CN109366481B - 一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下复杂空间异物抓取技术领域，具体涉及一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：它包括支撑移动机构、长杆工具、水下异物抓取机械手、控制系统、水下照明灯和水下摄像头；支撑移动机构与长杆工具的上端固定连接，可沿水平和竖直方向运动；长杆工具的下端与水下异物抓取机械手的上端固定连接，用于将水下异物抓取机械手送至下堆芯板处；控制系统分别通过电缆与水下异物抓取机械手、水下照明灯和水下摄像头连接，根据水下照明灯和水下摄像头拍摄的影像控制水下异物抓取机械手的动作；水下照明灯和水下摄像头设置在下堆芯板下方，用于监控水下异物抓取机械手的工作。

Description

一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置

技术领域

本发明属于水下复杂空间异物抓取技术领域，具体涉及一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置。

背景技术

核电厂在运行或检修的过程中时常会有异物落入水池内；有些异物会掉落在比较狭窄的空间，比如堆芯支承板上方，该区域为一个相对封闭的空间，一旦有异物进入，只能在换料时在上部堆内构件和燃料组件吊出后，将异物抓取工具从下堆芯板上的孔内伸入将异物取出。如果这些异物不能被清除，将给机组安全运行带来很大的风险。及时清除这些异物，对降低水体剂量和保障核电运行安全显得尤其重要。国内核电厂普遍采用常规异物抓取工具来拾取这些异物，但由于受空间的限制，常规工具可达性差、无法准确定位等原因，不能有效将该区域内的异物清除。

本发明一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置可达区域能够有效覆盖堆芯支承板上表面，且能够准确定位，能够适应该区域的环境，能有效将沉积在堆芯支承板上表面的异物清除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，可以解决常规异物抓取工具可达性差、无法全面覆盖堆芯支承板上表面，抓取异物过程中工具无法准确定位，不能有效将堆芯支承板上表面的异物清除的问题。

本发明是这样实现的：

一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，包括支撑移动机构、长杆工具、水下异物抓取机械手、控制系统、水下照明灯和水下摄像头；支撑移动机构与长杆工具的上端固定连接，可沿水平和竖直方向运动；长杆工具的下端与水下异物抓取机械手的上端固定连接，用于将水下异物抓取机械手送至下堆芯板处；控制系统分别通过电缆与水下异物抓取机械手、水下照明灯和水下摄像头连接，根据水下照明灯和水下摄像头拍摄的影像控制水下异物抓取机械手的动作；水下照明灯和水下摄像头设置在下堆芯板下方，用于监控水下异物抓取机械手的工作。

如上所述的水下异物抓取机械手包括多关节机械臂、定位装置、第一密封圈、异物抓取机械手箱体、旋转机构、旋转机械臂、应急驱动接头、应急驱动工具、第二密封圈和升降机构；异物抓取机械手箱体整体中空的圆柱体形，在上下端面中心位置开设有通孔；旋转机械臂的下端位于异物抓取机械手箱体内部，上端穿过异物抓取机械手箱体的上端面通孔伸出到箱体外部，与长杆工具同轴且位于长杆工具内部；应急驱动接头设置在旋转机械臂的上端中心位置，用于与应急驱动工具相配合；第二密封圈设置在旋转机械臂与异物抓取机械手箱体之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体内部；旋转机构安装在旋转机械臂的下端，用于实现多关节机械臂的旋转；升降机构固定在异物抓取机械手箱体的内壁上，同时与旋转机构相配合，在升降机构的带动下，多关节机械臂、旋转机械臂和旋转机构可上下直线运动；多关节机械臂的上端位于异物抓取机械手箱体内部，与旋转机构固定连接，下端穿过异物抓取机械手箱体下端面通孔和定位装置，进入下堆芯板的下方；第一密封圈设置在多关节机械臂与异物抓取机械手箱体之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体内部；定位装置的下端固定在下堆芯板的一个孔上，上端与异物抓取机械手箱体固定连接。

