JP2010032326A - 原子炉内作業装置および作業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設置型装置の特長である施工ツールの正確な位置決めが可能で、大きな作業反力を受けられるという利点と、遊泳型装置の特長である１回の装置投入で広い範囲の施工作業が可能であるという利点とを兼ね備えた炉内作業装置および作業方法を得る。
【解決手段】複数の関節軸を介して回動可能に連結されたロボットアーム部２０２と、このロボットアーム部に設けられ、作業の対象とする構造物を把持するグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂとを備え、グリッパ部はロボットアーム部に固定された作業の手先となるグリッパ指３０１Ａと前記炉内構造物を把持する固定側のグリッパ指３０１Ｂと、その把持位置を新たに装置の固定設置位置として元の固定側のグリッパを手先とする機能を有し、装置全体の移動中における作業施工を実施可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は主に沸騰水型原子炉の原子炉内の構造物を対象とする点検、補修および予防保全等の作業を実施する原子炉内作業装置および作業方法に関するものである。

図１８を参照して、原子炉圧力容器１０１の内部構成を説明する。図１８は、上部蓋体を撤去した状態の沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器と、その内部に設置されている炉内構造物を示すものである。

原子炉圧力容器１０１の内部においては、円柱形状の炉心シュラウド１０２が複数のシュラウドサポートレグ１０３によって支持されて設置されており、この炉心シュラウド１０２の内側には、燃料集合体を支持するための上部格子板１０４および炉心支持板１０５が備え付けられている。

また、炉心シュラウド１０２と原子炉圧力容器１０１との間には炉水を循環させるためのジェットポンプ１０６が備え付けられており、ジェットポンプ１０６の下端面にはシュラウドサポートプレート１０７が設置されている。

原子炉圧力容器１０１の底部には、制御棒駆動機構ハウジング（ＣＲＤハウジング）１０８が林立して溶接してあり、原子炉圧力容器１０１の上端面位置は作業員が各種作業を実施するためのオペレーションフロア１０９となっている。

このような原子炉圧力容器１０１を有する商用の原子力発電プラントにおいては、定期的な供用期間中検査が実施されており、プラントの健全性を維持するために炉内構造物の溶接部を中心として、き裂欠陥の発見、補修、予防保全等の対策を実施している。

これらの作業は、放射線の被爆の防護の観点から、原子炉圧力容器および原子炉ウェル内に水を充満させた状態で行う必要があり、遠隔地から作業装置を施工個所に対して設置して操作する必要がある。

従来、このような作業を実施するための装置としては、作業装置を炉内構造物上に固定設置して作業を行う設置型装置と、装置自身を炉水中で遊泳させて作業を行う遊泳型装置とが利用されている。

設置型装置としては、多関節マニピュレータを炉水面上方より吊下し、炉内構造物やガイドパイプに固定設置して作業を行う装置（特許文献１参照）、原子力圧力容器の下鏡部にあるＣＲＤハウジングの下端部からＣＲＤハウジング内に多関節マニピュレータを挿入して作業を行う装置（特許文献２参照）などが提案されている。

一方、遊泳型装置としては、複数のスラスタを備えて任意の方向への遊泳移動を行い、検査作業を実施する装置（特許文献３参照）、あるいは遊泳機能に加えスラスタを用いて炉心シュラウド等の壁面に吸着させ、壁面上を移動させながら作業を行う装置（特許文献４参照）などが提案され、利用されている。
特開２００３−３３７１９２号公報 特開平７−３５８９２号公報 特許第３０１１５８３号公報 特開２００５−１８８９５４号公報

上述した原子炉内作業装置において、設置型装置については装置を炉内構造物に固定することができるため、施工ツールの正確な位置決めが可能であり、研磨などの反力が発生する作業が行い易いという利点がある。

しかしながら、１箇所の設置箇所において施工可能な領域は限定されており、広域範囲を施工対象とする際には必要に応じて装置の設置位置を変える必要がある。例えば、炉底部領域に装置を設置する際には、炉内への挿入時に、途中に配置されている燃料集合体や制御棒、制御棒案内管などを撤去する必要があり、これらの炉内機器の取り外しや作業装置の設置作業には多大な時間がかかるため、施工期間が長くなるという課題がある。

一方、遊泳型装置の場合には一旦、装置を炉内へ投入すれば自ら遊泳して移動することができるため、広い範囲に亘って作業を行うことができるという利点がある。ただし、遊泳型装置は炉内構造物に対して装置の位置を支持固定することができないため、外力に対する位置の保持が難しく、炉水の流動がある環境での作業、あるいは磨き作業などの反力が発生する作業には向かない。また、設置型装置のように装置と炉内構造物との相対的な位置関係を剛に固定することができないため、施工ツールの絶対位置決めが難しいという課題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、設置型装置の特長である施工ツールの正確な位置決めが可能で、大きな作業反力を受けられるという利点と、遊泳型装置の特長である１回の装置投入で広い範囲の施工作業が可能であるという利点とを兼ね備えた炉内作業装置および作業方法を得ることを目的とする。

