CN106782730A - 一种耐辐照动力机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐辐照动力机械手，包括控制室、屏蔽墙和热室，控制室内设置控制系统，控制系统至少包括有中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜、操作台、手操盒，屏蔽墙上设置有贯穿件，热室内设置运行执行系统，运行执行系统至少包括有行车、伸缩筒、监控设备、工具搁架；所述中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜的控制线均穿过屏蔽墙上的贯穿件连接至行车、监控设备、和工具搁架；该机械手采用了耐辐照设计，能在热室等中低放环境中，通过遥操作对放射性废物进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物的情况，可代替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，同时可对核设施行零件更换等维护作业。

Description

一种耐辐照动力机械手

技术领域

本发明涉及一种特种机械手，具体涉及一种应用于中低放环境中对核废弃物进行抓取、切割、剪切等操作，以及核电站设备维修的耐辐照动力机械手。

背景技术

在核退役与放射性废物处理领域，经常会对核工业产生的放射性废物进行夹取、搬运、切割等处理作业，以及对核设施（如高放玻璃固化线）进行零件更换等维护作业。由于放射性废物的处理都处于放射性环境中，工作人员和维修人员辐照风险大，难度高，因此，必须开发一套具有放射性废物夹取、搬运、切割等作业功能的动力机械手。

动力机械手是一种用于中低放环境的自动机械系统，通过安装不同的传感设备，如工业相机、云台、倾角仪等，在操作人员的控制下或者工控机自动控制下完成热室中放射性废物的夹取、搬运、切割等作业的机电一体化系统。运行于各大工厂的工业机械手已经在国内外有广泛应用，但是，其载荷一般较小，不具备耐辐照特性，无法应用于核环境中，同时该类机械手不具备实时监控的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐辐照的动力机械手，该机械手能够在热室等中低放环境中，通过遥操作对放射性废物进行夹取、搬运、切割等作业，同时可对核设施（如高放玻璃固化线）进行零件更换等维护作业。

本发明的技术方案如下：

一种耐辐照动力机械手，其特征在于：包括控制室、屏蔽墙和热室，控制室内设置控制系统，控制系统至少包括有中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜、操作台、手操盒，屏蔽墙上设置有贯穿件，热室内设置运行执行系统，运行执行系统至少包括有行车、伸缩筒、监控设备、工具搁架，所述行车包括机械臂、大车、小车；所述控制室内的中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜的控制线均穿过屏蔽墙上的贯穿件连接至热室内的行车、监控设备和工具搁架。

所述控制室内还设置有操作台、手操盒，操作台至少包括指令按钮、控制监控相机的云台控制器以及监视热室内工作情况的监控显示屏，指令按钮包括用于控制行车的指令旋钮，云台控制器用于控制热室内监控相机的监控范围，监控显示屏用于显示热室内行车的工作情况。操作台通过中央控制柜中PLC的IO口与中央控制柜连接，操作台通过指令按钮输入控制指令，控制指令传到中央控制柜，通过监控显示屏对机械臂进行远程监控和控制。

所述中央控制柜是整个控制系统的核心；中央控制柜对操作台发送的控制指令处理后，分别将控制指令发送至机械臂控制柜和行车控制柜，机械臂控制柜根据控制指令远程控制机械臂的运动，行车控制柜根据控制指令控制行车在热室的空间范围内的移动。

所述中央控制柜中的PLC与机械臂控制柜、行车控制柜均通过Profibus-DP总线通信。

所述控制室内还设置有配电柜，用于给控制室内的各个控制柜提供相应的电源。

所述操作台还设置有音视频监控系统，音视频监控系统包括：监控显示屏、音视频解码器、数据交换机以及云台控制器；所述热室内的监控设备包括监控相机、拾音器、俯仰云台、工业相机；所述音视频解码器与俯仰云台、工业相机之间通过以太网实现视频数据的交互，采集处理后的视频数据在监控显示屏显示；所述俯仰云台分别设置于热室内墙面的四周，通过操作台上云台控制器进行控制，其监控范围可覆盖整个热室，实时监控机械臂的运动，辅助操作人员了解机械臂的运动姿态，完成相应的操作。

