核电站环境监测履带式移动机器人设计与研究.docx

《核电站环境监测履带式移动机器人设计与研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核电站环境监测履带式移动机器人设计与研究.docx（17页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、核电站环境监测履带式移动机器人设计与研究摘要：针对核电站某些特殊作业区域存在高辐射、高温、高压等极端恶劣环境，及核事故后现场非结构环境的不可接近性，本文设计了一种用于核电站厂区日常巡检与核事故后环境侦测的履带式移动机器人系统，分析核环境下移动机器人的运动机构特点，并对控制系统进行模块化设计，研究了移动机器人的机动性能，并对机器人最常见爬梯和爬坡场合进行了分析，为核电站履带式移动机器人的整体设计与应用打下基础。关键词：机器人，核电站，传感器O引言随着核工业的快速发展，核电站设备传统的人工维护方式无法从根本上避免辐照对人的伤害，且大量的人工操作也增加了核电站安全上的不确定性口。因此，开发用于核电站

2、专用场合进行作业的机器人，代替人工对某些不可接近的工况及设备进行日常检测、维护、修复及救援工作，可以很大程度上降低作业人员所受辐射剂量水平和减轻作业人员劳动强度。故此机器人具有广阔的应用前景，成为核工业领域的研究热点。与普通机器人不同，核电站机器人面临的工作环境更为恶劣，伴随高辐射、高温、高压的外部环境，有些场合可能还存在障碍物，狭窄场地、楼梯、管网交错等复杂情况2,因此要求核环境机器人在远程操控下不仅可以行走、转弯，还要具有良好的爬坡性能、越障性能、跨沟性能和上下台阶的能力，同时具有较高的可靠性。履带式机器人因其地面适应能力强、控制与制造技术成熟，在工业、军工以及民用领域得到了广泛的应用。在

3、核电领域，履带式机器人也成为研究的热点3。国外针对该项课题进行了大量的研究，并研制出多种型号的核电站专用机器人，这些机器人能够适应核电站恶劣的工作环境，通过自身携带的多种传感器对机器人工作环境进行收集处理，并在工作人员的远程操控下完成一些维护、修复与救援动作4。图1为日本福岛核电站智能机器人QUinCe（左）与美国NASA设计的核电站巡检机器人（右）。图1典型核电站移动机器人目前国内针对这项课题的研究刚刚起步，相关科技成果与报道也较少，因此，本文设计并研究了一种搭载多种传感器的核电站环境监测履带式移动机器人。针对核电站核环境的不可接近特性，所设计的机器人进行了核防护设计，并根据核工业现场的作业

4、要求，对机器人车体的机械结构进行了相应改进，以满足稳定性和可靠性的要求。为满足机器人监测环境参数的设计需求，本文对传感器和控制系统进行重新设计，基于无线传输通信协议对机器人实现远程控制，并在此基础上分析了机器人的越障性能，验证了机器人在核电站工业现场的适用性，为智能机器人广泛应用并服务于核电站打下了基础O1履带式移动机器人设计1.1 机器人车体设计1.1.1 机械结构设计根据核电站环境和巡检任务的特殊要求，所设计的机器人行走机构必须满足以下几点要求：a）在保证内部器件必要的安装空间前提下，机器人车体应具有结构坚固、体积小、重量轻、协调性好且稳定性高的特点。b）机器人在核环境下工作，要求本体结构

5、进行防水密封设计，能够为车体内的控制系统及动力系统部件提供安全防护，避免外界化学蒸汽、带有放射性成分的液体或气体进入机器人内部，同时要避免放射性物质沾染，机器人车体要减少凹槽、死角、便于清洗。c）作为各个功能单元连接的中间体，机器人车体要求能够为各个功能单元提供方便的功能接口，例如机器人车体上要求留有有线控制接口、网络接口等，以便日后对机器人功能进行扩展。如图2所示，机器人车体主要由底盘、上盖和隔板组成。整体采用无缝焊接工艺保证结构坚固，装配精确，且防水性能好。底盘两侧对称布置电池舱为机器人行走提供动力支撑；车体中部安置可拆卸式隔板，将车体内部空间划分为前后两舱，前舱安装电机、驱动器等大功率器

