CN105182792B - 一种核辐射环境下机器人作业仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟仿真领域，特别涉及一种核辐射环境下机器人作业仿真系统及方法。所述仿真系统包括建模单元、虚拟仿真单元、显示单元、决策优化单元。本发明提供的辐射环境下机器人作业系统及方法，通过采用计算机虚拟仿真和模型库技术快速地对核辐射环境下机器人作业过程进行虚拟仿真，以达到在将机器人正式投入核辐射环境使用前，使其能够接受实时训练、优化、决策支持，从而保证机器人正式使用时的快速性、可靠性、有效性以及可控性，同时本发明采用三维建模技术、模型库技术和积木构建的方式建立核辐射环境下的虚拟机器人作业的仿真系统，具有模拟环境建立快速、准确的特点，对应对核事故应急处理处置非常有效。

Description

一种核辐射环境下机器人作业仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及虚拟仿真领域，特别涉及一种核辐射环境下机器人作业仿真系统及方法。

背景技术

在核设施退役工程或核事故应急处理中，需要在核辐射环境下进行作业。目前，由于个人防护用品的防护能力的有限性，为减小高能射线对人体的伤害，要求现场作业人员尽量远离核辐射环境或减少暴露在核辐射环境中的时间。机器人技术的快速发展，机器人代替人在危险环境下作业成为可能。由于机器人在本质上抗辐射的能力大大优于人，而且可以采取多种抗核加固的方法来提高机器人的抗核辐射能力。因此，应用耐辐照机器人到核辐射环境下进行作业，已经成为核设施退役工程或核事故应急处理中的有效的作业方式。由于核辐射环境下作业的特殊性，要求机器人作业过程必须快速、可靠、有效、可控，因此在正式将机器人投入到核辐射环境进行工作之前，需要对其工作环境和工作状况进行准确的预估。

发明内容

本发明的目的在于克服核辐射环境下通过人力工作过于危险，而机器人工作又缺少快速性、可靠性、有效性及可控性的问题，提供一种可提高在核辐射环境下工作的机器人快速性、可靠性、有效性及可控性的一种核辐射环境下机器人作业仿真系统，包括，

建模单元，用于采集机器人及其作业环境的数据，并根据该数据建立机器人及其作业环境的模型；

虚拟仿真单元，用于根据所述建模单元建立的机器人及其作业环境的模型结合机器人的作业任务进行机器人动态作业仿真；

显示单元，用于将所述虚拟仿真单元仿真的机器人动态作业过程及相关参数显示；

决策优化单元，用于根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化。

进一步的，所述机器人及所述机器人作业的相关数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库。

所述射线衰减模型数据库中包含射线衰减模型数据，所述联动控制模块数据库中包含联动控制模块数据，所述机器人模型数据库中包含机器人模型数据，所述机器人辅助工具模型数据库包含机器人辅助工具模型数据，所述遥控手柄接口模块数据库中包含控手柄接口模块数据，抗核加固模块数据库包含抗核加固模块数据，所述作业过程显示和控制模块数据库包含作业过程显示和控制模块数据，所述作业任务设置与优化模型数据库包含作业任务设置与优化模型数据。

进一步的，所述虚拟仿真单元除对所述建模单元采集到的数据进行模拟仿真外，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制等进行虚拟仿真。

进一步的，所述显示单元显示内容还包括机器人作业过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量等内容。

进一步的，所述建模单元采集机器人及其作业环境的数据的方式包括：

(1)以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

(2)选择已有模型库中的模型；

(3)修改已有模型库中的模型；

(4)根据需求实时采集数据建立全新模型四种方式。

本发明同时提供一种核辐射环境下机器人作业仿真方法，包括采集机器人及所述机器人作业的相关数据的步骤；

包括采集和/或直接调用数据库中的机器人及其作业环境相关数据，并根据该数据将机器人及机器人作业环境进行建模的步骤；

包括根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真的步骤；

包括根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化的步骤；

包括对机器人作业过程及相关参数进行显示的步骤。

进一步的，所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤中，所述数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库等进行采集汇总的步骤。

所述射线衰减模型数据库中包含射线衰减模型数据，所述联动控制模块数据库中包含联动控制模块数据，所述机器人模型数据库中包含机器人模型数据，所述机器人辅助工具模型数据库包含机器人辅助工具模型数据，所述遥控手柄接口模块数据库中包含控手柄接口模块数据，抗核加固模块数据库包含抗核加固模块数据，所述作业过程显示和控制模块数据库包含作业过程显示和控制模块数据，所述作业任务设置与优化模型数据库包含作业任务设置与优化模型数据。