前記の課題を解決するため、本発明では、原子炉内の構造物を対象とする点検、補修、予防、保全およびこれらに関連する作業を実施する原子炉内作業装置であって、複数の関節軸を介して回動可能に連結されたロボットアーム部と、このロボットアーム部に設けられ、前記作業の対象とする構造物を把持するグリッパ部とを備え、前記グリッパ部は前記ロボットアーム部に固定された作業の手先となるグリッパと前記炉内構造物を把持する固定側のグリッパと、その把持位置を新たに装置の固定設置位置として元の固定側のグリッパを手先とする機能を有し、装置全体の移動中における前記作業施工を実施可能としたことを特徴とする炉内作業装置を提供する。

また、本発明では、複数の関節を介してロボットアーム部を回動させ、前記ロボットアーム部に設けたグリッパ部により炉内構造物を把持するとともに、前記グリッパ部の手先部位のグリッパを用いて炉内構造物を把持させ、その把持位置を新たに装置の固定設置位置とし、元の固定側のグリッパを手先として使用して、装置全体を移動させながら施工を実施することを特徴とする炉内作業方法を提供する。

本発明によれば、設置型装置の特長である施工ツールの正確な位置決めが可能で、大きな作業反力を受けられるという利点と、遊泳型装置の特長である１回の装置投入で広い範囲の施工作業が可能であるという利点とを得ることができる。

以下、本発明に係る原子炉内作業装置および作業方法の実施形態について、図１〜図１７を参照して説明する。なお、原子炉圧力容器の内部構成については、図１８を参照する。

［第１実施形態］（図１〜図１５、図１８）
図１は、本実施形態による原子炉内作業装置の主要構成部分を概略的に説明するための断面図である。

図１に示すように、この原子炉内作業装置１は一例として、図１８に示した炉心支持板１０５に吊下げ状態で設置される構成となっている。すなわち、この原子炉内作業装置１は縦長柱状の設置機構部２０３と、この設置機構部２０３の下端側に支持されて原子炉内で作業を行う作業用のロボットアーム部２０１とを備えている。

設置機構部２０３は吊下げ用ワイヤ８１４を介して炉上から吊下され、炉心支持板１０５に上端部を支持されて、炉心支持板１０５の下方に着脱可能に挿入される構成となっている。この設置機構部２０３の一側部には、縦方向に沿ってボールねじ８１２およびリニアガイド８１３が設けられている。

ボールねじ８１２およびリニアガイド８１３には連結台座５０１が昇降可能に設けてあり、この連結台座５０１に作業アーム２０２としてのロボットアーム部２０１がその両端に設けられたグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂの一方を介して連結されている。

ロボットアーム部２０１は複数本、例えば２本のアーム２０１Ａ，２０１Ｂを３次元的に屈曲可能に連結した構成のものであり、これらのアーム２０１Ａ，２０１Ｂのうち、一端側のアーム２０１Ｂが設置機構部２０３に対して関節群２０４Ｃを介して支持されている。

なお、以下の説明においては、ロボットアーム部２０１の連結台座５０１側である固定設置端側を「ベース側」と称し、その反対側を「手先側」と称する。

図１では機構を模式的に示しており、７つの関節を３つの関節群２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃに分けて示している。すなわち、関節群２０４Ｃではベース側からのロール回転、ピッチ回転、ロール回転の３軸の関節を含む構成としてあり、関節群２０４Ａでは手先側からのロール回転、ピッチ回転、ロール回転の３軸の関節を含む構成としてある。また、関節群２０４Ｂでは、残りのピッチ回転軸を表している。

このように、ロボットアーム部２０１は、ベース側からロール回転、ピッチ回転、ロール回転、ピッチ回転、ロール回転、ピッチ回転、ロール回転の７つの回転関節を組合せた機構となっている。

そして、この関節構成により、７自由度の運動自由を有することになり、ロボットアーム部２０１単体で、作業アーム２０２のベース側に対する手先側の位置と姿勢とを任意に設定して動作できるようにしてある。

また、一般の産業用マニピュレータなどでは、ベース側の関節ほど装置自重による負荷が大きくなるため、本実施形態では、駆動出力も大きくなるような構造を採用しているが、本実施形態のロボットアーム部２０１においては、ベース側と手先側との駆動出力の偏りは無い構成としており、ベース側と手先側とのいずれがベース側になっても同様に機能する構成としてある。

なお、本実施形態では関節の数を７軸としているが、関節の数は必ずしも７軸に限定する必要はなく、より多くの冗長な自由度を持たせ、複雑な姿勢を取ることができるようにしてもよい。また、作業姿勢を限定して６軸以下にしてもよく、回転軸方向の組合せについても、これに限定するものではない。さらに、このように回転関節を組合せたシリアルリンク機構に限定するものではなく、ベース側と手先側との位置と姿勢の関係を変化することができる機構であればよい。

このような回転関節を駆動する機構としては、図示を省略するが、一般的なロボットアームと同様に、サーボモータ、減速器、ブレーキを組合せたものを利用することができる。

また、関節の角度はモータに取付けられた回転角センサであるレゾルバによって検出する構成としており、各関節の位置制御および速度制御、トルク制御を行えるようになっている。

さらに、駆動機構についても、上述の構成に限定するものではなく、油圧駆動および（または）水圧駆動による回転アクチュエータなど他の手段を利用してもよい。

次に、図２〜図６を参照して、ロボットアーム部２０１の両端に搭載して炉内構造物を把持する機能および施工を実施するためのグリッパ機構等について説明する。

図２（ａ）は、図１に示したグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂを示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う側断面図である。