6、件，后舱安装计算机、无线通信器件。该设计有助于防止大功率器件对控制系统造成电磁干扰。上盖为可拆卸式，上部留有监测摄像机及传感系统的机械接口，上盖与底盘之间通过螺栓连接，中间用密封条密封。在车体前后分别安装有前视摄像头和后视摄像头。在车体顶部靠前位置安装耐辐射全景摄像机。机器人本体的电源开关、无线通信天线、充电接口、有线控制接口以及扩展接口均布置在车体后部。通过以上紧凑设计，机器人机构的外形尺寸为860mm556mm345mmo图2核电站履带式移动机器人机构简图1.1.2 驱动系统设计为了提高履带式机器人的越障能力，采用四履带式结构，包括机器人本体的两条主履带和一对导向摆臂。履带行走机构对称安装

7、在机器人车体两侧。各由一条环形履带，一个驱动轮，一个导轮，以及一列支撑轮等构成，如图3所示。摆臂转动由单独电机驱动，另外两个电机分别驱动车体两侧履带实现前进和后退，通过控制左右两个电机转速实现差速转向，可以调节转向半径，实现机器人的快速转向和原地零半径回转。主体履带臂图3履带行走机构组成考虑到机器人在越障时，障碍物使履带垂直方向受力较大产生拉伸变形，甚至超过履带材料的抗拉强度，从而损坏履带5。因此，在驱动轮履带的内表面加装支撑轮，保护履带不易变形，延长履带寿命。同时，在车体上增设预紧机构，防止履带脱落或打滑。由于核电站机器人经常要进行攀爬楼梯，越障等复杂工作，同时兼顾机器人续航时间，体积和重量

8、要求，为保证机器人正常工作，主驱动电动机应能满足各种工作情况下的需要，故本文选用MaXonMOtor公司的RE50-48永磁直流有刷电机，其具有较大的输出力矩、较大的力矩常数。机器人本体通过控制电机转速实现差速转向、调节转向半径，或让机器人沿直线运动。因此对两台履带驱动电机提出转速闭环控制的要求。要实现转速闭环控制，首先要获得电机实时转速数据，因此，在履带驱动电机后，安装与RE50-48电机配套的HEDS-5540型500线增量式光电编码器。该编码器输出A、B、Z三相脉冲，通过比较A、B两路脉冲的相位可判断电机旋转方向，计算出转速。摆臂运行速度较低，两侧摆臂可以任意角度转动，选用MaXonRE

9、40-48永磁直流有刷电机驱动，电机功率150W。1.1.3 核防护设计核防护问题是核机器人区别于其他机器人的重要特征之一6。核辐射会影响机器人某些部件的正常工作，因此对机器人的核防护研究同样至关重要，不容忽视。世界各个国家的专家对核防护问题做了一定的研究。如PaterSon等人发明了一种新的绝缘材料烧蚀性橡胶，这种材料耐辐射性极强，常用于核环境下的辐射防护7。目前主要的核防护方法有四种8,分别是：屏蔽防护法、距离防护法、时间防护法、个人卫生防护。本文主要使用了屏蔽防护法，车体摄像机采用硒化镉耐辐照材料外壳保证成像元件不受射线干扰，此外为延长车体内部电气元件的使用寿命，采用铝/硅树脂屏蔽带覆盖

10、在上盖与车体中间的空隙中。经测试，该屏蔽带能够有效屏蔽射线。如图4所7Jo图4屏蔽带除核防护设计外，车体还进行了防水密封设计和电磁干扰屏蔽设计，采用橡胶密封圈密封，接口部分均具有防水盖，车体内部元件的走线部分均采用锡纸包覆，有效地降低了元器件之间的相互干扰（见图1.2 控制系统设计履带式机器人采用无线远程控制的形式，要求控制系统稳定性好、灵敏度高和可操作性强。1.2.1 控制系统结构机器人本体控制系统分为计算机控制系统、移动平台驱动系统、视频监控系统、无线通信系统、传感器数据采集系统以及一些相关的接口电路。其组成情况如图6所示。1.2.2 控制系统硬件设计机器人控制系统的硬件组成定义了机器人各