所述大车、小车、伸缩筒均安装在矩形的桁架结构上；小车安装于大车上端，小车的下端安装伸缩筒，伸缩筒的下端安装机械臂，机械臂前端的工具头安装工具，机械臂前端的上部固定安装有用于监控夹取或切割放射性废料工作的工业相机；大车、小车分别通过各自的轨道实现直线运动，大车与小车的轨道垂直。

大车的运行机构为双梁桥架结构，大车的运行机构通过大车的电机及减速箱带动车轮转动，从而实现大车沿轨道方向的水平运动；大车的电机配有制动器和过载保护装置，桥架安装有防脱轨的安全设施，以保证大车运行机构的安全性。

小车的运行机构为焊接箱型梁结构，并设计有支撑回转伸缩筒的相应部件。小车的运行机构由小车的电机及减速箱带动车轮转动，从而实现小车沿轨道方向的水平运动；小车的电机配有制动器和过载保护装置，小车安装有防脱轨的安全设施，以保证小车运行机构的安全性。

所述伸缩筒沿竖直方向进行伸缩运动，以及围绕伸缩筒轴心的回转运动。伸缩筒的伸缩机构由链式电动葫芦驱动，在提升作业时由链式电动葫芦驱动链条提升，链条末端与伸缩筒末节固定，从而带动伸缩筒的提升；下降作业时，链式电动葫芦驱动链条下降，伸缩筒在重力作用下跟随下降；电动葫芦具有常闭式制动器，以确保伸缩机构在意外断电时自锁。

所述机械臂安装在伸缩筒的下端，实现局部的精确运动，通过在机械臂的工具头安装不同的末端工具完成相应的作业功能；机械臂具有六自由度，由旋转肩部、大臂、小臂以及具有三个旋转自由度的腕关节组成；机械臂的末端工具安装用于工具快换的母盘。

所述工具搁架用于存放和保护末端工具，工具搁架上设置有用于工具快换时对中使用的“十”字靶标。

所述机械臂的末端工具对应的腕关节侧面和工具搁架的侧面分别安装有工业相机，腕关节侧面的工业相机用于辅助操作人员完成工具快换时观察监控显示屏上“十”字靶标与工具搁架上“十”字靶标的对中；工具搁架侧面的工业相机用于观察“十”字靶标对中前，机械臂末端工具的高度。

所述末端工具包括二指夹钳和圆盘锯两套工具，所述二指夹钳用于放射性废物的夹取，所述圆盘锯用于放射性废料的切割；二指夹钳及圆盘锯均安装有用于工具快换的母盘，通过快换使安装在机械臂末端的公盘与母盘连接，实现工具的快换，同时两种工具均配置有贴合信号、电气连接信号的传感器，辅助操作人员了解两个工具快换时的状态信息。

操作人员根据传感器的数据调整机械臂的姿态，到工具搁架处进行末端工具的快换，完成快换后通过音视频监控系统，将机械臂移动到指定位置夹取或者切割放射性废料。

所述屏蔽墙用于屏蔽热室的各种射线，采用实心墙砖混合铅的形式浇注而成。

所述贯穿件用于电缆及信号线穿过屏蔽墙。

本发明的有益效果如下：

本发明的整个系统采用了耐辐照设计，将控制系统设置于控制室内，与热室隔离，只有运动执行设备处于核辐射环境中，并且中间还采用屏蔽墙进行隔离，因此，动力机械手可以运行于中低放核辐射环境中；

同时，本发明解决了核退役与放射性废物处理领域，动力机械手的作业问题，通过遥操作技术能够对放射性废物进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物的情况，可以代替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，对于核工业的发展具有积极的推动作用。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的控制系统的设计框图；