これらの図２（ａ），（ｂ）に示すように、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂは、一面が開口する筐体３２０内に平行な１対のねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂを設け、これらの各ねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂにそれぞれナット３０７Ａ，３０７Ｂを介して１対のグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂを互いに対向する配置で螺着し、各ねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂの回転によってナット３０７Ａ，３０７Ｂを移動させ、これによりグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂを互いに接離する方向に動作できる構成としたものである。両グリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂの指先端側の対向面にはそれぞれテーパ状凹部からなる把持対象物固定用の嵌合溝３１３が形成されている。

そして、これらのグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂの接離方向の動作により、例えば原子炉内構造物であるシュラウドサポートレグ１０３を把持することができるようになっている。

この２本指構成のグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂの開閉については、筐体３２０内に設けられたサーボモータ３０２、減速器３０３、ブレーキ３０４およびレゾルバ３０５からなるアクチュエータを用いる構成となっており、各指用の２本のねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂを回転させ、指部材に結合したナット部３０７Ａ，３０７Ｂを駆動することで行う。

このように、各指のねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂの回転方向が互いに反対方向になるように、互いのねじ軸３０６Ａ，３０６Ｂをギア３０８Ａ，３０８Ｂを介して連結するとともに、サーボモータ３０２の出力軸３０２Ａを片側のねじ軸３０６Ａにギア３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃを介して伝達することにより、１つのサーボモータを用いて２本指構成のグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂの開閉動作を行う構成としてある。

なお、本実施形態では指の開閉動作用のねじ軸に、台形ねじを用いている。このため、指を開く方向に外力が加わってもバックドライブを起こしにくく、対象物を把持した後にアクチュエータ出力を低下させても、把持力を維持することができる。このため、サーボモータを用いる構成であっても、少ない消費エネルギにより確実な把持固定を維持することができる。グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂは、ロボットアーム部２０１に対して自由に着脱できる構成となっている。

また、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂには、ロボットアーム部２０１から切り離して原子炉内に投入および回収を行うことができるように、吊下げ用のワイヤ３１２を取付けてある。

また、筐体３２０には下端部にはオスユニット側にはキー溝３１１を設けた台板にオスユニットとしてのテーパシャンク３０９が設けられ、その先端にプルスタッドボルト３１０が設けられている。

図３は、ロボットアーム部２０１と、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂとの連結に適用されるメスユニットの構成を示す断面図である。すなわち、図１に示したロボットアーム部２０１の両端に備えられる関節群２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ等とグリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂとの連結部に設けられるテーパシャンク機構用部材を示している。ここでは、図２に示したグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂとの連結を例として説明する。

この連結部には、例えば工作機などの工具脱着機構として利用されている公知の構造を活用することができる。図２に示したテーパシャンク機構は、テーパシャンク３０９およびプルスタッドボルト３１０からなるオスユニットとして構成してあり、図４のメスユニットは、図２のオスユニットに嵌合するテーパ４０１と、ボールチャック４０２およびエアシリンダ４０３からなり、メスユニットと対をなす機構としてある。

この構成が、図１に示したグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂに適用されている。例えば、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂにオスユニットを設け、ロボットアーム部２０１側にメスユニットを設けている。

この構成により、オスユニット側のプルスタッドボルト３１０をメスユニット側のエアシリンダ４０３によって引き寄せることで、テーパ部４０１に接触摩擦が発生して固定される。

また、オスユニット側にはキー溝３１１が設けてあり、メスユニット側のキー部材４０４と合わせることにより主軸まわりの回転位置決めを行い、グリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂの先端の正確な向きに設定することができる構成としてある。

グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂをロボットアーム部２０１と着脱することができるようにするため、指機構の駆動用の動力・信号線ケーブル等については、ロボットアーム部２０１と別個の系統として配線する構成としてある。

また、ロボットアーム部２０１と切り離して炉内に投入および回収を行うことができるように、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂには吊下げ用のワイヤ３１２を取付けてある。

図４は、ロボットアーム部２０１と設置機構部２０３との連結を行う構成、すなわち連結台座５０１の構成を示す構成図である。

この図４に示すように、連結台座５０１は肉厚なブロック状部分とその下部に垂下する肉薄部分とを有する形状とされており、この連結台座５０１の肉薄部分にグリッパ固定用の突起部、すなわち凸形のグリッパ固定用テーパ部５０２が設けられている。

そして、連結台座５０１の肉厚なブロック状部分に、図１に示したボールねじ８１２が螺挿されている。

この構成により、上述のロボットアーム部２０１と設置機構部２０３とが、設置機構部２０３の連結台座５０１をグリッパで把持することによって連結固定される。

アームで作業を行う際には、設置機構部との連結位置および姿勢が基準の座標となるため、連結部で位置や姿勢の誤差が発生しないように正確に固定する必要がある。

そこで、本実施形態では、グリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂが把持する連結台座５０１に四角錐形状のグリッパ固定用テーパ５０２が設けてあり、グリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂには、このグリッパ固定用テーパ５０２に嵌合する図２に示した溝形状３１３が設けてある。

このように、四角錐形状のグリッパ固定用テーパ５０２を用いることにより、小さい位置誤差および姿勢誤差で連結固定することが可能となっている。また、グリッパ指３０１Ａ，３０１Ｂには施工作業用のツールを搭載して施工を行えるようにしてある。