11、部分之间的相互关系和功能分配，是机器人信息处理和控制系统的总体框架。因此，控制系统的硬件设计非常重要。核电站环境监测移动机器人女sD一立*图6控制系统组成核电站工业现场高温高湿等恶劣工况对机器人会造成不良影响，因此，控制系统设计必须满足可靠性原则，保证机器人能够在作业现场工作，并能安全离开作业现场。此外，由于机器人车体与控制端采用无线通信方式，要求机器人在作业现场复杂的电磁干扰环境中仍然具备高速、稳定、远距离的无线信号传输。因此，通信设备硬件需采用传输速率高、功率大、抗干扰能力强的无线通信设备。机器人车体控制计算机采用RTD公司PCI-104嵌入式计算机，集成了CPU主板、CAN总线扩展卡、电

12、源扩展卡等，通过铝合金外壳加固处理，具有一定的抗震能力。车载计算机与电机驱动器采用CAN总线形式进行通信。视频监控系统包括顶部的全景摄像机和前后视摄像头，分别对车体前后及周围的作业环境进行视频和图像采集，三路视频流通过视频分割器进行多画面控制显示。机器人车体与远程控制端的数据通信和实时画面显示分别通过数传电台与图传电台实现。数传电台采用日精ND250A专业数传电台，发射功率ITOW,可传输RS232RS485制式的数字信号，最高传输速率为19.2kbps,且具有较强的抗电磁干扰能力，满足核电站履带式机器人对无线传输高速、稳定、远距离的要求。图传电台包括发射机与接收机两部分，车体上的发射机将视频

13、分割器的一路视频信号传输到远程控制端进行实时显示，得到机器人所在位置的环境信息（见图7）。传感器信息采集与处理系统包括温湿度、辐射剂量、超声波、氧气与二氧化碳等多种传感器，各传感器获得的原始数据采用集中式直接传送到计算机进行融合处理，通过卡尔曼滤波算法9对数据进行处理,有效降低了数据处理的误差和不稳定性。1.2.3控制系统软件设计远程控制终端操作单元注无线收发模块图传电台接收端IO搓力电机兴动器挖林电机RS2”忙展接口电路工传速器系统RSUX-电池供电系统车我计机Pc1-104RS232莘:摄像处视频分割器08传电台发射端前视摄像机后视排便机图7控制系统硬件逻辑控制系统工作时，由上位机通过无线

14、通信模块以串行方式发送控制代码，机器人本体主控软件用来完成与上位机通信、机器人运动控制、全景摄像机控制、机器人本体状态检测、传感信息融合与处理。履带式机器人的人机交互界面采用VC+6.O软件编写，这样便于对机器人的操作。人机界面主要包括机器人运动控制、摆臂姿态控制和视频显示三部分。控制软件主要读取上位机发送的控制指令，并对指令进行解析，进而及时调整两个行走电机、摆臂电机控制参数，向视频分割器、全景相机发送控制指令，并通过串口返回机器人传感信息和状态数据。每个采样周期读取航姿仪、数据采集板、电机转速及状态数据，将滤波处理后的传感器信息与机器人状态数据整合，再发送到上位机进行数据可视化处理。控制软

15、件流程图如图8所示。图8控制系统软件逻辑机器人本体控制软件运行在车载计算机WindOWSXP系统环境中，采用VC+6.0MFC编程环境搭建而成。上/下位机软件界面分别如图9与图10所示。图9控制系统人机界面图10下位机界面2履带式移动机器人运动性能分析2.1攀越能力分析机器人攀越能力定位为机器人刚好能攀越的垂直障碍物的高度10 o对于履带式移动机器人，最大越障能力取决于其重心位置和机器人各项几何参数。在核工业现场，阶梯型障碍是机器人最常见的障碍种类。由于机器人可以通过摆臂来提高重心的位置，故当遇到障碍物时，通过展开摆臂形成一个仰角，并使摆臂前端高于障碍物高度，同时驱动主履带电机，使主履带产生相对转动，从而提高机器人重心，在借助主履带的前移完成越障，为确保机器人在攀越楼梯过程中不至倾翻，机器人的重心应时刻保持在机器人本体的前半部分，机器人攀越楼梯过程如图11所示。为了增强履带式机器人爬梯的自主性，利用机器人车体上的超声波传感器、航姿仪、视觉传感器对楼梯台阶及其几何尺寸、结构形式进行智能感知，以保证爬行过程中车体保持平衡，控制正确的形式和方向，避免与楼梯两侧发生侧碰。因此，机器人爬梯过程中应尽量使车体平行于楼梯台阶边缘，且车体与楼梯两侧保持在一个安全距离内。图11机器人攀越楼梯过程根