如上所述的定位装置整体为圆环形，分为内环和外环，外环的高度小于内环的高度；定位装置内环的上端开设有通孔，用于穿过多关节机械臂，下端设置有锥形导向结构，用于对准下堆芯板孔；定位装置外环的上端封闭，下端开放，用于容纳燃料组件定位销，避免与燃料组件定位销之间发生干涉；处于工作状态时，定位装置的内环下端伸入下堆芯板孔内部，外环下端面与下堆芯板上表面紧密贴合。

如上所述的升降机构包括直线运动模块、升降机构滑块、升降电机和升降机构支架；升降机构支架与异物抓取机械手箱体固定连接，用于对升降机构提供支撑；直线运动模块沿竖直方向设置，固定在升降机构支架上；在直线运动模块上设置有滑道，用于为升降机构滑块的滑动提供运动路径；升降机构滑块设置在直线运动模块的滑道上，与直线运动模块滑动连接，用于带动多关节机械臂、旋转机械臂和旋转机构上下运动；升降电机固定在升降机构支架上，与升降机构滑块连接，驱动升降机构滑块的运动。

如上所述的旋转机构整体固定在升降机构的升降机构滑块上，包括皮带、第一皮带轮、第二皮带轮和旋转电机；旋转电机的输出端与第一皮带轮固定连接；第一皮带轮通过皮带实现传动，从而带动第二皮带轮旋转；多关节机械臂固定在第二皮带轮的下端，通过第二皮带轮的旋转带动多关节机械臂绕自身轴线旋转。

如上所述的应急驱动接头为多边形接头；所述的应急驱动工具整体为杆状，下端设置有多边形凹槽，用于驱动应急驱动接头转动，从而调整多关节机械臂的摆动角度。

如上所述的多关节机械臂、定位装置、异物抓取机械手箱体、旋转机构、旋转机械臂、应急驱动接头、应急驱动工具和升降机构均采用不锈钢或铝合金材料制成；第一密封圈和第二密封圈均采用橡胶材料制成。

如上所述的控制系统采用PC机实现。

本发明的有益效果是：

通过水下照明和摄像系统可以清楚地观察到异物所处的位置。通过调节支撑移动机构能够将机械手放入到下堆芯板上方。根据异物的位置在下堆芯板上选择合适的孔作为异物抓取时多关节机械臂的通道。通过调节支撑移动机构能够对机械手水平方向的位置实现微调，异物抓取机械手上的定位装置能够将异物抓取机械手定位于孔内、落座在下堆芯板上，定位装置的特殊结构保证了落座的过程中能够避免与下堆芯板上的燃料组件定位销、上部延长管的螺母等发生干涉。通过在下堆芯板上选择合适的孔作为通道，多关节机械臂摆动、旋转后能够保证在水平面内全面覆盖堆芯支承板上表面。升降机构可调节多关节机械臂的在竖直方向的位置，在抓取异物时机械手可处于合适的高度，在机械手提起的过程中机械手爪不与堆芯支承板发生碰撞。调节摆动机构可使多关节机械臂变为竖直状态，将异物抓取机械手从下部堆内构件中取出。

附图说明

图1是本发明的一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置的结构示意图；

图2是本发明的水下异物抓取机械手的结构示意图；

图3是本发明的定位装置的结构示意图；

图4是本发明的定位装置的工作状态图；

图5是本发明的升降机构的结构示意图；

图6是本发明的旋转机构的结构示意图。

其中：1.支撑移动机构，2.长杆工具，3.水下异物抓取机械手，4.控制系统，5.水下照明灯，6.水下摄像头，7.多关节机械臂，8.定位装置，9.第一密封圈，10.异物抓取机械手箱体，11.旋转机构，12.旋转机械臂，13.应急驱动接头，14.应急驱动工具，15.第二密封圈，16.皮带，17.升降机构，18.定位销避让区，19.导向结构，20.直线运动模块，21.升降机构滑块，22.升降电机，23.升降机构支架，24.第一皮带轮，25.第二皮带轮，26.旋转电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

