于反应堆堆芯，反应堆水池，乏燃料水池等水下环境的异物搜索和打捞，以及反应堆堆芯部件、水池的缺陷检查，将降低核电站检修、维护成本，提高核电站的自主化程度。本发明除了要解决一般性的水下机器人的常见问题，还要考虑核使用环境下需要解决的技术问题：核环境下控制系统的耐辐照问题，高辐照环境下的摄像问题，高辐照和硼酸环境下的动静密封问题。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种核电站微小型作业水下机器人，包括岸上控制系统和机器人本体（4）两部分。其特征在于：所述机器人本体（4）由岸上的供电设备通过脐带电缆（38）供电和控制，脐带电缆（38）通过水密接头和控制舱（12）相连接。所有零部件均挂接在支撑框架（9）上，其中浮力块（8）提供本体主要的浮力作用，安装在框架（9）上部，水平推进器（15）（17）水平挂接在框架（9）的两侧且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；垂直推进器（10）（16）竖直挂接在框架（9）的两侧的中部且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；声纳（7）安装在浮力块的顶部，360度扫描周边环境，进行导航任务，控制舱（12）安装在框架（9）的中后部，控制舱（12）由内舱和外舱组成，内舱主要安装了水下控制系统（6），外舱主要安装有后视摄像头（14）和后视照明灯（13），框架（9）的底部中央安装有水下机械手（11）；机器人本体（4）的前部装有前视摄像机系统和深度计（21）。

所述前视摄像机系统由水下云台（18），耐辐射摄像管（19）和水下灯（20）组成，并能进行俯仰和左右摆动的运动进行多方位观测并为机械手（11）作业进行导航。

所述的岸上控制系统，如图4和图5所示所示，包括主控计算机（2）和前视摄像机控制系统（39）。

所述主控计算机，如图4所示，包括电源开关按钮（22），机器人供电电压显示屏（23），机器人上升下潜控制杆（24），机械手控制杆（25），输入键盘（26），主显示屏（27），USB数据接口（28），后照明灯控制旋钮（29），行进速度控制旋钮（30），水平运动控制杆（31）。

所述前视摄像机控制系统，如图5所示：包括系统电源（32），聚焦旋钮（33），缩放旋钮（34），左水下灯开关和亮度调节旋钮（35），右水下灯开关和亮度调节旋钮（36）以及云台位置控制按钮（37）。

所述的控制舱（12）分为内舱和外舱两部分，内舱安装水下控制系统（6），外舱安装后视摄像头（14）和后视照明灯（13），内舱的控制系统的核辐射屏蔽措施主要有两个方面：一是内舱外壁材料采用较厚的不锈钢材料，二是在内舱内壁上安装一层铅屏蔽层,且为了保证内舱的可靠性，采用了轴向和端面两道密封措施，并使用综合性能比较好的在辐照环境下不容易发生硬化的三元乙丙橡胶O型密封圈；外舱由玻璃外罩密封。

所述的前视摄像系统的摄像管（19）为可变焦黑白耐辐照摄像机，分辨率为550线，水下云台转速为6°/S，俯仰范围为±15°，左右摆动范围为±30°，配置两个水下灯（20）功率各为100w。

所述后视摄像头（14）为定焦摄像机，且固定在外舱盖上，，分辨率为570线，配备5个LED低功率灯珠（13），功率为2w／个。

所述的控制舱（12）分为内舱和外舱，内舱安装检测机器人姿态的三轴陀螺仪（2）、加速度计，水下控制电路板，外舱安装一个后视摄像头（14）和5个辅助照明LED灯（13）。

所述的机械手（11）安装在机器人本体（4）的底部并与底部支撑板成20°，为单自由度小型夹持式机械手，夹持能力为5kg，其前端手部为模块化设计，可更换其他功能的夹爪和吸尘器等。

所述的水平推进器（15）（17）和垂直推进器（10）（16）所采用的密封方式为静密封+磁耦合传动方式，将原动电机封装在推进器筒内，并通过磁耦合的方式驱动外部螺旋桨叶片。

所述的水上主控计算机（1）为工程塑料仪器箱，其底部还安装有直流电源。

所述的脐带电缆（38）为8芯零浮力电缆，能在水中保持漂浮状态，其中两根导线是负责电源供电，一对双绞线负责岸上和水下的通讯，一对同轴电缆负责传输后视摄像头（14）的视频图像，另一对双绞线传输声纳信号。

本发明的特点主要表现在：

1.本发明的特点主要表现在能够在高核辐照环境下进行潜水巡航观察、狭窄区域安全监测、侦查、搜索以及异物打捞等功能，体积小，操作灵活，可实时观测反应堆水池，乏燃料水池等的状态。

2.本发明所述水下机器人配备了不同功能的传感器，为操作人员提供了丰富的信息数据。

3.本发明所述水下机器人配备了前后视摄像头，能够很好地观测周围水域情况，并通过前视摄像机和机械手的配合完成简单的异物打捞的工作。

4.本发明所述水下机器人具有较大的负载能力，能够在机器人上加装其他作业工具来扩展器功能。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2和图3是本发明的机械本体结构图；

图4是本发明的主控计算机的结构示意图；

图5是本发明前视摄像机控制器的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步详细说明

本发明是一种核电站用微小型水下作业带缆机器人，由水下机器人本体和岸上控制系统组成，两者通过芯脐带缆连接。

如图2和图3所示，水下机器人本体由推进器，前视摄像机，后视摄像机，三轴陀螺仪，加速度计，三轴磁强计，温度计，深度计，照明灯，电缆，控制舱，控制电路板，机械手，支撑框架，浮力块和声纳组成。