图3为本发明用于抓取废弃物的流程示意图；

图4为本发明用于切割废弃物的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种耐辐照动力机械手，包括控制室、屏蔽墙和热室，控制室内设置控制系统，控制系统至少包括有中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜、操作台、手操盒，屏蔽墙上设置有贯穿件，热室内设置运行执行系统，运行执行系统至少包括有行车、伸缩筒、监控设备、工具搁架，所述行车包括机械臂、大车、小车；所述控制室内的中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜的控制线均穿过屏蔽墙上的贯穿件连接至热室内的行车、监控设备和工具搁架。

所述控制室内还设置有操作台、手操盒，操作台至少包括指令按钮、控制监控相机的云台控制器以及监视热室内工作情况的监控显示屏，指令按钮包括用于控制行车的指令旋钮，云台控制器用于控制热室内监控相机的监控范围，监控显示屏用于显示热室内行车的工作情况。操作台通过中央控制柜中PLC的IO口与中央控制柜连接，操作台通过指令按钮输入控制指令，控制指令传到中央控制柜，通过监控显示屏对机械臂进行远程监控和控制。

所述中央控制柜是整个控制系统的核心；中央控制柜对操作台发送的控制指令处理后，分别将控制指令发送至机械臂控制柜和行车控制柜，机械臂控制柜根据控制指令远程控制机械臂的运动，行车控制柜根据控制指令控制行车在热室的空间范围内的移动。

所述中央控制柜中的PLC与机械臂控制柜、行车控制柜均通过Profibus-DP总线通信。

所述控制室内还设置有配电柜，用于给控制室内的各个控制柜提供相应的电源。

所述操作台还设置有音视频监控系统，音视频监控系统包括：监控显示屏、音视频解码器、数据交换机以及云台控制器；所述热室内的监控设备包括监控相机、拾音器、俯仰云台、工业相机；所述音视频解码器与俯仰云台、工业相机之间通过以太网实现视频数据的交互，采集处理后的视频数据在监控显示屏显示；所述俯仰云台分别设置于热室内墙面的四周，通过操作台上云台控制器进行控制，其监控范围可覆盖整个热室，实时监控机械臂的运动，辅助操作人员了解机械臂的运动姿态，完成相应的操作。

所述大车、小车、伸缩筒均安装在矩形的桁架结构上；小车安装于大车上端，小车的下端安装伸缩筒，伸缩筒的下端安装机械臂，机械臂前端的工具头安装工具，机械臂前端的上部固定安装有用于监控夹取或切割放射性废料工作的工业相机；大车、小车分别通过各自的轨道实现直线运动，大车与小车的轨道垂直。

大车的运行机构为双梁桥架结构，大车的运行机构通过电机及减速箱带动车轮转动，从而实现大车沿轨道方向的水平运动；电机配有制动器和过载保护装置，桥架安装有防脱轨的安全设施，以保证大车运行机构的安全性。

小车的运行机构为焊接箱型梁结构，并设计有支撑回转伸缩筒的相应部件。小车的运行机构由电机及减速箱带动车轮转动，从而实现小车沿轨道方向的水平运动。电机配有制动器和过载保护装置，小车安装有防脱轨的安全设施，以保证小车运行机构的安全性。

所述伸缩筒沿竖直方向进行伸缩运动，以及围绕伸缩筒轴心的回转运动。伸缩筒的伸缩机构由链式电动葫芦驱动，在提升作业时由链式电动葫芦驱动链条提升，链条末端与伸缩筒末节固定，从而带动伸缩筒的提升；下降作业时，链式电动葫芦驱动链条下降，伸缩筒在重力作用下跟随下降；电动葫芦具有常闭式制动器，以确保伸缩机构在意外断电时自锁。

所述机械臂安装在伸缩筒的下端，实现局部的精确运动，通过在机械臂的工具头安装不同的末端工具完成相应的作业功能；机械臂具有六自由度，由旋转肩部、大臂、小臂以及具有三个旋转自由度的腕关节组成；机械臂的末端工具安装用于工具快换的母盘。