このような本実施形態の作業装置１が炉内構造物に対して行う施工作業としては、炉内構造物に対する目視検査（ＶＴ検査）、超音波探傷検査（ＵＴ検査）、磨き作業、溶接作業、き裂発生抑止のための予防保全作業などである。

溶接作業としては、き裂封止のための水中レーザ封止溶接を実施する。これは、炉水が満たされている炉内環境において、施工対象に対してチャンバを押し付け、その内部をアルゴンなどの不活性ガスで満たすことで部分的な気中空間を形成し、そこに溶接フィラーの送り込みとレーザビーム光の照射によりフィラーを融着させて封止を行うものである。

予防保全作業としては、レーザピーニングを実施する。これは、構造材料表面の応力改善手法の一手法であり、高エネルギのパルスレーザを材料表面に照射し、そのとき発生するプラズマの衝撃力により、材料の応力をき裂が発生し難い圧縮応力の状態にするものである。

図５は、グリッパ部に施工作業用ツールを搭載する例として、ＶＴ検査を行う場合のグリッパ部を示す構成図である。

ＶＴ検査は、炉内構造物のき裂の有無確認などの外観検査を行うものであり、ＣＣＤカメラ６０１と、対象物を照射するための水中照明装置６０２とを指先に搭載している。同様にしてＵＴ検査を行う場合は、グリッパ部の指先にＵＴセンサプローブを搭載して活用する。また、レーザピーニングを行う場合は、レーザ発振器によって発振されたレーザ光を伝達する光ファイバ、照射面にレーザの焦点をあわせるためのレンズ、レーザ焦点位置を制御するための焦点調整移動機構などを指先に搭載して施工を行うことが望ましい。

ＶＴ検査およびＵＴ検査等のように、小形の施工ツールの場合には、グリッパ機構に搭載して使用することができるが、施工作業によっては、その施工ツールの体積が大きいためグリッパ部に搭載できないものがある。例えば、グラインダを利用した磨き作業や、チャンバ式の溶接作業などが挙げられる。

このような場合には、それぞれ専用の施工ツールヘッドを用意し、グリッパ部と同様にテーパシャンクを用いてロボットアーム部と着脱できるようにし、炉内または炉外においてグリッパ部と施工ツールヘッドとを切り替えて装着することにより、施工を実施する。

図６は、施工ツールヘッドの例として、チャンバ式溶接作業用のヘッド機構を示す構成図である。

図６に示すように、この施工ツールヘッドは主に、施工部をガス封入することにより、部分気中環境を形成するためのチャンバ７０１、密閉用パッキン７０２、パージ用ガスチューブ７０３、溶接フィラー７０４、送り機構７０５、レーザ照射機構７０６、光ファイバ７０７、施工ツールヘッドの吊下げ用ワイヤから構成される。

また、ロボットアーム部２０１との連結については、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂと同様に、ツールシャンク機構を利用して行う。なお、ここでは、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂと施工ツールヘッドとを付け替えて利用する例を示したが、グリッパ部で施工ツールヘッドを把持して利用する方法を採用してもよい。

図７は、ロボットアーム部２０１を炉内構造物上に固定設置するための設置機構部２０３を詳しく図示した断面構成図である。

この図７に示す例では、設置機構部２０３は炉心支持板１０５の上面に装置を設置するための構成を示している。

設置機構部２０３は、炉心支持板上に着座設置するための上端設置台座８０１、胴体部となる円筒形状のマスト部８０２、マスト部全体を旋回動作させるための旋回軸機構８０３、設置機構部２０３とロボットアーム部２０１とを連結するための連結台座５０１、および連結台座５０１を昇降させるための昇降軸機構８０４を備えた構成とされている。

炉心支持板１０５の上面には、燃料支持金具や制御棒案内管の位置を固定するためのガイドピン８０５が設置されており、このガイドピン８０５を利用して上端設置台座８０１のガイドピン受け８０６を貫通させることで装置全体の方位を固定する。

設置機構部２０３の下端部に配置されている下端設置台座８０７は、ＣＲＤハウジング１０８の内面に挿入され、設置機構部２０３に加わる水平方向の力や転倒する向きのモーメントに対して、上端設置台座８０１と下端設置台座８０７とによって抗する構成となっている。

なお、下端設置台座８０７は、ＣＲＤハウジング１０８と接するため、設置機構の旋回動作が行えるように受動的に回転できる構成となっている。

旋回軸機構８０３は設置機構部の上方に取付けられており、サーボモータ８０８、減速器８０９、およびブレーキ８１０によるアクチュエータを用いてマスト部の旋回動作を行えるようになっている。

サーボモータ８０８には回転角センサであるレゾルバ８１１が備わっており、任意の旋回角度に調整できるようになっている。昇降軸機構８０４は、同様にサーボモータ８０８、減速器８０９、ブレーキ８１０の構成の機構によってマスト部８０２内のボールねじ８１２を駆動する。

ロボットアーム部２０１との連結部である連結台座５０１は、リニアガイド８１３上を上下にスライドするようになっており、ボールねじ８１２の回転によって昇降する。

昇降軸の駆動用のサーボモータ８０８にも回転角センサが備えてあり、連結台座５０１の昇降位置を任意に調整できる構成としてある。

設置機構部２０３の上端には、クレーンやホイストで装置の上げ下げをするためのワイヤ８１４が取付けられており、このワイヤ８１４を用いて炉内構造物上への設置や回収を行う。

