核电站作业机器人及其控制系统技术方案

核电站作业机器人及其控制系统属于机器人及自动化设备领域。该核电站作业机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，可以在核电站内部移动，并有人工遥控和自主控制两种控制模式，采用无线或有线方式对其进行远程控制。所述的核电站作业机器人的控制系统分为上位监测与规划控制系统和机器人控制系统两部分，二者配合使用控制机器人的运作。该机器人自主运行，安全可靠，可在高放射的环境下完成一些危险的任务；机身小巧，性能稳定、机动灵活，运营成本低；履带式底盘抓地力强，有一定的爬坡与越障能力，适合在较复杂的地形中行走；机器人智能化程度高，可实现自主控制与人工远程遥控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人及自动化设备领域，特别是提供了一种通用的核电站作业机器人及其控制系统。
技术介绍
随着我国经济高速全面发展，对能源的需求越来越大，核能作为一种能量密度极 大的清洁能源，大力发展核能、建设核电站也符合我国节能减排的新思路。然而核电厂的反 应器内有大量的放射性物质，核电站有很多操作过程都带有放射性，核辐射对人体的伤害 是致命的。在核工业早期，由于检修，保养和事故过程中人员操作不当，或由于放射性剂量 过高无法对设备进行定期检查而造成的人身伤亡事故不断发生。因此远距离操作技术或者 是用机器人来代替人工作业，成为很好解决上述问题的方式方法。 核电站机器人是应用在辐射环境下的特种机器人。随着核工业和机器人技术的发 展，不少国家研制成功了真正的远距离控制的核工业机器人。例如有美国的SAMS頂型，德 国的EMSM系列，法国的MA23-SD系列等。这些机器人的应用产生了较大的经济效益，减少 了工作人员在辐射环境下进行作业的机会。现在全世界核能发电量占总发电量的17%。但 是这些核电站在建造阶段没有考虑使用机器人遥控作业技术的应用，因此，现有的核电站 应用机器人就必须以其定型的格局为前提，选择合适的机器人来完成某些任务。基于此，一 种通用的核电站作业机器人具有广泛的应用前景。 中国国家高技术研究发展计划(863计划)中就已经列入了恶劣环境智能机器人 的研究项目，从1987年开始，经过选型论证、总体概念设计、总体方案设计等阶段后，确定 把移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人这两种型号的核工业机器人作为开发目标， 已取得了可喜的成果。中国科学院光电技术研究所研制的水下异物打捞机器人，已于2006 年年初交付广东大亚湾核电站使用。随着机器人技术的发展，尤其是智能技术的发展，具有 更高自主能力的机器人作业系统，可以减轻操作人员的工作量，减少远程操作的复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通用的核电站作业机器人及其控制系统。该机器人系 统可以代替人进行核电站设备的检查，核燃料的转运和处理，核废料的处理，核电站事故的 处理，废弃核设施的拆卸等作业，具有很好的应用前景。 本专利技术采用的技术方案为所述机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移 动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，具体结构为在底盘的左侧通过左侧履带驱动 电机、左侧电机输出减速机构安装左侧履带式行走机构，在底盘的右侧通过右侧履带驱动 电机、左侧电机输出减速机构安装右侧履带式行走机构，通过左侧履带驱动电机和右侧履 带驱动电机产生不同的差速控制行走；在左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构的尾 端分别安装左侧光电码盘和右侧光电码盘，两个光电码盘检测机器人行走距离，并提供距 离信息；在底盘上表面的前端安装4F0D机械手，在底盘上表面的4F0D机械手后方安装图像发射模块、图像天线、蓄电池、嵌入式计算机控制系统、主摄像机/云台摄像机、数据天线、 陀螺仪，，在底盘的前部安装辐射/温度/湿度传感器和红外/声纳避障传感器，在底盘的 尾部安装副摄像机/尾部摄像机。 所述嵌入式计算机控制系统使用基于32位的精简指令集计算机处理器的嵌入式系统，该系统控制机器人的局部路径规划、实时避障、并控制4F0D机械手的操作。 所述4F0D机械手包括底座旋转、第一关节俯仰、第二关节俯仰以及手臂旋转四个自由度；在4F0D机械手的末端安装作为执行机构的适配器，并在适配器后部安装一个固定摄像头，方便实时监控。 所述左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构采用结构相同的三角履带结构，由位于履带式行走机构最前端的主动轮和三角形另两个顶点的从动轮组成，主动轮悬空，从动轮一前一后着地；在两个从动轮之间设有三个张紧轮，在主动轮与前端从动轮之间设有一个张紧轮，张紧轮对履带起到支撑作用并提高履带的抓地能力；在履带式行走机构的尾部，安装可拆卸的尾轮机构，为机器人越障及攀爬楼梯提供辅助支撑作用。 