所述工具搁架用于存放和保护末端工具，工具搁架上设置有用于工具快换时对中使用的“十”字靶标。

所述机械臂的末端工具对应的腕关节侧面和工具搁架的侧面分别安装有工业相机，腕关节侧面的工业相机用于辅助操作人员完成工具快换时观察监控显示屏上“十”字靶标与工具搁架上“十”字靶标的对中；工具搁架侧面的工业相机用于观察“十”字靶标对中前，机械臂末端工具的高度。

所述末端工具包括二指夹钳和圆盘锯两套工具，所述二指夹钳用于放射性废物的夹取，所述圆盘锯用于放射性废料的切割；二指夹钳及圆盘锯均安装有用于工具快换的母盘，通过快换使安装在机械臂末端的公盘与母盘连接，实现工具的快换，同时两种工具均配置有贴合信号、电气连接信号的传感器，辅助操作人员了解两个工具快换时的状态信息。

操作人员根据传感器的数据调整机械臂的姿态，到工具搁架处进行末端工具的快换，完成快换后通过音视频监控系统，将机械臂移动到指定位置夹取或者切割放射性废料。

所述屏蔽墙用于屏蔽热室的各种射线，采用实心墙砖混合铅的形式浇注而成。

所述贯穿件用于电缆及信号线穿过屏蔽墙。

如图3所示，该动力机械手抓取废弃物的流程如下：

首先控制行车运动到废料箱上方，伸缩筒下降到指定位置，控制机械臂的Z轴下降，调整机械臂进入抓取姿态，控制工具头夹紧放射性废物，提升机械臂的Z轴上升，当机械臂完全离开废料箱后，控制行车移动平台到指定位置，调整机械臂进入放置姿态，控制机械臂Z轴下降，控制工具头松开放射性废物。

如图4所示，该动力机械手切割废弃物的流程如下：

首先控制行车运动到切割台面上方，行车伸缩筒下降到指定位置，控制机械臂的Z轴下降，调整机械臂进入切割姿态，当圆盘锯移动到待切割放射性废物上方时，启动圆盘锯，缓慢控制进给量，进行切割作业，直到放射性废物切割完毕，停止圆盘锯。

Claims (15)

1.一种耐辐照动力机械手，其特征在于：包括控制室、屏蔽墙和热室，控制室内设置控制系统，控制系统至少包括有中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜、操作台、手操盒，屏蔽墙上设置有贯穿件，热室内设置运行执行系统，运行执行系统至少包括有行车、伸缩筒、监控设备、工具搁架，所述行车包括机械臂、大车、小车；所述控制室内的中央控制柜、行车控制柜、机械臂控制柜的控制线均穿过屏蔽墙上的贯穿件连接至热室内的行车、监控设备和工具搁架；所述贯穿件用于电缆及信号线穿过屏蔽墙。

2.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述控制室内还设置有操作台、手操盒，操作台至少包括指令按钮、控制监控相机的云台控制器以及监视热室内工作情况的监控显示屏，指令按钮包括用于控制行车的指令旋钮，云台控制器用于控制热室内监控相机的监控范围，监控显示屏用于显示热室内行车的工作情况。

3.操作台通过中央控制柜中PLC的IO口与中央控制柜连接，操作台通过指令按钮输入控制指令，控制指令传到中央控制柜，通过监控显示屏对机械臂进行远程监控和控制。

4.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述中央控制柜对操作台发送的控制指令处理后，分别将控制指令发送至机械臂控制柜和行车控制柜，机械臂控制柜根据控制指令远程控制机械臂的运动，行车控制柜根据控制指令控制行车在热室的空间范围内的移动；所述中央控制柜中的PLC与机械臂控制柜、行车控制柜均通过Profibus-DP总线通信。

