CN104777840A - 用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人包括两个腿足（10）以及由该两个腿足（10）架起来的第一主体（20）和第二主体（30），该小型爬壁机器人还包括控制腿杆部（11）水平旋转的第一驱动机构（40），用于控制第一主体（20）和第二主体（30）的第二驱动机构（50）至第四驱动机构（70），进一步包括探测部（80）以及控制部（90）。本发明中的小型爬壁机器人携带多个传感器，可进行全方位的探测；集成度高，机构紧凑，远程操作时采用无线+有线的方式，克服了安全壳对通信信息的屏蔽。

Description

用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及用于核电站安全壳内进行环境监测的小型机器人。

背景技术

自第一座核电机组运行以来，全球已发生了多次核事故，特别严重的有1986年前苏联的切尔诺贝利事故，以及2011年日本的福岛核事故，均造成了极其重大的人员伤亡和财产损失，引起了人类对于核安全的高度忧虑。依据“防患于未然”的原则，核电站的监测和预警是核电站安全中最重要的一环，特别是在当前，很多核电站经过长时间的运行后，设备的老化、磨损问题已越来越严重。

按照纵深防御的原则，目前的核电站在核燃料和外部空气之间设置了四道屏障，安全壳即为第四道也是最后一道屏障，如图1所示。一旦压力容器及其管道破漏，放射性物质将被包容在安全壳内，不至于外漏。通过监测安全壳内的环境状态，包括辐射剂量、氢气浓度、烟雾、氢气浓度、温度、湿度、气压，可获知核电站的安全状态，当发生事故时，可及早应对，避免造成巨大影响。

利用机器人代替人进入核电站进行安全性监测和预警，有如下好处：(1) 及早发现问题，赢得抢修时间，至少可以有充分的时间关断核反应堆，尽可能减轻事故产生的后果；(2) 极大地减少工作人员所受的核辐射，保证人员安全；(3) 利用监测机器人携带视频监控相机或其他先进的设备，可以提供最直接的监测结果，与间接监测手段（如通过温度、湿度、辐射量等）获得的结果相比，更加直观、准确。

目前的核工业机器人主要用于日常作业，包含蒸汽发生器、反应堆容器的检查、安装、维修，以及退役反应堆的封存、掩埋或拆卸，放射性废物处理等作业；部分机器人可用于核事故处理与救援等，即利用轮式、履带式移动机器人，携带操作设备，进入事故现场，开展事故处理与救援相关工作。而监测机器人的研究相对滞后。比较典型的是西班牙研制的可用于检测柱状容器（如蒸汽发生器）和大直径管道的爬壁机器人Robicen，目前已有3代产品。Robicen机器人由4个能适应弧形壁面的真空吸盘提供吸附力，通过机体上两个气缸的同步或不同步伸缩，完成机器人的直线和转弯运动(Briones L, Bustamante P, Serna M A. Robicen: A Wall-Climbing Pneumatic Robot for Inspection in Nuclear Power Plants [J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 1994, 11(4): 287-292.)。该研究团队还研制了用于沸水反应堆清水墙检查的小型自主机器人MonoCaRob，该机器人沿着专门布置于管道间的导轨运动，利用携带的摄像机和其他传感器进行常规检查(Savall J, Avello A, Briones L. Two Compact Robots for Remote Inspection of Hazardous Areas in Nuclear Power Plants[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Detroit, MI , USA, 1999: 1993-1998.)。英国核电公司于20世纪90年代在Magnox核电站反应堆压力容器上使用了两种类型的远距离爬行小车Nero(Luk B L, Collie A A, White T. NERO: A Teloperated Wall Climbing Vehicle for Assisting Inspection of a Nuclear Reactor Pressure Vessel[C]. ASME International Computers Engineering Conference, 1993.)。Choi等人设计了对蒸汽发生器的给水管道进行监测的机器人(Choi C, Park B, Jung S. The Design and Analysis of a Feeder Pipe Inspection Robot With an Automatic Pipe Tracking System[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2010, 15(5): 736-745). 在现有文献中，尚未查阅到针对核电站安全壳内环境进行全面检测的机器人系统。