ロボットアーム部と設置機構部との連結については、グリッパ部の構成として上述したように、グリッパで設置機構部２０３の連結台座５０１を把持することで行う。

なお、詳細な説明については後述するが、本実施形態の作業装置１はロボットアーム部２０１を設置機構部２０３から切り離してアーム部自身が移動して作業を行うことが可能である。

このような作業形態の構成で、かつ施工にグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂではなく専用の施工ツールヘッドを搭載して行う必要がある場合には、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂの把持による連結ではなく、ロボットアーム部２０１と設置機構部２０３とをテーパシャンク機構によって直接連結する方式を採用してもよい。

その場合には、グリッパ部２０２Ａで炉内構造物を把持した後に、ベース側の連結を切り離し、その切り離し部位に施工ツールヘッドを装着するという使用が可能である。

図８は、本実施形態による装置を制御するシステムの構成を示している。

この図８に示すように、装置を制御するための制御盤９０１は、図１８に示したオペレーションフロア１０９上に設置する。本実施形態の装置１（図８では「９０２」）と制御盤９０１とは、動力および信号用の伝送ケーブル、エアシリンダ９０３駆動用のエアチューブによって接続してある。

制御盤９０１には、サーボモータ９０４を制御し、またモータのブレーキ９０５を制御するためのモータコントローラ回路９０６、サーボモータ９０４の回転角センサ９０７の値を取得するための角度検知回路９０８、圧縮エアの圧力制御弁・制御回路９０９を備え、さらにこれらを統括して装置全体の動作計画および各軸の指令値の算出等を行うための制御演算ＣＰＵ回路９１０を備えた構成としてある。さらに、制御盤９０１は、オペレータが操作するための操作盤９１１に接続してある。

そして、この操作盤９１１は、装置の状態を示す状態表示モニタ９１２と、装置の動作指令を行うためのマウスやジョイスティックなどの操作指令器９１３、これらの情報処理を行う指令処理ＣＰＵ回路９１４から構成してある。

本実施形態の装置駆動制御については、オペレータの作業指示に基づいて半自動的に行われる。すなわち、選択された作業内容を実施するために必要なグリッパ部または施工ツールヘッド先端の位置姿勢軌道を制御演算ＣＰＵ回路９１０によって設計し、その軌道を実現するためのロボットアーム部の各関節角度を算出して各軸の角度制御を実施することで自動制御が行われる。

図９は、この自動制御における、シュラウドサポートレグ１０３周りの領域の施工を対象とした場合における装置の設置、施工、および回収の作業の流れを説明するフローチャートである。

図９に示すように、本実施形態の作業では、ロボットアーム部２０１にグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂが装着され（Ｓ１０１）、グリッパ部２０２で設置機構部の連結台座が把持固定される（Ｓ１０２）。そして、装置が炉内に吊下げられて着座設置され（Ｓ１０３）、設置機構部の旋回動作による方位調整が行われる（Ｓ１０４）。

次に、設置機構２０３部の昇降動作により高さ調整が行われ（Ｓ１０５）、ロボットアーム部２０１が炉内へ展開される（Ｓ１０６）。

また、施工箇所が設置機構の設置箇所を基点とした動作範囲内にあるかの判断が行われ（Ｓ１０７）、動作範囲内にある場合（ＹＥＳ）には、グリッパ部２０２Ａまたは施工ツールヘッドが施工箇所に位置決めされて施工が実施される（Ｓ１０８）。

一方、施工箇所が設置機構の設置箇所を基点とした動作範囲内にない場合（ＮＯ）には、グリッパ部２０２Ａでシュラウドサポートレグが把持され（Ｓ１０９）、グリッパ部２０２Ｂの把持が開放される（Ｓ１１０）。また、施工箇所がグリッパ部２０２Ａの把持箇所を基点とした動作範囲内にあるかの判断が行われ（Ｓ１１１）、この判断がＹＥＳの場合にはグリッパ部２０２Ｂが施工箇所に位置決めされて施工が実施される（Ｓ１１２）。

また、ステップＳ１１１の判断がＮＯの場合には、施工の実施に施工ツールヘッドが必要かの判断が行われ（Ｓ１１３）、この判断がＹＥＳの場合には、グリッパ部２０２Ｂが取外され（Ｓ１１４）、さらに施工ヘッドが装着されて（Ｓ１１５）、施工ツールヘッドが施工箇所に移動されて施工が実施される（Ｓ１１６）。

そして、ステップＳ１１３の判断がＮＯの場合は、グリッパ部２０２Ｂが施工箇所に位置決めされて、施工が実施される（Ｓ１１７）。

さらに、グリッパ部２０２Ｂで別のシュラウドサポートレグを把持する工程（Ｓ１１８）と、グリッパ２０２Ｂの把持を開放する工程（Ｓ１１９）と、施工箇所がグリッパ部２０２Ｂの把持箇所を基点とした動作範囲内にあるかの判断を行う工程（Ｓ１２０）とを備えている。

