CN112775113A - 一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，包括吊装台架(1)、耐辐照机械臂(2)、集成端(3)、激光清洗装置主机(4)、不锈钢台架(5)和负压吸尘装置(6)，其特征在于：吊装台架(1)用于激光清洗与粉尘收集机器人的整体吊装；将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；耐辐照机械臂(2)用于为激光清洗与粉尘收集机器人作业提供动力和精确定位；通过引入耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，可在辐射环境下实现无人激光清洗与粉尘收集去污作业，从而实现人机远程控制，避免清洗过程中辐射对操作人员的影响。

Description

一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人及运行方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种辐照环境中的激光清洗与粉尘收集机器人设计及清洗方法研究。

技术背景

在辐射环境下，箱室内容器因为金属作业，内壁被镀上一层厚度不均的污染层，而多次作业后需要进行镀层的去污作业。该金属污染层具有一定的放射性，因此人员无法手持激光清洗设备直接进入箱室对容器进行去污处理，容易造成人员受核辐射，影响健康。为实现更好清洗效果自动化作业，耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人被提出。

而现有的激光清洗设备，不管是便携式激光清洗设备还是自动化激光清洗设备均不适用于放射性作业环境；由于激光清洗过程中会产生气溶胶，现有公开的激光清洗装置通常未考虑放射性粉尘收集问题。为此亟需开发一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人及相应清洗方法，可按照设定的路径进行自动化去污作业。

发明内容

本发明的目的在于箱室内容器清洗时，因为所处的放射性环境，具有一定剂量的辐射，因此人员无法进入箱室进行手动清洗且在清洗的过程中不能有效收集产生的气溶胶。

本发明的技术方案是提供了一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，包括吊装台架、耐辐照机械臂、集成端、激光清洗装置主机、不锈钢台架和负压吸尘装置，其特征在于：

吊装台架用于激光清洗与粉尘收集机器人的整体吊装；将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；

耐辐照机械臂用于为激光清洗与粉尘收集机器人作业提供动力和精确定位；

集成端用于激光清洗与粉尘收集机器人作业工具的集成；

激光清洗装置主机用于控制激光清洗与粉尘收集机器人进行激光清洗作业；

不锈钢台架安装和集成激光清洗与粉尘收集机器人的部件。

负压吸尘装置用于收集激光清洗过程中产生的气溶胶。

所述集成端包括激光清洗装置的激光清洗头.、不锈钢夹具.、视频监控装置的黑白摄像头.以及负压吸尘装置的吸尘管.；

激光清洗头.、视频监控装置的黑白摄像头.以及负压吸尘可插拔更换式装置的吸尘管.均通过可插拔更换式夹具.安装集成在机械臂前端。

进一步地，在起吊平台底部安装个弹簧夹紧装置，沿轨道方向每侧各有个，用于起吊平台在轨道上固定。利用摄像机确定固定的位置，利用弹簧夹紧器将转运台固定到轨道上。

进一步地，耐辐照机械臂包括关节本体、耐辐照连接电缆、外壳、防护涂料和防护罩衣。

耐辐照机械臂的关节本体确保机械臂六轴运动，从而使得激光清洗作业活动范围最大，对外置电机进行整体防护，依据电机大小采用钨设计屏蔽盒形状及尺寸；

内部各关节本体通过耐辐照连接电缆连接外壳采用耐腐蚀钢，不喷漆，内部采用耐辐照连接电缆；耐辐照机械臂本体涂抹GF-型辐射防护涂料，可有效屏蔽中子、γ射线对机械臂控制电路的辐射损伤。另外，耐辐照机械臂外部加装防护罩衣，可提升耐辐照机械臂的耐辐照性能，使其在辐照环境下长时间、高可靠性地进行激光清洗作业。耐辐照机械臂采用直流无刷电机驱动并结合旋转变压器实现机械臂角度及位姿信息控制及传输。

进一步地，耐辐照机械臂本体、负压吸尘装置外壳、激光清洗装置中激光发生器主机外壳采用全奥氏体不锈钢制作。

进一步地，激光发生器主机通过连接线控制集成端中的激光清洗头进行清洗作业，相互之间通过光纤传递激光；激光发生器、传输光纤、清洗头及相关电缆均放置于待作业的箱室之中，控制电路全部外置并放置于箱室外部。