专利申请方面，申请号为2012101719639的专利提出了一种基于核辐射的核电站机器人定位方法，未对所采用的机器人转置进行论述；申请号为2014102136542的专利公开了一种用于核电站蒸汽发生器二次侧进行清洁度检测的爬壁机器人及其人检测核电站蒸汽发生器二次侧的方法，该机器人吸附于核电站蒸汽发生器二次侧的筒体内壁上，不具备同时适应多种不同形状表面爬壁的能力，特别是不同面间过渡的能力。

现有技术没有专门针对核电站安全壳内环境进行全面检测的机器人系统，以往的用于核电站内部的机器人也主要采用有线连接、进程操作的方式，限制了机器人的运动能力和监测范围。

发明内容

本发明公开一种用于核电站安全壳内核辐射、氢气浓度、气压、温度、湿度进行实时、动态监测的爬壁机器人，通过在安全壳内不同设备的表面上，以及不同表面之间进行攀爬，实现局部区域及全局区域的环境监测，解决现有技术中运动能力不强以及监测范围有限的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而设计的这种用于核电站安全壳内环境监测小型爬壁机器人包括着地的两个腿足以及由该两个腿足架起来的第一主体和第二主体，所述第一主体和第二主体分别与两个腿足的顶端铰接，第一主体与第二主体之间铰接连接，所述两个腿足均包括腿杆部、足端部以及设置于足端的吸附部，该小型爬壁机器人还包括设置于腿杆部与足端部之间用于控制腿杆部水平旋转的第一驱动机构，设置于一支腿足顶端与第一主体之间用于控制第一主体俯仰运动的第二驱动机构，设置于第一主体与第二主体之间控制第一主体或第二主体俯仰运动的第三驱动机构以及设置于另外一支腿足顶端与第二主体之间控制第二主体俯仰运动的第四驱动机构，该小型爬壁机器人还进一步包括设置于第一主体、第二主体或两个腿足上的探测部以及控制机器人各部工作的控制部。所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构以及第四驱动机构均为直接控制相应关节的舵机，所述吸附部包括设置于足端的真空吸盘以及连接所述真空吸盘的气泵。

本发明进一步改进在于：所述探测部包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部、用于预警突发事件的事故预警监测部以及用于探测障碍物的辅助运动探测部。所述环境常规检测部包括分别连接于所述控制部的温度监测单元、湿度监测单元以及视觉监测单元；所述事故预警监测部包括分别连接于所述控制部的火灾监测单元、气体泄漏监测单元以及地震监测单元；所述辅助运动探测部包括距离测量单元，所述距离测量单元为超声波测距传感器。

本发明更进一步改进在于：所述控制部包括主控单元，分别连接该主控单元的无线通讯单元以及电源模块，所述主控单元为嵌入式的控制器。

本发明中的小型爬壁机器人携带辐射探测、有害气体探测、烟雾、火焰、气压、温度、湿度等多个传感器，可对核电站内的环境进行全方位的探测；机器人本体具备5DOF的运动能力、两端采用真空吸盘，能稳定、可靠地吸附在不同表面上，并能够在不同表面间进行攀爬行走；采用模块化、一体化设计方法，使得机器人的集成度高，机构紧凑、质量轻、体积小；控制系统采用上位机与嵌入式控制相结合的方式，使人的操作意图能够快速、有效地在机器人上得到响应；进一步运用远程操作时采用无线+有线的方式，克服了安全壳对通信信息的屏蔽，使得安全壳外的操作员能够对安全壳内的机器人进行实时、有效控制，该机器人尺寸小于240 mm×140 mm×98 mm，质量小于1.4 kg；爬行速度大于60 mm/s。

附图说明

图1是本发明小型爬壁机器人总体方案示意图。 图2是本发明小型爬壁机器人的立体示意图。 图3是本发明小型爬壁机器人的各关节运动方式示意图。 图4是本发明小型爬壁机器人控制部的示意图。 图5是本发明上下位机控制方式示意图。 图6是本发明在核电站安全壳内工作的示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施例。

