一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统技术方案

本发明专利技术属于工业机器人运动控制相关领域，具体涉及一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统。包括机械臂本体、远程操控箱、电气控制柜、线缆组，机械臂本体通过线缆组与远程控制箱连接，远程操控箱通过线缆组连接电气控制柜。本发明专利技术的有益效果在于：)RRRPRR六轴串联构型为6自由度非冗余机械臂，作业过程中奇异点少，相对便于在线控制；第四个关节为滑动副，大幅降低了安全空间的干涉风险，同时将作业空间进一步扩大，自身质量分配更为协调；)基于笛卡尔坐标系和球面坐标系构建的双模空间系运动数理模型，提供了多种直观表达容器内空间关系的路径，提升操控人员的空间体验。提升操控人员的空间体验。提升操控人员的空间体验。

【技术实现步骤摘要】
一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统


[0001]本专利技术属于工业机器人运动控制相关领域，具体涉及一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统。

技术介绍

[0002]核电厂停堆大修期间，需在反应堆压力容器、主泵、蒸汽发生器等容器内进行检维修作业，不可避免会涉及到装拆、转运设备零部件。由于核电环境辐射特殊性，特别是核岛设备，如蒸汽发生器一次侧水室，属于辐射高剂量区，加之高温的恶劣工作条件，在目前人工作业过程中，人员受照剂量和体力消耗都较大，且作业质量受人因因素影响较大，放射性污染的风险和人因风险也较大，国内某核电厂已发生人工作业失误事件，严重影响了核电厂的安全运行，造成了巨大的经济损失。
[0003]针对上述核电容器内作业的复杂环境，需要一种用于核电容器内装拆、转运的系统，借助远程控制的方式替代人工完成核电容器内检维修作业，以彻底实现高危区机器替代作业，同时提高安全性及可靠性，减少人因失误。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，使操控人员能够方便的远程控制机械臂在核电高辐照区完成容器内装拆、转运等检维修作业；具备在核电辐射区域应用机器人实施关键设备拆装、转运的能力，满足核电站关键设备的自动化、智能检修需求，进一步保障核设施的安全、经济运行。
[0005]本专利技术的技术方案如下：一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，包括机械臂本体、远程操控箱、电气控制柜、线缆组，机械臂本体通过线缆组与远程控制箱连接，远程操控箱通过线缆组连接电气控制柜。
[0006]所述的机械臂本体包括机械臂、适配器和执行末端，机械臂通过拆装适配器连接执行末端。
[0007]所述的远程操控箱包括系统管理、规划运算和伺服控制三个功能模块。
[0008]所述的系统管理包括人机交互模块、任务调度模块、配置管理模块。
[0009]所述的规划运算包括运动解析模块、轨迹规划模块、矩阵变换模块、安全保护模块。
[0010]所述的伺服控制包括多关节同步控制模块、关节运动控制模块。
[0011]所述的适配器为机械臂末端快换装置，用于连接不同执行末端。
[0012]所述的执行末端安装于机械臂末端，以实现装拆、转运目标对象、包括不限于螺栓拧紧装置、气爪、刀具等。
[0013]所述的机械臂包括第一球铰关节、第二球铰关节、第三球铰关节，第一球铰关节、第二球铰关节、第三球铰关节相互串联并与第一腕关节、第二腕关节通过第四关节相连，第一腕关节与第二腕关节直接连接。
[0014]本专利技术的有益效果在于：
[0015](1)采用人在回路进行轨迹规划，通过相对运动控制以克服多关节串联型机械臂绝对定位精度较差的先天不足，同时降低机械臂构型、设计、加工、维护等其他工作的难度要求。所以基于人在回路的控制策略，机器人构型可沿用串联关节而无须考虑并联关节或者串并联混合关节；
[0016](2)RRRPRR六轴串联构型为6自由度非冗余机械臂，作业过程中奇异点少，相对便于在线控制；第四个关节为滑动副，大幅降低了安全空间的干涉风险，同时将作业空间进一步扩大，自身质量分配更为协调；
[0017](3)基于笛卡尔坐标系和球面坐标系构建的双模空间系运动数理模型，提供了多种直观表达容器内空间关系的路径，提升操控人员的空间体验；
[0018](4)机械臂涉及到运动学、动力学甚至弹性力学，加之加工装配引入的工艺误差，使得机械臂的控制模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型。为此，采用功能分层模块化技术，将机械臂的控制目标进行分解，划分为较为独立的功能模块，有针对性地处理各个影响因素；建立层级间逻辑关系，使每个功能模块独立而不孤立，保证控制模型更接近实际工况；