如图1所示，一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，包括支撑移动机构1、长杆工具2、水下异物抓取机械手3、控制系统4、水下照明灯5和水下摄像头6。支撑移动机构1与长杆工具2的上端固定连接，可沿使长杆在水平方向运动，也可使长杆在竖直方向升降运动。长杆工具2的下端与水下异物抓取机械手3的上端固定连接，在支撑移动机构的作用下可将水下异物抓取机械手3送至下堆芯板处。控制系统4分别通过电缆与水下异物抓取机械手3、水下照明灯5和水下摄像头6连接，根据水下照明灯5和水下摄像头6拍摄的影像控制水下异物抓取机械手3的动作。水下照明灯5和水下摄像头6设置在下堆芯板下方，用于监控水下异物抓取机械手3的工作。

如图2所示，所述的水下异物抓取机械手3包括多关节机械臂7、定位装置8、第一密封圈9、异物抓取机械手箱体10、旋转机构11、旋转机械臂12、应急驱动接头13、应急驱动工具14、第二密封圈15和升降机构17。异物抓取机械手箱体10整体中空的圆柱体形，在上下端面中心位置开设有通孔。旋转机械臂12的下端位于异物抓取机械手箱体10内部，上端穿过异物抓取机械手箱体10的上端面通孔伸出到箱体外部，与长杆工具2固定连接。应急驱动接头13设置在旋转机械臂12的上端中心位置，用于与应急驱动工具14相配合。第二密封圈15设置在旋转机械臂12与异物抓取机械手箱体10之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体10内部。旋转机构11安装在旋转机械臂12的下端，用于实现多关节机械臂7的旋转。升降机构17固定在异物抓取机械手箱体10的内壁上，同时与旋转机构11相配合，在升降机构17的带动下，多关节机械臂7、旋转机械臂12和旋转机构11可上下直线运动。多关节机械臂7的上端位于异物抓取机械手箱体10内部，与旋转机构11固定连接，下端穿过异物抓取机械手箱体10下端面通孔和定位装置8，进入下堆芯板的下方。第一密封圈9设置在多关节机械臂7与异物抓取机械手箱体10之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体10内部。上端与异物抓取机械手箱体10固定连接。

如图3和图4所示，所述的定位装置8整体为圆环形，分为内环和外环，外环的高度小于内环的高度。定位装置8内环的上端开设有通孔，用于穿过多关节机械臂7，下端设置有锥形导向结构19，用于对准下堆芯板孔。定位装置8外环的上端封闭，下端开放，用于容纳燃料组件定位销，避免与燃料组件定位销之间发生干涉。处于工作状态时，定位装置8的内环下端伸入下堆芯板孔内部，外环下端与下堆芯板上端紧密贴合。

如图5所示，所述的升降机构17包括直线运动模块20、升降机构滑块21、升降电机22和升降机构支架23。升降机构支架23与异物抓取机械手箱体10固定连接，用于对升降机构提供支撑。直线运动模块20沿竖直方向设置，固定在升降机构支架23上。在直线运动模块20上设置有滑道，用于为升降机构滑块21的滑动提供运动路径。升降机构滑块21设置在直线运动模块20的滑道上，与直线运动模块20滑动连接，用于带动多关节机械臂7、旋转机械臂12和旋转机构11上下运动。升降电机22固定在升降机构支架23上，与升降机构滑块21连接，驱动升降机构滑块21的运动。

如图6所示，所述的旋转机构11整体固定在升降机构17的升降机构滑块21上，包括皮带16、第一皮带轮24、第二皮带轮25和旋转电机26。旋转电机26的输出端与第一皮带轮24固定连接。第一皮带轮24通过皮带16实现传动，从而带动第二皮带轮25旋转。多关节机械臂7固定在第二皮带轮25的下端，通过第二皮带轮25的旋转带动多关节机械臂7绕自身轴线旋转。