この判断がＹＥＳの場合には、施工の実施に施工ツールヘッドが必要かについて、さらに判断され（Ｓ１２１）、またステップＳ１２０の判断がＮＯである場合には、ステップＳ１０９に戻り、グリッパ部２０２Ａでシュラウドサポートレグが把持される。

また、ステップＳ１２１の判断がＹＥＳの場合には、グリッパ部２０２Ｂが取出され（Ｓ１２２）、施工ツールヘッドが装着されるとともに（Ｓ１２３）、施工ツールヘッドが施工箇所に移動されて施工が実施される（Ｓ１２４）。

また、ステップＳ１２１の判断がＮＯの場合には、グリッパ部２０２Ａが施工箇所に位置決めされて施工が実施すされる（Ｓ１２５）。

図１０〜図１７は、以上の工程に基く設備動作概念を示す説明図である。なお、以下の説明には図１８も参照する。

まず、図１０および図１１を参照して、施工対象箇所が装置設置位置から近い場合における作業方法について説明する。

図１０に示すように、グリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂを含むロボットアーム部２０１を設置機構部２０３に搭載した状態で、炉水面上方よりオペレーションフロア１０９上にある燃料交換台車や天井クレーンを使用して炉内に吊下し、炉心支持板１０５上に設置機構部２０３を着座させて装置を設置して固定する。

このとき、炉心支持板１０５上のガイドピン８０５を利用して設置機構部２０３の方位を固定する。

次に、図１１に示すように、設置機構部２０３で旋回および昇降の動作を行い、作業位置に応じてアームの展開方向および昇降高さを調節する。

その後、ロボットアーム部２０１を動作させてアームを設置機構部２０３の外側に展開させる。施工対象箇所が装置設置位置に近い場合には、そのままグリッパ部２０２Ａに搭載した施工機器を用いて作業を実施する。

ここで、施工ツールヘッドが必要な作業である場合には、装置を原子炉内に投入する前に、グリッパ部２０２Ａに代えて施工ツールヘッドを搭載しておけばよい。また、炉内でグリッパ部２０２Ａと施工ツールヘッドとを付け替えて利用してもよい。グリッパ部２０２Ａと施工ツールヘッドとを付け替えて利用する方法の場合には、まず取外すグリッパ部２０２Ａが上方を向くようにロボットアーム部２０１の姿勢を取り、グリッパ部２０２Ａを切り離して引き上げる。

そして、同様に施工ツールヘッドをテーパシャンク３０９が下向きになるようにして吊下げ、ロボットアーム部２０１の連結部に挿入させて連結する。

次に、図１２〜図１５を参照して、施工対象箇所が装置設置位置から遠い場合における作業方法について説明する。

図１２に示すように、この方法では、手先側のグリッパにて炉内構造物を把持した後にロボットアーム部２０１を設置機構部２０３から切り離してロボットアーム部自身を移動させて施工を行う。

この手順については、まずロボットアーム部２０１の新たな固定支持端とする炉内構造物を、グリッパ部２０２Ａで把持する。ここでは、シュラウドサポートレグ１０３の横面を把持する。

次に、これまでロボットアーム部２０１の固定支持端となっていたグリッパ部２０２Ｂの指を開き、設置機構部２０３からアームを切り離す。

これにより、図１３に示すように、グリッパ部２０２Ａで把持している箇所を中心とした領域においてグリッパ部２０２Ｂをアームの新たな手先として作業を実施することができ、作業領域を拡大することができる。

なお、施工ツールヘッドが必要な作業である場合には、グリッパ部２０２Ｂを切り離して施工ツールヘッドに付け替えて実施する。

また、図１４に示すように、さらに広範囲の作業を行う場合には、再度アームの移動動作を行う。すなわち、アームの手先となっていたグリッパ部２０２Ｂを新たな固定支持端とするために、移動方向にある炉内構造物をグリッパ部２０２Ｂで把持し、これまでロボットアーム部の固定支持端となっていたグリッパ部２０２Ａの指を開き、ロボットアーム部２０１の移動動作を行う。

これにより、図１５に示すように、グリッパ部２０２Ｂで把持した箇所を中心とした領域において、グリッパ部２０２Ａを手先として作業を行うことが可能となる。

次に、各種施工を行うためのロボットアーム部２０１の手先位置の動作方法について説明する。

ＶＴ検査は検査対象物と非接触の作業であり、また一つのアーム姿勢で検査できる領域が広いことから、検査箇所がカメラの画角に入るようにロボットアーム部２０１を制御して手先の位置姿勢を調整する。

一方、ＵＴ検査やレーザ溶接作業、レーザピーニング作業は検査箇所および施工点が小さなスポット領域となるため、手先を精度良く動作させて必要な面領域の施工を実施する必要がある。

これらの施工は炉内構造物の溶接線とその近傍領域に適用されるが、この領域において施工抜けが無いように施工パスを設定し、そのパス上を手先の施工機器が追従するようにロボットアーム部２０１の制御を行う。このようにして各種施工を実施する。

次に、装置を炉外へ回収する手順について説明する。

装置を回収する際には、上述した装置の設置手順、ロボットアーム部２０１の展開、移動手順の逆の手順を取って実施する。

すなわち、ロボットアーム部２０１の移動動作を行った場合には、逆の手順で移動動作を行い、設置機構部２０３の連結台座５０１をグリッパ部で把持することで連結を行い、ロボットアーム部２０１を設置機構部内２０３に収納する。