进一步的，所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤中，采集数据的方式包含：

(1)以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

(2)选择已有模型库中的模型；

(3)修改已有模型库中的模型；

(4)根据需求实时采集数据建立全新模型等四种方式。

进一步的，所述根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真的步骤中，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制等进行虚拟仿真的步骤。

进一步的，所述对机器人作业过程虚拟仿真及相关参数进行显示的步骤中，还包括对机器人作业过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量等内容进行显示的步骤。

进一步的，所述根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化步骤中，还包括机器人作业路径、任务分解、辐射防护等内容的优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的辐射环境下机器人作业系统及方法通过采用计算机虚拟仿真和模型库技术快速地对核辐射环境下机器人作业过程进行虚拟仿真，以达到在将机器人正式投入核辐射环境使用前，使其能够接受实时训练、优化、决策支持，从而保证机器人正式使用时的快速性、可靠性、有效性以及可控性，同时本发明采用三维建模技术、模型库技术和积木构建的方式建立核辐射环境下的虚拟机器人作业的仿真系统，具有模拟环境建立快速、准确的特点，对应对核事故应急处理处置非常有效。

附图说明：

图1为本发明提供的核辐射环境下机器人作业仿真系统框图。

图2为本发明提供的核辐射环境下机器人作业仿真方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：本发明的目的在于克服核辐射环境下通过人力工作过于危险，而机器人工作又缺少快速性、可靠性、有效性及可控性的问题，提供一种可提高在核辐射环境下工作的机器人快速性、可靠性、有效性及可控性的一种核辐射环境下机器人作业仿真系统，包括，

建模单元1，用于采集机器人及其作业环境的数据，并根据该数据建立机器人及其作业环境的模型；

虚拟仿真单元2，用于根据所述建模单元1建立的机器人及其作业环境的模型结合机器人的作业任务进行机器人动态作业仿真；

显示单元3，用于将所述虚拟仿真单元2仿真的机器人动态作业过程及相关参数显示；

决策优化单元4，用于根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化。

进一步的，所述机器人及所述机器人作业的相关数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库；

所述射线衰减模型数据库中包含射线衰减模型数据，所述联动控制模块数据库中包含联动控制模块数据，所述机器人模型数据库中包含机器人模型数据，所述机器人辅助工具模型数据库包含机器人辅助工具模型数据，所述遥控手柄接口模块数据库中包含控手柄接口模块数据，抗核加固模块数据库包含抗核加固模块数据，所述作业过程显示和控制模块数据库包含作业过程显示和控制模块数据，所述作业任务设置与优化模型数据库包含作业任务设置与优化模型数据。

其中，(1)所述基础环境数据指虚拟机器人(虚拟机器人指现实中机器人的虚拟模拟映射)作业的虚拟基础环境，包括与现实机器人作业环境相同的空间、位置、对象及其物理属性等信息。(2)所述辐射环境数据指虚拟机器人作业的辐射环境，包括与现实作业环境相同放射性核素的种类、分布、活度等参数。(3)所述射线衰减模型数据库指物体和空间对射线的衰减模型库，包括不同物质对同种射线的衰减模型、不同射线在同种物质的衰减模型。(4)所述联动控制模块数据库指利用传感器和实时通讯技术，建立虚拟机器人与现实机器人的联动模块，通过传感器和实时通讯技术把现实机器人本体、力臂和工具头的位置、方向和速度等信息传输给虚拟仿真作业系统的机器人，虚拟机器人根据此信息与真实机器人实现联动。随着各种新的机器人的增加，本库增大。(5)所述机器人模型数据及机器人辅助工具模型数据组成虚拟机器人本体和其工具模型库，包括与现实机器人的本体和工具头相同的结构、几何尺寸、材料、功能、负载能力等物理属性。虚拟机器人与现实机器人一样，分为作业机器人与救援机器人并按照一定的比例配置。随着机器人技术的发展，机器人模型不断在增加，这个库也会不断地变大。机器人工具还包括虚拟机器人辅助设备模型库，包括与现实机器人作业携带的相同的辅助设备：照明、防撞雷达、辐射计量(率)计、路径计录仪、摄像头、测距仪、无线通讯模块等。随着各种新的辅助设备的增加，这个库也会不断地增大。(6)所述遥控手柄接口模块数据库，包括与现实机器人相同的各类遥控手柄接口。随着各种新的机器人的增加，这个库不断地增大。(7)所述抗核加固模块数据库指抗核加固模块库，包括铅、铝等抗核辐射材料和抗核加固的方式等，这些材料可以按照不同的抗核加固方式加装到虚拟机器人的任何位置，根据加装抗核辐射材料的种类、位置、尺寸、射线衰减模型以及机器人的负载模型计算机器人的抗核辐射能力、活动能力，通过优化的方式可以得到最优化的抗核加固的方案。随着抗辐射材料和优化方法的增加，本库不断增大。(8)所述作业过程显示和控制模块数据库，包括第一视角和第三视角切换、第一视角下多视野窗口、遥操作手柄驱动选择、辐射计量(率)的显示、抗辐射阈值设定、作业计时(倒计时)、辐射报警提示、作业路径和辐射计量记录和显示、作业最优路径显示、作业过程回放等模块，显示和控制模块随着各种新的辅助设备和功能的增加而增加，本库不断增大。(9)所述作业任务设置与优化模型数据库，包括选择不同的任务和优化算法，随着作业任务和优化算法的增加，本库不断增大。各项数据的具体建立方式及作用见表1所示：