进一步地，在耐辐照机械臂末端转动机构加上带有挂点的接头用于连接集成端中的激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统，激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统与耐辐照机械臂间的装配设计为即插即用方式。

进一步地，激光清洗装置具体参数如下：激光中心波长为nm，平均功率为W；脉冲宽度为ns；脉冲扫描频率为～KHz；激光种类为光纤耦合固体激光器；光纤长度为.米光纤；激光输送方式为扫描镜头；清洗头工作距离为mm；单次清洗宽度可在～mm之间调节。

进一步地，负压吸尘装置顶盖边缘处有压紧装置，通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开。

负压吸尘装置的过滤器底部焊接有起吊杆，当放射性粉尘收集满时利用主从机械手抓住起吊杆把滤芯垂直拿出，并采用主从机械手更换过滤器。

进一步地，在更换过滤器前，应先保证负压吸尘装置主电源不关闭；通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开；通过主从机械手夹持过滤器内部六棱柱形直杆，将过滤器整体垂直取出；过滤器的安装时，通过主从机械手将新的过滤器从顶部垂直放入，通过过滤器安装导套，把过滤器放到准确的位置；按压顶盖处压紧装置，让顶盖与过滤器连接紧密，更换完成。

本发明还公开了一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人的运行方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将不锈钢配重块安装到台架上，用于吊装过程中保持平衡；

步骤2、将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；

步骤3、打开激光清洗装置，通过对机械臂运行轨迹的编程，使激光清洗设备按照设定好的去污轨迹对箱室内的容器进行去污处理；

步骤4、在进行去污清洗的同时，打开负压吸尘装置，将激光清洗清洗产生的粉尘进行吸收；

步骤5、在去污的过程中，通过视频监控系统的黑白摄像头.对清洗表面进行观察来确定清洗的效果，来判断是否进行进一步清洗；

步骤、在清洗过程中，如果吸尘装置中的过滤器需要更换，通过箱室内的主从机械手更换过滤器

本发明的有益效果：

(1)本发明公开的一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人及方法能满足核辐照环境下激光清洗的作业要求且能有效收集清洗产生的放射性粉尘气溶胶，对当量粒径0.2μm粉尘，过滤效率能达到99.95％以上。

(2)本发明耐辐照机械臂集成端通过夹具集成激光清洗头、视频监控装置的黑白摄像头以及负压吸尘装置的吸尘管，结构设计紧凑，更换便捷。

(3)本发明通过挂点接头将集成端固定在耐辐照机械臂末端并且在接头上的挂点排列尽量紧凑，以保证安装上的设备满足狭小空间去污需求，集成其他去污工具后，对去污对象作业区域全部可达。

(4)本发明通过吊装台架可将激光清洗与粉尘收集机器人的整体吊装并固定在作业区域去污轨道上，定位准确可靠性、转运便捷。

(5)本发明的负压吸尘装置顶盖边缘处有压紧装置，过滤器底部焊接有起吊杆，通过主从机械手可进行负压集尘装置过滤器的快速更换。

附图说明

图1是本发明耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人整体结构下视图。

图2是本发明耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人整体结构前视图。

图3是本发明耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人整体结构右视图。

图4是本发明耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人整体结构轴测图。

图5是本发明的集成端结构图。

图6是本发明的集成端夹具可插拔结构设计示意图。

图7是本发明的负压吸尘装置结构示意图。

图8是本发明的负压吸尘装置过滤器更换示意图。

图9是本发明的激光清洗与粉尘收集作业流程图。

其中：1-吊装台架；2-耐辐照机械臂；3-集成端；4-激光清洗装置主机；5-不锈钢台架；6-负压吸尘装置；3.1-激光清洗头；3.2-不锈钢夹具；3.3-视频监控装置的黑白摄像头；3.4-负压吸尘器的吸尘管。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的例图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所实施的仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，该实施例提供了一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，包括吊装台架1、耐辐照机械臂2、集成端3、激光清洗装置主机4、不锈钢台架5和负压吸尘装置6，所有设备安装在台架上。