その後、設置機構部２０３ごと装置全体を引き上げて炉外に回収する。以上のように、シュラウドサポートレグ１０３周りの施工を行うものである。

［第２実施形態］
次に、図１６（ａ），（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。

この実施形態は、前述の第１実施形態で示した着脱型グリッパ２０２Ａ，２０２Ｂに代えて、別のロボットアーム部２０１を連結して利用するものである。

例えば、図１６（ａ）に示すように、２個の連結口を有する連結ジョイント１７０１を用いて直接ロボットアーム部２０１同士を連結することで、図１６（ｂ）に示すように、全体のアーム長を長くすることができ、より広範囲の施工を行うことができる。

また、構成関節自由度数が倍になるため、ロボットアーム部を複雑な形状に変化させることができ、施工経路上の障害となる炉内構造物を姿勢の変化で回避するという使用方法を採用することができる。

この場合、装置を炉内に投入する前に、複数のロボットアーム部２０１を連結させておき、まとめて設置機構部２０３に搭載して吊下ろせばよい。または、炉内での施工ツールヘッドの着脱のように、一旦装置を炉内に設置した後に、連結用のロボットアーム部２０１を連結ジョイント１７０１を取付けた状態で近傍に吊下げ、その場で連結する方法を採用してもよい。

本実施形態によれば、複数の関節軸からなるロボットアーム部と、その両端に炉内構造物を把持するためのグリッパ部とを兼ね備えた機構構造を有し、手先のグリッパを用いて炉内構造物を把持し、その把持位置を新たに装置の固定設置位置とするとともに、元の固定側のグリッパを手先として適用することで、装置全体を移動させながら施工を実施することができる。

また、ロボットアーム部とグリッパ部とが自由に着脱できる構造となっており、炉内構造物の把持用グリッパと施工機器を搭載した施工ツールヘッドとを交換して利用することができる。

また、上記の作業装置を、炉内構造物上に設置するための設置装置に搭載して炉内に設置することができる。

また、設置装置には、ロボットアーム部を水平方向に旋回動作させる機構を搭載することができる。

また、設置装置には、ロボットアーム部を上下方向に昇降移動させる機構を搭載することができる。

また、上記作業装置において、ロボットアーム部と設置装置との連結を、設置装置の連結台座をグリッパ部を用いて把持することで行うことができる。

また、着脱式のグリッパ部に代えて別のロボットアームを結合させてアームの本数を自由に変えることができる。

また、複数のロボットアーム同士の結合部に施工ツールヘッドを備えるものとすることができる。

［第３実施形態］
図１７（ａ），（ｂ）は、本発明の第３実施形態を示す説明図である。

本実施形態によれば、図１７（ａ）に示すような３個の連結口を有する連結ジョイント１８０１を用いる。そして、２本のロボットアーム部２０１と施工ツールヘッド１８０１とを連結して利用する。

また、それぞれのロボットアーム部２０１にはグリッパ部２０２Ａ，２０２Ｂを搭載し、両方のグリッパ部で炉内機器を把持固定する。

このように、２本のロボットアーム部２０１，２０１を用いて支持固定することで閉リンク構造が形成されるため、１本のロボットアーム部２０１を利用するときよりも大きな発生力や高い機構剛性を得ることができる。

これにより、磨き作業などの施工反力の大きい作業や、重量の大きな施工ツールヘッドを搭載した際にも安定して作業を実施することが可能である。

また、施工ツールヘッドに代えて、さらに別の１本のロボットアーム部を連結させ、３本のアーム構成とすることにより、ロボットアーム部の移動動作とアームを利用した作業とを並行して実施することが可能である。

［他の実施形態］
なお、以上の実施形態においては、沸騰水型原子炉の炉底部領域、特にシュラウドサポートレグ１０３周りの領域に適用する場合について例示したが、本発明の利用についてはこの作業領域に限定されるものではない。

すなわち、グリッパ部の指形状を適用箇所の炉内構造物の形状に合わせて変更すれば、炉底部中心領域、上部格子板および炉心支持板の上下領域など、種々の領域への適用が可能である。

このように、多関節構造を有するロボットアームに対し、炉内構造物に支持固定しながらアーム自体を移動させる機能を付加することにより、遊泳型装置と設置型装置の両者の利点を兼ね備えた施工装置を実現することができる。

また、本発明では、炉内構造物の形状を計測し、構造物の設計寸法と実物との形状誤差を補正する処理を組合せて利用することができ、その場合には、作業の精度を高めることができる。例えば、グリッパ部や施工ツールヘッド部に超音波センサ、レーザ距離計などの距離計測用センサ、またカメラ画像を利用して対象物との距離や傾き、３次元形状を計測することで、目標とする手先の位置姿勢を補正して修正することができる。

本発明の第１実施形態による作業装置の構成を示す作業装置全体の構成図。 （ａ），（ｂ）は、図１に示した作業装置のグリッパを示す構成図。 図１に示したロボットアーム部の着脱機構示す構成図。 図１に示したロボットアーム部の連結台座を示す構成図。 本発明の第１実施形態におけるＶＴ検査機能付きグリッパを示す構成図。 本発明の第１実施形態における水中溶接施工ツールヘッドを示す構成図。 図１に示したロボットアーム部を示す詳細説明図。 本発明の第１実施形態を示す制御装置構成図。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作の流れを示すフローチャート。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作説明図。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作説明図。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作説明図。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作説明図。 本発明の第１実施形態におけるシュラウドサポートレグ周りの施工における動作構成図。 本発明の第１実施形態を示すシュラウドサポートレグ周りの施工における動作構成図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態を示す構成図。 （ａ），（ｂ）本発明の第３実施形態を示す説明図。 原子炉圧力容器の内部を示す全体構成図。