在控制舱的两侧水平安装有推进器，且机器人本体重心在推进器安装轴线组成的平面上，可控制机器人的水平运动包括前进，后退，左转，右转。两推进器都给正向电压，机器人前进；都给反向电压，机器人后退，一个给正向电压，一个给反向电压，机器人左转或右转，机器人的水平运动的速度通过调节给推进器的电压来实现。在机器人本体中部两侧安装有推进器，且其安装轴线所组成的平面通过机器人的重心，可控制机器人的垂直升降运动以及对机器人的横滚姿态进行调整。两推进器都给正向电压，机器人上升，都给反向电压，机器人下沉，一个给正向电压，一个给反向电压，可以产生横滚运动，可以对机器人的横滚姿态进行微调以矫正姿态传感器采集来的姿态数据。控制舱分为内舱和外舱，内舱安装水下控制系统，外舱安装后视摄像头用于和辅助LED灯并用透明玻璃罩密封，主要用于后视避障，LED灯为后视摄像头提供照明；前视摄像系统和控制舱都安装在两侧支撑框架上，机械手与支撑框架底部成20°夹角安装，可以夹到与框架底部平齐的物体，不会出现夹取死区，并且可以将机械手的手部换成其他功能的夹爪或吸尘器，实现特殊功能；前视摄像系统由耐辐照摄像管、照明灯和水下云台组成，云台有两个自由度，可以进行俯仰和左右摆动，其摆动幅度均为±15°，能对摄像管的观测方向进行调整，观察前方不同区域的状况。在框架的前部右侧装有深度计和温度计，舱内舱装有嵌入式航姿系统，机器人顶部装有声纳，可以通过声纳，深度计和嵌入式航姿系统得到水下机器人的位置和姿态信息，通过温度计可以得到水下的温度信息。脐带电缆采用具有屏蔽层的零浮力的芯导线，其中一对导线负责水下机器人的供电，一对双绞线负责岸上控制系统和水下机器人本体的通讯，一对同轴电缆将后视摄像头拍摄的图像传输到主控计算机的主屏幕上。

Claims

1.一种核电站微小型作业水下机器人，包括岸上控制系统和机器人本体（4）两部分。其特征在于：所述机器人本体（4）由岸上的供电设备通过脐带电缆（38）供电和控制，脐带电缆（38）通过水密接头和控制舱（12）相连接。所有零部件均挂接在支撑框架（9）上，其中浮力块（8）提供本体主要的浮力作用，安装在框架（9）上部，水平推进器（15）（17）水平挂接在框架（9）的两侧且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；垂直推进器（10）（16）竖直挂接在框架（9）的两侧的中部且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；声纳（7）安装在浮力块的顶部，360度扫描周边环境，进行导航任务，控制舱（12）安装在框架（9）的中后部，控制舱（12）由内舱和外舱组成，内舱主要安装了水下控制系统（6），外舱主要安装有后视摄像头（14）和后视照明灯（13），框架（9）的底部中央安装有水下机械手（11）；机器人本体（4）的前部装有前视摄像机系统和深度计（21）。

2.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述前视摄像机系统由水下云台（18），耐辐射摄像管（19）和水下灯（20）组成，并能进行俯仰和左右摆动的运动进行多方位观测并为机械手（11）作业进行导航。

3.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的岸上控制系统，如图4和图5所示所示，包括主控计算机（2）和前视摄像机控制系统（39）。

4.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述主控计算机，如图4所示，包括电源开关按钮（22），机器人供电电压显示屏（23），机器人上升下潜控制杆（24），机械手控制杆（25），输入键盘（26），主显示屏（27），USB数据接口（28），后照明灯控制旋钮（29），行进速度控制旋钮（30），水平运动控制杆（31）。

5.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述前视摄像机控制系统，如图5所示：包括系统电源（32），聚焦旋钮（33），缩放旋钮（34），左水下灯开关和亮度调节旋钮（35），右水下灯开关和亮度调节旋钮（36）以及云台位置控制按钮（37）。

6.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的控制舱（12）分为内舱和外舱两部分，内舱安装水下控制系统（6），外舱安装后视摄像头（14）和后视照明灯（13），内舱的控制系统的核辐射屏蔽措施主要有两个方面：一是内舱外壁材料采用较厚的不锈钢材料，二是在内舱内壁上安装一层铅屏蔽层，且为了保证内舱的可靠性，采用了轴向和端面两道密封措施，并使用综合性能比较好的在辐照环境下不容易发生硬化的三元乙丙橡胶O型密封圈；外舱由玻璃外罩密封。

7.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的前视摄像系统的摄像管（19）为可变焦黑白耐辐照摄像机，分辨率为550线，水下云台转速为6°/S，俯仰范围为±15°，左右摆动范围为±30°，配置两个水下灯（20）功率各为100w。

8.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述后视摄像头（14）为定焦摄像机，且固定在外舱盖上，，分辨率为570线，配备5个LED低功率灯珠（13），功率为2w／个。

9.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的控制舱（12）分为内舱和外舱，内舱安装检测机器人姿态的嵌入式航姿系统（2），水下控制电路板，外舱安装一个后视摄像头（14）和5个辅助照明LED灯（13）。

10.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的机械手（11）安装在机器人本体（4）的底部并与底部支撑板成20°，为单自由度小型夹持式机械手，夹持能力为5kg，其前端手部为模块化设计，可更换其他功能的夹爪和吸尘器等。