吊装台架1用于激光清洗与粉尘收集机器人的整体吊装；将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；在起吊平台底部安装6个弹簧夹紧装置，沿轨道方向每侧各有3个，用于起吊平台在轨道上固定。利用摄像机确定固定的位置，利用弹簧夹紧器将转运台固定到轨道上。

耐辐照机械臂2用于为激光清洗与粉尘收集机器人作业提供动力和精确定位；

耐辐照机械臂2包括关节本体、耐辐照连接电缆、外壳、防护涂料和防护罩衣。

耐辐照机械臂2关节本体确保机械臂六轴运动可使激光清洗作业活动范围最大，关节部件不采用有机物，对外置电机进行整体防护，依据电机大小采用钨设计屏蔽盒形状及尺寸；

内部各关节本体通过耐辐照连接电缆连接外壳采用耐腐蚀钢，不喷漆，内部采用耐辐照连接电缆；耐辐照机械臂2本体涂抹GF-3型辐射防护涂料，可有效屏蔽中子、γ射线对机械臂控制电路的辐射损伤。另外，耐辐照机械臂2外部加装防护罩衣，可提升耐辐照机械臂的耐辐照性能，使其在辐照环境下长时间、高可靠性地进行激光清洗作业。耐辐照机械臂2采用直流无刷电机驱动并结合旋转变压器实现机械臂角度及位姿信息控制及传输。

集成端3用于激光清洗与粉尘收集机器人作业工具的集成；

激光清洗装置主机4用于控制激光清洗与粉尘收集机器人进行激光清洗作业；

不锈钢台架5安装和集成激光清洗与粉尘收集机器人的部件。

负压吸尘装置6用于收集激光清洗过程中产生的气溶胶。

如图5所示，所述集成端3包括激光清洗装置的激光清洗头3.1、不锈钢夹具3.2、视频监控装置的黑白摄像头3.3以及负压吸尘装置的吸尘管3.4；

机械臂前端夹具采用结构设计，激光清洗头3.1、视频监控装置的黑白摄像头3.3以及负压吸尘可插拔更换式装置的吸尘管3.4均通过可插拔更换式夹具3.2安装集成在机械臂前端，可插拔更换式夹具3.2的材质为不锈钢，当任一装置由于受辐照损坏时，均可通过箱室内部辅助设备主从机械手进行更换。

耐辐照机械臂本体、负压吸尘装置外壳、激光清洗装置中激光发生器主机外壳等采用全奥氏体不锈钢制作，具有一定的耐辐照性能。

激光发生器主机通过连接线(供电、通讯和光纤)控制集成端中的激光清洗头进行清洗作业，相互之间通过光纤传递激光。激光发生器、传输光纤、清洗头及相关电缆等均放置于待作业的箱室之中，核心控制电路全部外置并放置于箱室外部，以避免电路部分因受辐射影响而失效。

如图6所示，当任一装置由于受辐照损坏时，均可通过箱室内部辅助设备主从机械手进行更换。机械臂本体、负压吸尘装置外壳、激光清洗装置中激光发生器主机外壳等采用全奥氏体不锈钢制作，具有一定的耐辐照性能。

在耐辐照机械臂2末端转动机构加上带有挂点的接头用于连接集成端中的激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统，并且在接头上的挂点排列尽量紧凑，以保证安装上的设备满足狭小空间去污需求。去污工器具(激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统)与耐辐照机械臂间的装配设计为“即插即用”或由简单的动作即可完成，热室内现有主从机械手等可以用于去污设备的辅助操作，如完成简单的设备供电线路的插拔通断，完成夹持负压吸尘管吸收轨道机械臂自身表面防尘罩的粉尘等。集成端的总重量小于等于耐辐照机械臂的手腕持重10kg。

耐辐照机械臂2因为所处的工作环境较为特殊，因此使用具有抗核辐射功能的精密交流伺服电机以增加机械臂的抗辐射能力。

激光清洗装置由激光发生器主机、激光清洗头及两者间的连接线(供电、通讯和光纤)组成，相互之间通过光纤传递激光。激光发生器、传输光纤、清洗头及相关电缆等均放置于待作业的箱室之中，核心控制电路全部外置并放置于箱室外部，以避免电路部分因受辐射影响而失效。