5.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述控制室内还设置有配电柜，用于给控制室内的各个控制柜提供相应的电源。

6.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述操作台还设置有音视频监控系统，音视频监控系统包括：监控显示屏、音视频解码器、数据交换机以及云台控制器；所述热室内的监控设备包括监控相机、拾音器、俯仰云台、工业相机；所述音视频解码器与俯仰云台、工业相机之间通过以太网实现视频数据的交互，采集处理后的视频数据在监控显示屏显示；所述俯仰云台分别设置于热室内墙面的四周，通过操作台上云台控制器进行控制，监控整个热室，实时监控机械臂的运动，辅助操作人员了解机械臂的运动姿态，完成相应的操作。

7.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述大车、小车、伸缩筒均安装在矩形的桁架结构上；小车安装于大车上端，小车的下端安装伸缩筒，伸缩筒的下端安装机械臂，机械臂前端的工具头安装工具，机械臂前端的上部固定安装有用于监控夹取或切割放射性废料工作的工业相机；大车、小车分别通过各自的轨道实现直线运动，大车与小车的轨道垂直。

8.根据权利要求6所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：大车的运行机构为双梁桥架结构；小车的运行机构为焊接箱型梁结构，并设置有控制伸缩筒沿筒轴心回转的相应部件；大车、小车的运行机构分别由对应的大车的电机及减速箱和小车的电机及减速箱分别对应带动转动，实现大车、小车分别沿各自的轨道方向进行水平运动；所述大车的电机配有制动器和过载保护装置，桥架安装有防脱轨装置；所述小车的电机也配有制动器和过载保护装置，小车安装有防脱轨装置。

9.根据权利要求7所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述伸缩筒沿竖直方向进行伸缩运动，以及围绕伸缩筒轴心的回转运动；伸缩筒的伸缩机构由链式电动葫芦驱动，在提升作业时由链式电动葫芦驱动链条提升，链条末端与伸缩筒末节固定，从而带动伸缩筒的提升；下降作业时，链式电动葫芦驱动链条下降，伸缩筒在重力作用下跟随下降；电动葫芦具有常闭式制动器，以确保伸缩机构在意外断电时自锁。

10.根据权利要求6所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述机械臂安装在伸缩筒的下端，通过在机械臂的工具头安装不同的末端工具完成相应的作业功能；机械臂具有六自由度，由旋转肩部、大臂、小臂以及具有三个旋转自由度的腕关节组成；机械臂的末端工具安装用于工具快换的母盘。

11.根据权利要求9所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述工具搁架用于存放和保护末端工具，工具搁架上设置有用于工具快换时对中使用的“十”字靶标。

12.根据权利要求10所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述机械臂的末端工具对应的腕关节侧面和工具搁架的侧面分别安装有工业相机，腕关节侧面的工业相机用于辅助操作人员完成工具快换时观察监控显示屏上“十”字靶标与工具搁架上“十”字靶标的对中；工具搁架侧面的工业相机用于观察“十”字靶标对中前，机械臂末端工具的高度。

13.根据权利要求9所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述末端工具包括二指夹钳和圆盘锯两套工具，所述二指夹钳用于放射性废物的夹取，所述圆盘锯用于放射性废料的切割；二指夹钳及圆盘锯均安装有用于工具快换的母盘，通过快换使安装在机械臂末端的公盘与母盘连接，实现工具的快换，同时两种工具均配置有贴合信号、电气连接信号的传感器，辅助操作人员了解两个工具快换时的状态信息。

14.根据权利要求12所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：操作人员根据传感器的数据调整机械臂的姿态，到工具搁架处进行末端工具的快换，完成快换后通过音视频监控系统，将机械臂移动到指定位置夹取或者切割放射性废料。

15.根据权利要求1所述的一种耐辐照动力机械手，其特征在于：所述屏蔽墙用于屏蔽热室的各种射线，采用实心墙砖混合铅的形式浇注而成。