所述左侧履带式行走机构和右侧履带式行走机构的履带采用橡胶材质，具有减震性。 所述主摄像机/云台摄像机具有旋转和俯仰两个自由度，并具有十倍的光学变焦 能力以及感红外能力；在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下 切换到红外摄像模式，显示图像为黑白色。 所述履带式移动机械手有人工遥控和自主控制两种模式，采用无线或有线方式对 其进行远程控制。 本专利技术还提供了所述核电站作业机器人的控制系统，该控制系统分为上位监测与 规划控制系统和机器人控制系统两部分所述上位监测与规划控制系统由监视器、操作台 和规划器组成监视器利用履带式移动机械手携带的两个摄像机采集的图像呈现工作现场 的状况及履带式移动机械手的工作状态；操作台利用监视器提供的信息生成三维仿真图 像，实时显示工作现场的状况及带式移动机械手的工作状态，并为操作员提供操作界面，对 履带式移动机械手进行控制；规划器接收操作台发来的指令和监视器发来的环境信息，完 成自主规划任务，并给履带式移动机械手发送指令，控制其完成相应的作业任务；所述机器 人控制系统由移动机械手自主导航系统、机械手控制系统、数据链路系统、基于多传感器融 合的在线监测系统构成。 所述移动机械手自主导航系统使用核电站环境地图进行路径规划，通过所述的两 个光电码盘和陀螺仪所提供的里程和角度信息，完成履带式移动机械手的导航定位，并根 据实时定位和预先规划路径轨迹确定行走误差，进行行走路径修正；通过所述的红外/声 纳避障传感器进行障碍检测，实时调整局部路径，完成实时避障。 所述机械手控制系统控制所述的4F0D机械手运作，在4F0D机械手末端任务给定 的情况下进行动作规划。 所述数据链路系统使用所述的数据天线与图像天线，在上位监测与规划控制系统 和履带式移动机械手之间提供采用数字载波调制的双向的数据通信通道，除了基本数据传 输，数据链路系统还提供数据压縮，抗干扰等数据处理功能； 所述基于多传感器融合的在线监测系统通过所述的辐射/温度/湿度传感器对核5电站内环境温度、湿度与辐射量进行实时监测并上传至监视器，结合专家知识库找出导致 故障或错误的原因。该核电站作业机器人系统具有如下的技术特性 1.履带式移动机械手具有自主导航能力，能根据核电站的CAD建设图纸，局部环 境的障碍信息，对全局的路径规划做出局部调整，躲避障碍物。 2.规划器具有自主规划任务能力，发送指令，控制机器人完成相应的作业任务。 3.履带式移动机械手能实现核电站环境的在线监测。其所携带的大量的传感器， 采集环境信息，并返回上位监测与规划控制系统进行数据分析，判断设备故障与错误，定位 故障发生地点。 4. 4F0D机械手末端安装的适配器，能够安装多种工具，完成作业任务。 5.在预定任务完成或者某些特殊条件下，履带式移动机械手具有自动返航的功能。 6.履带式移动机械手具有自动控制和人工遥控两种控制模式。人工遥控具有最高 的优先级，可随时中断自主运行中的机器人，由人工进行行走或作业控制。 本专利技术的优点在于 1.移动机械手自主运行，安全可靠，可在高放射的环境下完成一些危险的任务，即 使发生了意外也不会造成人员的伤亡，有效的解决了使工作人员暴露在高放射性环境中工 作的安全性问题。 2.机器人机身较为小巧，性能稳定可靠、机动灵活，运营成本文档来自技高网...

【技术保护点】
核电站作业机器人，其特征在于，所述机器人为履带式移动机械手，由双履带驱动的移动平台及其搭载的四自由度的机械手组成，具体结构为：在底盘（９）的左侧通过左侧履带驱动电机（２）、左侧电机输出减速机构（３）安装左侧履带式行走机构（１），在底盘（９）的右侧通过右侧履带驱动电机（６）、左侧电机输出减速机构（７）安装右侧履带式行走机构（５），通过左侧履带驱动电机（２）和右侧履带驱动电机（６）产生不同的差速控制行走；在左侧履带式行走机构（１）和右侧履带式行走机构（５）的尾端分别安装左侧光电码盘（４）和右侧光电码盘（８），两个光电码盘检测机器人行走距离，并提供距离信息；在底盘（９）上表面的前端安装４ＦＯＤ机械手（１２），在底盘（９）上表面的４ＦＯＤ机械手（１２）后方安装图像发射模块（１０）、图像天线（１１）、蓄电池（２０）、嵌入式计算机控制系统（１７）、主摄像机／云台摄像机（１３）、数据天线（１８）、陀螺仪（１９），在底盘（９）的前部安装辐射／温度／湿度传感器（１６）和红外／声纳避障传感器（１５），在底盘（９）的尾部安装副摄像机／尾部摄像机（１４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：柳长安，刘春阳，魏振华，周宏，李国栋，冯哲轩，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]