激光清洗装置具体参数如下：激光中心波长为1064nm，平均功率为100W；脉冲宽度为400ns；脉冲扫描频率为10～50KHz；激光种类为光纤耦合固体激光器；光纤长度为4.5米光纤；激光输送方式为扫描镜头；清洗头工作距离为273mm；单次清洗宽度可在0～80mm之间调节。

如图7所示，负压吸尘装置6收集激光去污所产生的放射性粉尘颗粒，减少箱室环境中气溶胶的产生。过滤器运行若干时间后可进行快速更换。负压吸尘装置顶盖边缘处有压紧装置，通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开。

如图8所示，负压吸尘装置的过滤器底部焊接有起吊杆，当放射性粉尘收集满时利用主从机械手抓住起吊杆把滤芯垂直拿出，并采用主从机械手更换过滤器。

集尘器中风机、压差报警装置、电控部分均采用钨板进行物理屏蔽，以增强其耐辐照能力。

负压吸尘装置的工作原理为工作过程中产生的粉尘，在高压风机风量作用下经吸尘口进入吸尘管道，再收集进入吸尘器主机净化室，经过具有较好的耐辐照水平的PTFE覆膜过滤器过滤掉放射性粉尘，粉尘被阻隔在过滤器内壁，净化后的空气经风机排出到风机箱，经降噪处理后排出到集尘室外，对当量粒径0.2μm粉尘，过滤效率能达到99.95％以上。

过滤器的快速更换：在更换过滤器前应先保证负压吸尘装置主电源不关闭，以避免收集与过滤器中的放射性粉尘外溢而产生严重的气溶胶问题。在更换过滤器时，应注意更换的顺序，以避免在更换过程中造成损坏。

首先，通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开；通过主从机械手夹持过滤器内部六棱柱形直杆，将过滤器整体垂直取出。

过滤器的安装：通过主从机械手将新的过滤器从顶部垂直放入，通过过滤器安装导套，把过滤器放到准确的位置；按压顶盖处压紧装置，让顶盖与过滤器连接紧密，更换完成。

视频监控的黑白摄像头用于清洗过程中观察箱室内容器表面污染物的清洗情况。在黑白摄像头上加装防辐射屏蔽罩，利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽待清洗作业区域内的辐射。

本发明耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人的运行方法，如图5所示，可通过如下步骤实现：

步骤1、将不锈钢配重块安装到台架1上，用于吊装过程中保持平衡；

步骤2、将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；

步骤3、打开激光清洗装置4，通过对机械臂运行轨迹的编程，使激光清洗设备按照设定好的去污轨迹对箱室内的容器进行去污处理；

步骤4、在进行去污清洗的同时，打开负压吸尘装置6，将激光清洗清洗产生的粉尘进行吸收；

步骤5、在去污的过程中，通过视频监控系统的黑白摄像头3.3对清洗表面进行观察来确定清洗的效果，来判断是否进行进一步清洗；

步骤6、在清洗过程中，如果吸尘装置中的过滤器需要更换，通过箱室内的主从机械手更换过滤器。

Claims (10)

1.一种耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，包括吊装台架(1)、耐辐照机械臂(2)、集成端(3)、激光清洗装置主机(4)、不锈钢台架(5)和负压吸尘装置(6)，其特征在于：

吊装台架(1)用于激光清洗与粉尘收集机器人的整体吊装；将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；

耐辐照机械臂(2)用于为激光清洗与粉尘收集机器人作业提供动力和精确定位；

集成端(3)用于激光清洗与粉尘收集机器人作业工具的集成；

激光清洗装置主机(4)用于控制激光清洗与粉尘收集机器人进行激光清洗作业；

不锈钢台架(5)用于安装和集成激光清洗与粉尘收集机器人的部件；

负压吸尘装置(6)用于收集激光清洗过程中产生的气溶胶；

所述集成端(3)包括激光清洗装置的激光清洗头(3.1)、不锈钢夹具(3.2)、视频监控装置的黑白摄像头(3.3)以及负压吸尘装置的吸尘管(3.4)；

激光清洗头(3.1)、视频监控装置的黑白摄像头(3.3)以及负压吸尘装置的吸尘管(3.4)均通过可插拔更换式夹具(3.2)安装集成在机械臂前端。

2.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：在起吊平台底部安装六个弹簧夹紧装置，沿轨道方向每侧各有三个，用于起吊平台在轨道上固定，利用摄像机确定固定的位置，利用弹簧夹紧器将转运台固定到轨道上。