表1

进一步的，所述虚拟仿真单元2除对所述建模单元1采集到的数据进行模拟仿真外，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制等进行虚拟仿真。

进一步的，所述显示单元3显示内容还包括机器人作业过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量等内容。

进一步的，所述建模单元采集机器人及其作业环境的数据的方式包括：

(1)以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

(2)选择已有模型库中的模型；

(3)修改已有模型库中的模型；

(4)根据需求实时采集数据建立全新模型四种方式。

实施例2：本实施例提供一种核辐射环境下机器人作业仿真方法，包括

S01:采集机器人及其作业环境相关数据，并根据该数据将机器人及机器人作业环境进行建模；

S02：根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真；

S03：根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化；

S04：对机器人作业过程虚拟仿真的场景及相关参数进行显示。

需指出的是步骤S02、S03、S04之间并无固定的先后执行顺序，其可以是先后执行，也可以是同步执行，如S04与S02及S03即为同时进行，即在对机器人作业任务进行虚拟仿真、对机器人抗核加固方案进行优化(抗核加固方案包括但不限于加厚机器人材料、更换机器人材料、更换机器人各个部件位置等)及对机器人作业过程进行优化的同时都在进行显示。

进一步的，所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤S01中，所述数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库等数据进行采集汇总的步骤；其中，(1)所述基础环境数据指虚拟机器人(虚拟机器人指现实中机器人的虚拟模拟映射)作业的虚拟基础环境，包括与现实机器人作业环境相同的空间、位置、对象及其物理属性等信息。(2)所述辐射环境数据指虚拟机器人作业的辐射环境，包括与现实作业环境相同放射性核素的种类、分布、活度等参数。(3)所述射线衰减模型数据库指物体和空间对射线的衰减模型库，包括不同物质对同种射线的衰减模型、不同射线在同种物质的衰减模型。(4)所述联动控制模块数据库指利用传感器和实时通讯技术，建立虚拟机器人与现实机器人的联动模块，通过传感器和实时通讯技术把现实机器人本体、力臂和工具头的位置、方向和速度等信息传输给虚拟仿真作业系统的机器人，虚拟机器人根据此信息与真实机器人实现联动。随着各种新的机器人的增加，本库增大。(5)所述机器人模型数据及机器人辅助工具模型数据组成虚拟机器人本体和其工具模型库，包括与现实机器人的本体和工具头相同的结构、几何尺寸、材料、功能、负载能力等物理属性。虚拟机器人与现实机器人一样，分为作业机器人与救援机器人并按照一定的比例配置。随着机器人技术的发展，机器人模型不断在增加，这个库也会不断地变大。机器人工具还包括虚拟机器人辅助设备模型库，包括与现实机器人作业携带的相同的辅助设备：照明、防撞雷达、辐射计量(率)计、路径计录仪、摄像头、测距仪、无线通讯模块等。随着各种新的辅助设备的增加，这个库也会不断地增大。(6)所述遥控手柄接口模块数据库，包括与现实机器人相同的各类遥控手柄接口。随着各种新的机器人的增加，这个库不断地增大。(7)所述抗核加固模块数据库指抗核加固模块库，包括铅、铝等抗核辐射材料和抗核加固的方式等，这些材料可以按照不同的抗核加固方式加装到虚拟机器人的任何位置，根据加装抗核辐射材料的种类、位置、尺寸、射线衰减模型以及机器人的负载模型计算机器人的抗核辐射能力、活动能力，通过优化的方式可以得到最优化的抗核加固的方案。随着抗辐射材料和优化方法的增加，本库不断增大。(8)所述作业过程显示和控制模块数据库，包括第一视角和第三视角切换、第一视角下多视野窗口、遥操作手柄驱动选择、辐射计量(率)的显示、抗辐射阈值设定、作业计时(倒计时)、辐射报警提示、作业路径和辐射计量记录和显示、作业最优路径显示、作业过程回放等模块，显示和控制模块随着各种新的辅助设备和功能的增加而增加，本库不断增大。(9)所述作业任务设置与优化模型数据库，包括选择不同的任务和优化算法，随着作业任务和优化算法的增加，本库不断增大。各项数据的具体建立方式及作用见表1所示。