所述的应急驱动接头13为多变形接头。所述的应急驱动工具14整体为杆状，下端设置有多边形凹槽，用于驱动应急驱动接头13转动。所述的多关节机械臂7采用现有装置。

在本实施例中，所述的多关节机械臂7、定位装置8、异物抓取机械手箱体10、旋转机构11、旋转机械臂12、应急驱动接头13、应急驱动工具14和升降机构17均采用不锈钢或铝合金材料制成。第一密封圈9和第二密封圈15均采用橡胶材料制成。

所述的控制系统4采用PC机实现。

本发明的工作原理如下：

第1步，使用时将支撑移动机构安装在核岛换料机护栏上堆芯正上方的合适位置；

第2步，将异物抓取机械手与控制系统之间通过电缆连接起来；

第3步，将长杆工具与异物抓取机械手连接起来，然后将长杆工具装在支撑移动机构上；

第4步，将水下照明等和水下摄像头与控制系统连接起来，放入水下合适的位置；

第5步，通过水下摄像头找到异物在反应堆堆芯支承板上的位置后，在下堆芯板上选择一个孔作为异物抓取机械手多关节机械臂的穿入通道；

第6步，操作支撑移动机构，将异物抓取机械手送入水中下堆芯板上方附近，在水下摄像头的辅助下，通过支撑移动机构将多关节机械臂的最下端移动到选定的孔正上方；

第7步，缓慢下降异物抓取机械手，使多关节机械臂逐渐穿过下堆芯板，直至定位导向装置的导向结构穿过下堆芯板，定位结构座落在下堆芯板上。下降的过程中注意调节多关节机械臂的摆动角度，避免多关节机械臂上的手爪与堆芯支承板下表面或其他部件发生碰撞。

第8步，在摄像头的辅助下，通过操作控制系统，调节多关节机械臂的摆动角度、旋转机构的转动角度、及升降机构的高度，将异物抓取手抓处于异物上方，然后张开手爪。

第9步，通过升降机构将多关节机械臂下降到合适高度，然后手爪收拢将异物抓起。抓取完成后，将异物抓取机械手缓慢提起，提起过程中逐渐调整多关节机械臂的摆动角度，使其成为竖直状态，以便穿过下堆芯板。最后将异物放置到指定的容器内。

第10步，在异物抓取的过程中，如果出现多关节机械臂的摆动电机损坏或其他问题，多关节机械臂无法恢复到竖直状态，从而导致异物抓取机械手无法取出的情况，可将应急驱动工具与应急驱动接头连接，然后手动转动将多关节机械臂恢复到竖直状态，把异物抓取机械手取出。

上面结合实施例对发明的实施方法作了详细说明，但是发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (6)