3.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：耐辐照机械臂(2)包括关节本体、耐辐照连接电缆、外壳、防护涂料和防护罩衣；

耐辐照机械臂(2)的关节本体确保机械臂六轴运动，从而使得激光清洗作业活动范围最大，对外置电机进行整体防护，依据电机大小采用钨设计屏蔽盒形状及尺寸；

各关节本体通过耐辐照连接电缆连接外壳采用耐腐蚀钢，内部采用耐辐照连接电缆；耐辐照机械臂(2)本体涂抹辐射防护涂料，可有效屏蔽中子、γ射线对机械臂控制电路的辐射损伤；耐辐照机械臂(2)外部加装防护罩衣，使其在辐照环境下进行激光清洗作业；耐辐照机械臂(2)采用直流无刷电机驱动并结合旋转变压器实现机械臂角度及位姿信息控制及传输。

4.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：

耐辐照机械臂本体、负压吸尘装置外壳、激光清洗装置中激光发生器主机外壳采用全奥氏体不锈钢制作。

5.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：

激光发生器主机通过连接线控制集成端中的激光清洗头进行清洗作业，相互之间通过光纤传递激光；激光发生器、传输光纤、清洗头及相关电缆均放置于待作业的箱室之中，控制电路全部外置并放置于箱室外部。

6.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：

在耐辐照机械臂(2)末端转动机构加上带有挂点的接头用于连接集成端中的激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统，激光去污头、负压吸尘装置、视频照明系统与耐辐照机械臂间的装配设计为即插即用方式。

7.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：

激光清洗装置具体参数如下：激光中心波长为(1064)nm，平均功率为(100)W；脉冲宽度为(400)ns；脉冲扫描频率为(10)～(50)KHz；激光种类为光纤耦合固体激光器；光纤长度为(4.5)米光纤；激光输送方式为扫描镜头；清洗头工作距离为(273)mm；单次清洗宽度可在(0)～(80)mm之间调节。

8.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：

负压吸尘装置顶盖边缘处有压紧装置，通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开；

负压吸尘装置的过滤器底部焊接有起吊杆，当放射性粉尘收集满时利用主从机械手抓住起吊杆把滤芯垂直拿出，并采用主从机械手更换过滤器。

9.根据权利要求8所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人，其特征在于：在更换过滤器前，应先保证负压吸尘装置主电源不关闭；通过主从机械手按压负压吸尘装置顶盖处的压紧装置，顶盖在内部气弹簧的作用下自动掀开；通过主从机械手夹持过滤器内部六棱柱形直杆，将过滤器整体垂直取出；过滤器的安装时，通过主从机械手将新的过滤器从顶部垂直放入，通过过滤器安装导套，把过滤器放到准确的位置；按压顶盖处压紧装置，让顶盖与过滤器连接紧密，更换完成。

10.根据权利要求1所述的耐辐照激光清洗与粉尘收集机器人的运行方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将不锈钢配重块安装到台架(1)上，用于吊装过程中保持平衡；

步骤2、将激光清洗与粉尘收集机器人上的吊环和箱室内的吊勾相连，通过吊勾和定位销吊装到去污轨道上；

步骤3、打开激光清洗装置(4)，通过对机械臂运行轨迹的编程，使激光清洗设备按照设定好的去污轨迹对箱室内的容器进行去污处理；

步骤4、在进行去污清洗的同时，打开负压吸尘装置(6)，将激光清洗清洗产生的粉尘进行吸收；

步骤5、在去污的过程中，通过视频监控系统的黑白摄像头(3.3)对清洗表面进行观察来确定清洗的效果，来判断是否进行进一步清洗；

步骤6、在清洗过程中，如果吸尘装置中的过滤器需要更换，通过箱室内的主从机械手更换过滤器。

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