由图1至图5中可知，本发明用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人包括着地的两个腿足10以及由该两个腿足10架起来的第一主体20和第二主体30，所述第一主体20和第二主体30分别与两个腿足10的顶端铰接，第一主体20与第二主体30之间铰接连接，所述两个腿足10均包括腿杆部11、足端部12以及设置于足端的吸附部13，所述吸附部13包括设置于足端的真空吸盘131以及连接所述真空吸盘131的气泵132，该小型爬壁机器人还包括设置于腿杆部11与足端部12之间用于控制腿杆部11水平旋转的第一驱动机构40，设置于一支腿足10顶端与第一主体20之间用于控制第一主体20俯仰运动的第二驱动机构50，设置于第一主体20与第二主体30之间控制第一主体20或第二主体30俯仰运动的第三驱动机构60以及设置于另外一支腿足10顶端与第二主体30之间控制第二主体30俯仰运动的第四驱动机构70，该小型爬壁机器人还进一步包括设置于第一主体20、第二主体30或两个腿足10上的探测部80以及控制机器人各部工作的控制部90；所述第一驱动机构40、第二驱动机构50、第三驱动机构60以及第四驱动机构70均为直接控制相应关节的舵机。

电站安全壳内环境监测机器人系统研究的目标是能够实现在核电站内部运动和监测核电站内部环境的功能。根据功能将核电站安全壳内环境监测机器人系统划分为三个分系统：机械系统、传感监测系统、控制系统。这三个分系统通过接口结合为一体，相互协调配合。

机械系统依照机器人对运动能力的要求，采用腿足吸附式行走机构，本体有5个旋转关节，每个旋转关节由舵机驱动，本体具备5自由度操作能力；机器人两端为吸盘，采用壁面适应性强且吸附力大的真空吸盘吸附方式，通过吸盘与接触面的吸附实现攀爬和行走。本发明中所述第一驱动机构40控制两个腿足上的踝关节，第二驱动机构50以及第四驱动机构70控制腿足与两个主体之间的肩关节，而第三驱动机构60则控制两个主体之间的中间关节。上述配置使得机器人能够实现地面行走、转弯、越障、多面跨越等运动，本发明的运动方式包括翻越式行进：以一个腿足吸附地面（或墙壁或物体表面），两个肩关节（绕Y轴的3个关节）配合进行180度翻转（中间关节可以参与翻转或不参与翻转），而实现翻转式的行进运动。扭转式行进：则一个腿足吸附地面，着地端腿足上的踝关节扭转，另一腿足着地后也进行扭转，踝关节绕Z轴的2个自由度，可以交替动作，驱动机器人本体呈扭转式行进，这种方式与翻越式相比运动速度快而且稳定，所需的运动空间小。正常行进：以一个腿足吸附地面，两个肩关节和中间关节俯仰运动，驱动机器人主体行进。运动完成后足部吸盘吸附在相应位置，吸附稳定后进行下一步运动。运动中，伴随机器人双足的移动，双足底部的吸盘交替吸附、释放。

驱动力矩对于机器人稳定可靠运动极其重要，通过分析运动过程中使得关节驱动力矩最大的步态，开展理论计算和Adams仿真，以确定关节驱动力矩。工况包括：1）行走时一吸盘吸附地面，第二驱动机构50以及第四驱动机构70做抬腿运动（肩关节力矩分析）；2）一吸盘吸附于墙壁，多关节配合翻转运动（肩关节力矩分析）；3）一吸盘吸附于墙壁，第一驱动机构40扭转运动（踝关节力矩分析）。最后确定，行走时踝关节需提供最大力矩为9.7 kg·cm，翻越时踝关节需提供最大力矩为10 kg·cm，在墙壁上扭转运动时踝关节需提供最大力矩为10.2 kg·cm。因此，关节最大力矩需求为10.2 kg·cm。考虑余量后选择额定扭矩为17 kg·cm的舵机。

所述探测部80包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部81、用于预警突发事件的事故预警监测部82以及用于探测障碍物的辅助运动探测部83。所述环境常规检测部81包括分别连接于所述控制部90的温度监测单元、湿度监测单元以及视觉监测单元；所述事故预警监测部82包括分别连接于所述控制部90的火灾监测单元、气体泄漏监测单元以及地震监测单元；所述辅助运动探测部83包括距离测量单元，所述距离测量单元为超声波测距传感器。传感系统的功能主要包含三方面：（1）核电站环境的常规监测。常规监测主要包括内部的温度、湿度、视觉；（2）核电站突发状况预警。突发状况包括火灾，地震以及有害气体泄露等；（3）机器人的运动控制，在机器人的肩部布置了超声波测距传感器，可以测量机器人距离前方障碍物的距离，为运动控制提供依据。因此，在硬件系统中配置了相对应的传感器和摄像头。传感系统硬件方面包括温湿度传感器、震动传感器、火焰传感器、有害气体传感器等用于对周围环境的监测，其中温湿度传感器为模拟量传感器，实时显示环境的温度以及湿度，震动传感器、火焰传感器、有害气体传感器为数字量传感器，当核电站内部发生火灾、地震或有害气体泄露时及时预警。