进一步的，所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤S01中，采集数据的方式包含以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

选择已有模型库中的模型；

修改已有模型库中的模型；

根据需求实时采集数据建立全新模型等四种方式。

进一步的，所述根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真的步骤S02中，除对所述步骤S01采集到的数据进行模拟仿真外，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制等进行虚拟仿真的步骤。

进一步的，所述对机器人作业过程虚拟仿真及相关参数进行显示的步骤S04中，还包括对机器人作业过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量等内容进行显示的步骤。

进一步的，所述根据作业机器人的作业环境和任务对所述机器人抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化步骤S03中，还包括机器人作业路径、任务分解、辐射防护等内容的优化。

Claims (8)

1.一种核辐射环境下机器人作业仿真系统，其特征在于，包括，

建模单元，用于采集机器人及其作业环境的数据，并根据该数据建立机器人及其作业环境的模型；

虚拟仿真单元，用于根据所述建模单元建立的机器人及其作业环境的模型结合机器人的作业任务进行机器人动态作业仿真；

显示单元，用于将所述虚拟仿真单元仿真的机器人动态作业过程及相关参数显示；

决策优化单元，用于根据机器人的作业环境和任务对所述机器人的抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化；

所述机器人及所述机器人作业的相关数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库；

所述射线衰减模型数据库中包含射线衰减模型数据，所述联动控制模块数据库中包含联动控制模块数据，所述机器人模型数据库中包含机器人模型数据，所述机器人辅助工具模型数据库包含机器人辅助工具模型数据，所述遥控手柄接口模块数据库中包含摇控手柄接口模块数据，抗核加固模块数据库包含抗核加固模块数据，所述作业过程显示和控制模块数据库包含作业过程显示和控制模块数据，所述作业任务设置与优化模型数据库包含作业任务设置与优化模型数据。

2.如权利要求1所述的核辐射环境下机器人作业仿真系统，其特征在于，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制进行虚拟仿真。

3.如权利要求1所述的核辐射环境下机器人作业仿真系统，其特征在于，所述显示单元显示内容还包括机器人作业环境与过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量。

4.如权利要求1所述的核辐射环境下机器人作业仿真系统，其特征在于，所述建模单元采集机器人及其作业环境的数据的方式包括：

（1）以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

（2）选择已有模型库中的模型；

（3）修改已有模型库中的模型；

（4）根据需求实时采集数据建立全新模型四种方式。

5.一种核辐射环境下机器人作业仿真方法，其特征在于，

包括采集机器人及其作业环境相关数据，并根据该数据将机器人及机器人作业环境进行建模的步骤；

包括根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真的步骤；

包括根据机器人的作业环境和任务对所述机器人的抗核加固方案的优化及所述机器人的作业过程进行优化的步骤；

包括对机器人作业过程虚拟仿真及相关参数进行显示的步骤；

所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤中，所述数据包括基础环境数据、辐射环境数据、射线衰减模型数据库、联动控制模块数据库、机器人模型数据库、机器人辅助工具模型数据库、遥控手柄接口模块数据库、抗核加固模块数据库、作业过程显示和控制模块数据库和作业任务设置与优化模型数据库进行采集汇总的步骤；

所述射线衰减模型数据库中包含射线衰减模型数据，所述联动控制模块数据库中包含联动控制模块数据，所述机器人模型数据库中包含机器人模型数据，所述机器人辅助工具模型数据库包含机器人辅助工具模型数据，所述遥控手柄接口模块数据库中包含摇控手柄接口模块数据，抗核加固模块数据库包含抗核加固模块数据，所述作业过程显示和控制模块数据库包含作业过程显示和控制模块数据，所述作业任务设置与优化模型数据库包含作业任务设置与优化模型数据。

6.如权利要求5所述的核辐射环境下机器人作业仿真方法，其特征在于，所述采集机器人及其作业环境相关数据的步骤中，采集数据的方式包含：

（1）以数据输入文件导入，数据文件来自前期数据或实时数据；

（2）选择已有模型库中的模型；

（3）修改已有模型库中的模型；

（4）根据需求实时采集数据建立全新模型。

7.如权利要求5所述的核辐射环境下机器人作业仿真方法，其特征在于，所述根据机器人的作业任务在建立好的模型中进行机器人任务虚拟仿真的步骤中，还包括对辐射值衰减情况、机器人运动情况、机器人作业情况、机器人漫游状态、多人称多视角控制进行虚拟仿真。

8.如权利要求5所述的核辐射环境下机器人作业仿真方法，其特征在于，所述对机器人作业过程虚拟仿真及相关参数进行显示的步骤中，还包括对机器人作业过程、机器人动态作业路径、机器人作业时间、辐照剂量进行显示。