1.一种适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：它包括支撑移动机构（1）、长杆工具（2）、水下异物抓取机械手（3）、控制系统（4）、水下照明灯（5）和水下摄像头（6）；支撑移动机构（1）与长杆工具（2）的上端固定连接，可沿水平方向运动；长杆工具（2）的下端与水下异物抓取机械手（3）的上端固定连接，用于将水下异物抓取机械手（3）送至下堆芯板处；控制系统（4）分别通过电缆与水下异物抓取机械手（3）、水下照明灯（5）和水下摄像头（6）连接，根据水下照明灯（5）和水下摄像头（6）拍摄的影像控制水下异物抓取机械手（3）的动作；水下照明灯（5）和水下摄像头（6）设置在下堆芯板下方，用于监控水下异物抓取机械手（3）的工作；所述的水下异物抓取机械手（3）包括多关节机械臂（7）、定位装置（8）、第一密封圈（9）、异物抓取机械手箱体（10）、旋转机构（11）、旋转机械臂（12）、应急驱动接头（13）、应急驱动工具（14）、第二密封圈（15）和升降机构（17）；异物抓取机械手箱体（10）整体中空的圆柱体形，在上下端面中心位置开设有通孔；旋转机械臂（12）的下端位于异物抓取机械手箱体（10）内部，上端穿过异物抓取机械手箱体（10）的上端面通孔伸出到箱体外部，与长杆工具（2）固定连接；应急驱动接头（13）设置在旋转机械臂（12）的上端中心位置，用于与应急驱动工具（14）相配合；第二密封圈（15）设置在旋转机械臂（12）与异物抓取机械手箱体（10）之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体（10）内部；旋转机构（11）安装在旋转机械臂（12）的下端，用于实现多关节机械臂（7）的旋转；升降机构（17）固定在异物抓取机械手箱体（10）的内壁上，同时与旋转机构（11）相配合，在升降机构（17）的带动下，多关节机械臂（7）、旋转机械臂（12）和旋转机构（11）可上下直线运动；多关节机械臂（7）的上端位于异物抓取机械手箱体（10）内部，与旋转机构（11）固定连接，下端穿过异物抓取机械手箱体（10）下端面通孔和定位装置（8），进入下堆芯板的下方；第一密封圈（9）设置在多关节机械臂（7）与异物抓取机械手箱体（10）之间，用于对两者之间的空隙进行密封，防止外部液体进入异物抓取机械手箱体（10）内部；定位装置（8）的上端与异物抓取机械手箱体（10）固定连接；所述的定位装置（8）整体为圆环形，分为内环和外环，外环的高度小于内环的高度；定位装置（8）内环的上端开设有通孔，用于穿过多关节机械臂（7），下端设置有锥形导向结构（19），用于对准下堆芯板孔；定位装置（8）外环的上端封闭，下端开放，用于容纳燃料组件定位销，避免与燃料组件定位销之间发生干涉；处于工作状态时，定位装置（8）的内环下端伸入下堆芯板孔内部，外环下端与下堆芯板上端紧密贴合。

2. 根据权利要求 1 所述的适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：所述的升降机构（17）包括直线运动模块（20）、升降机构滑块（21）、升降电机（22）和升降机构支架（23）；升降机构支架（23）与异物抓取机械手箱体（10）固定连接，用于对升降机构提供支撑；直线运动模块（20）沿竖直方向设置，固定在升降机构支架（23）上；在直线运动模块（20）上设置有滑道，用于为升降机构滑块（21）的滑动提供运动路径；升降机构滑块（21）设置在直线运动模块（20）的滑道上，与直线运动模块（20）滑动连接，用于带动多关节机械臂（7）、旋转机械臂（12）和旋转机构（11）上下运动；升降电机（22）固定在升降机构支架（23）上，与升降机构滑块（21）连接，驱动升降机构滑块（21）的运动。

3. 根据权利要求 2 所述的适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：所述的旋转机构（11）整体固定在升降机构（17）的升降机构滑块（21）上，包括皮带（16）、第一皮带轮（24）、第二皮带轮（25）和旋转电机（26）；旋转电机（26）的输出端与第一皮带轮（24）固定连接；第一皮带轮（24）通过皮带（16）实现传动，从而带动第二皮带轮（25）旋转；多关节机械臂（7）固定在第二皮带轮（25）的下端，通过第二皮带轮（25）的旋转带动多关节机械臂（7）绕自身轴线旋转。

4. 根据权利要求 1 所述的适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：所述的应急驱动接头（13）为多边形接头；所述的应急驱动工具（14）整体为杆状，下端设置有多边形凹槽，用于驱动应急驱动接头（13）转动。

5. 根据权利要求 1 所述的适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：所述的多关节机械臂（7）、定位装置（8）、异物抓取机械手箱体（10）、旋转机构（11）、旋转机械臂（12）、应急驱动接头（13）、应急驱动工具（14）和升降机构（17）均采用不锈钢材料制成；第一密封圈（9）和第二密封圈（15）均采用橡胶材料制成。

6. 根据权利要求1 所述的适用于水下狭窄空间抓取异物的装置，其特征在于：所述的控制系统（4）采用 PC 机实现。