[0019](5)基于矩形靶标的线结构激光，作业人员仅通过判断激光打标矩形与目标对象上固定的合作靶标(矩形)是否重合，实现了简单、快速、准确的判断机械臂位姿。
附图说明
[0020]图1为本专利技术所提供的一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统示意图；
[0021]图2为远程操控箱功能分层模块化示意图；
[0022]图3为机械臂本体结构示意图；
[0023]图4为CAN总线控制示意图；
[0024]图5为六个关节轴的伺服回路示意图。
[0025]图中：1机械臂本体，2适配器，3执行末端，4线缆组，5远程操控箱，6电气控制柜，11第一球铰关节，12第二球铰关节，13第三球铰关节，14第四关节，15第一腕关节，16第二腕关节。
具体实施方式
[0026]下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0027]本专利技术提供一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，它能够在核电高辐照区容器内完成装拆、转运作业为需求，利用RRRPRR六轴串联构型、双模空间系运动数理模型、基于人在回路的控制策略、功能分层模块化、基于矩形靶标的线结构激光标定等关键技术，完成“远程容器内视觉精确导引
‑
>机械臂执行末端位姿动态调整
‑
>作业稳定控制”的复杂空间多关节同步控制技术链，兼容不同位姿的容器内检维修作业需求，具备全空间运动覆盖、人机协同作业的智能作业能力，实现在高辐照复杂空间内的局部区域远程、安全、高效作业，降低人工作业负担、操控难度及人员伤害风险，同时提高作业效率、降低生产成本。4：滑动副；
[0028]为实现上述目的，如图1所示，本专利技术提供的一种用于核电容器内装拆、转运的六
轴机器人系统，包括机械臂本体1、远程操控箱5、电气控制柜6、线缆组4，其中，机械臂本体包括机械臂、适配器2和执行末端3，机械臂通过拆装适配器2连接执行末端3，机械臂本体1通过线缆组与远程控制箱5连接，远程操控箱5通过线缆组4连接电气控制柜6。
[0029]其中，远程操控箱5、电气控制柜6布置在容器外，远离高辐照区，方便人员远程操控；机械臂本体1安装适配器2和执行末端3布置在容器内，通过顶部安装方式，实现了容器内全空间可达。
[0030]远程操控箱5为便携式安全箱设计，内嵌上位机及电源模块，配备触摸屏、显示屏等交互界面，以及摇杆、按钮、键盘和轨迹球等交互装置，在计算功能上划分为系统管理、规划运算和伺服控制三个功能模块，如图2所示，采用功能分层模块化技术，将机械臂的控制目标进行分解，划分为9个独立的功能模块——人机交互模块、任务调度模块、配置管理模块、运动解析模块、轨迹规划模块、矩阵变换模块、安全保护模块、多关节同步控制模块、关节运动控制模块，在三类功能模块间建立层级逻辑关系，使每个功能模块独立而不孤立，保证控制模型更接近实际工况。
[0031]系统管理功能
[0032]人机交互模块功能：为操作者提供有好的交互工具，接收操作者指令，实时显示机器人各种状态信息
[0033]任务调度模块功能：独立线程进行传感器IO信息读写、机器人状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，其特征在于：包括机械臂本体、远程操控箱、电气控制柜、线缆组，机械臂本体通过线缆组与远程控制箱连接，远程操控箱通过线缆组连接电气控制柜。2.如权利要求1所述的一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，其特征在于：所述的机械臂本体包括机械臂、适配器和执行末端，机械臂通过拆装适配器连接执行末端。3.如权利要求1所述的一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，其特征在于：所述的远程操控箱包括系统管理、规划运算和伺服控制三个功能模块。4.如权利要求3所述的一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，其特征在于：所述的系统管理包括人机交互模块、任务调度模块、配置管理模块。5.如权利要求3所述的一种用于核电容器内装拆、转运的六轴机器人系统，其特征在于：所述的规划运算包括运动解析模块、轨迹规划模块、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，胡娜，胡鑫，刘涛，肖可，王俊兰，
申请(专利权)人：中核武汉核电运行技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：