所述控制部90包括主控单元91，分别连接该主控单元91的无线通讯单元92以及电源模块93，所述主控单元91为嵌入式的控制器。控制系统是机器人的神经中枢，选择采用两级主从式的控制系统实现远程控制。即采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能，主从两级采用无线的方式通讯。

核电站安全壳内环境监测机器人工作于核电站内部，操作人员通过远程控制系统进行控制，远程控制系统主要由上位机即远程控制平台和下位机即嵌入式控制平台两个部分组成。其中上位机为普通PC，包括人机界面和操作终端，负责运动控制参数的设定、运动方式的选择、运动的控制、核电站环境监测内容显示等。下位机为嵌入式控制系统（控制部90），与运动机构和传感系统连接，负责接收上位机发送的控制命令、参数，并实现对应操作，同时接收传感器反馈的环境信息以及机器人的运动状态并向上位机发送。上位机与下位机之间通过无线通讯模块形成无线互联。

安全壳可以抵御地震、龙卷风和喷气式飞机冲击等外力的撞击。反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100cm，内表面加有0.6cm的钢衬，可以抗御来自内部或外界的飞出物，防止放射性物质进入环境。如此厚的安全壳，对于无线通信的屏蔽作用非常巨大，安全壳外与安全壳内的无线通信几乎被隔绝，在现有技术水平下，基于无线通信的遥操作方式几乎不可行，因此，本发明采用有线+无线的通信体制（如图6所示），即在安全壳内安装无线通信路由器，在安全壳内的设备可采用无线通信，而该设备采用有线的形式连接到安全壳外，以克服由于安全壳的强大屏蔽能力使得无线通信设备无法正常工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：该小型爬壁机器人包括着地的两个腿足（10）以及由该两个腿足（10）架起来的第一主体（20）和第二主体（30），所述第一主体（20）和第二主体（30）分别与两个腿足（10）的顶端铰接，第一主体（20）与第二主体（30）之间铰接连接，所述两个腿足（10）均包括腿杆部（11）、足端部（12）以及设置于足端的吸附部（13），该小型爬壁机器人还包括设置于腿杆部（11）与足端部（12）之间用于控制腿杆部（11）水平旋转的第一驱动机构（40），设置于一支腿足（10）顶端与第一主体（20）之间用于控制第一主体（20）俯仰运动的第二驱动机构（50），设置于第一主体（20）与第二主体（30）之间控制第一主体（20）或第二主体（30）俯仰运动的第三驱动机构（60）以及设置于另外一支腿足（10）顶端与第二主体（30）之间控制第二主体（30）俯仰运动的第四驱动机构（70），该小型爬壁机器人还进一步包括设置于第一主体（20）、第二主体（30）或两个腿足（10）上的探测部（80）以及控制机器人各部工作的控制部（90）。

2.根据权利要求1所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述吸附部（13）包括设置于足端的真空吸盘（131）以及连接所述真空吸盘（131）的气泵（132）。

3.根据权利要求1所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述探测部（80）包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部（81）、用于预警突发事件的事故预警监测部（82）以及用于探测障碍物的辅助运动探测部（83）。

4.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述环境常规检测部（81）包括分别连接于所述控制部（90）的温度监测单元、湿度监测单元以及视觉监测单元。

5.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述事故预警监测部（82）包括分别连接于所述控制部（90）的火灾监测单元、气体泄漏监测单元以及地震监测单元。

6.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述辅助运动探测部（83）包括距离测量单元。

7.根据权利要求6所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述距离测量单元为超声波测距传感器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述控制部（90）包括主控单元（91），分别连接该主控单元（91）的无线通讯单元（92）以及电源模块（93）。

9.根据权利要求8所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述主控单元（91）为嵌入式的控制器。

10.根据权利要求1至6中任一项所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于：所述第一驱动机构（40）、第二驱动机构（50）、第三驱动机构（60）以及第四驱动机构（70）均为直接控制相应关节的舵机。