符号の説明

１０１ 原子炉圧力容器
１０２ 炉心シュラウド
１０３ シュラウドサポートレグ
１０４ 上部格子板
１０５ 炉心支持板
１０６ ジェットポンプ
１０７ シュラウドサポートプレート
１０８ ＣＲＤハウジング
１０９ オペレーションフロア
２０１ ロボットアーム部
２０２ 作業アーム
２０２Ａ グリッパ部
２０２Ｂ グリッパ部
２０３ 設置機構部
２０４Ａ 関節群
２０４Ｂ 関節群
２０４Ｃ 関節群
３０１Ａ グリッパ指
３０１Ｂ グリッパ指
３０２ サーボモータ
３０２Ａ 出力軸
３０３ 減速器
３０４ ブレーキ
３０５ レゾルバ
３０６Ａ ねじ軸
３０６Ｂ ねじ軸
３０７Ａ ナット
３０７Ｂ ナット
３０８Ａ ギア
３０８Ｂ ギア
３０８Ｃ ギア
３０９ テーパシャンク
３１０ プルスタッドボルト
３１１ キー溝
３１２ 吊下げ用ワイヤ
３１３ テーパ嵌合用溝機構
４０１ テーパ
４０２ ボールチャック
４０３ エアシリンダ
４０４ キー
５０１ 連結台座
５０２ グリッパ固定用テーパ
６０１ ＣＣＤカメラ
６０２ 水中照明装置
７０１ チャンバ
７０２ 密閉用パッキン
７０３ パージ用ガスチューブ
７０４ 溶接フィラー
７０５ 溶接フィラー送り機構
７０６ レーザ照射機構
７０７ 光ファイバ
８０１ 上端設置台座
８０２ マスト部
８０３ 旋回軸機構
８０４ 昇降軸機構
８０５ ガイドピン
８０６ ガイドピン受け
８０７ 下端設置台座
８０８ サーボモータ
８０９ 減速器
８１０ ブレーキ
８１１ レゾルバ
８１２ ボールねじ
８１３ リニアガイド
８１４ 吊下げ用ワイヤ
９０１ 制御盤
９０２ 装置
９０３ エアシリンダ
９０４ サーボモータ
９０５ ブレーキ
９０６ モータコントローラ回路
９０７ 回転角センサ
９０８ 角度検知回路
９０９ エア制御弁・回路
９１０ 制御演算ＣＰＵ回路
９１１ 操作盤
９１２ 状態表示モニタ
９１３ 操作指令器
９１４ 操作指令ＣＰＵ回路
１７０１ 連結ジョイント
１８０１ 連結ジョイント
１８０２ 施工ツールヘッド

Claims (8)

1. 原子炉内の構造物を対象とする点検、補修、予防、保全およびこれらに関連する作業を実施する原子炉内作業装置であって、複数の関節軸を介して回動可能に連結されたロボットアーム部と、このロボットアーム部に設けられ、前記作業の対象とする構造物を把持するグリッパ部とを備え、前記グリッパ部は前記ロボットアーム部に固定された作業の手先となるグリッパと前記炉内構造物を把持する固定側のグリッパと、その把持位置を新たに装置の固定設置位置として元の固定側のグリッパを手先とする機能を有し、装置全体の移動中における前記作業施工を実施可能としたことを特徴とする炉内作業装置。
2. 前記ロボットアーム部と前記グリッパ部とは自由に着脱できる構成を有し、炉内構造物の把持用グリッパと施工機器を搭載した施工ツールヘッドとの交換利用を可能とした請求項１記載の炉内作業装置。
3. 炉内構造物上に設置する設置装置に前記ロボットアーム部を搭載し、炉内に設置可能とした請求項１または請求項２記載の炉内作業装置。
4. 前記設置装置には、前記ロボットアーム部を水平方向に旋回動作させる機構が搭載されている請求項３に記載の炉内作業装置。
5. 前記設置装置には、前記ロボットアーム部を上下方向に昇降移動させる機構が搭載されている請求項３または請求項４に記載の炉内作業装置。
6. 前記ロボットアーム部と前記設置装置との連結は、前記設置装置の連結台座がグリッパ部により把持することで可能な構成とした請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の炉内作業装置。
7. 着脱式の前記グリッパ部に代え、または前記グリッパ部とともに、別のロボットアームを結合させてアームの本数を可変とした請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の炉内作業装置。
8. 請求項１から請求項７までに記載の作業装置を使用して、複数の関節を介してロボットアーム部を回動させ、前記ロボットアーム部に設けたグリッパ部により炉内構造物を把持するとともに、前記グリッパ部の手先部位のグリッパを用いて炉内構造物を把持させ、その把持位置を新たに装置の固定設置位置とし、元の固定側のグリッパを手先として使用して、装置全体を移動させながら施工を実施することを特徴とする炉内作業方法。

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