[发明专利]核电站作业多功能执行器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于核电站用机器人设备，特别涉及一种核电站作业多功能执行器及其控制方法。

背景技术

核能发电由于其燃料费用低，大气污染少，产生能量大，受到了世界各国的重视和积极的研发。当前，全世界正在运行的核动力堆已超过440座，总装机容量超过387千兆瓦，核能发电量占总发电量的17％。在我国，党中央、国务院一直高度重视核电事业发展。党的十六大以来，为推进核电事业发展，中央确定了“积极推进核电建设”的方针，国务院成立了核电自主化工作领导小组，审议并通过了《核电中长期发展规划》，提出了到2020年建成核电装机容量4000万千瓦，在建1800万千瓦的目标。这是科学发展观在我国核电建设上的具体体现，也是党中央、国务院为推进节能减排工作，建设资源节约型、环境友好型社会作出的重要部署。

然而，核电站中很多操作都带有放射性，核辐射对人体的伤害也是致命的。在核工业早期，由于维修、保养等认为操作不当，或者由于辐射量过大而无法对设备进行定期检修导致的人员伤亡比比皆是。人们认识到对核设备的远距离操作来代替人为操作的重要性，全世界也掀起了研制核电站机器人的热潮。从四十年代末开始，由美国发明的机械手M1型可实现对放射性物质的操作，避免了人体直接接触；发展到后来的随动机械臂、Odex、Odex2、Odex3型步行机器人，可以实现机械手对设备的大多数操作。近些年来，随着核工业及其他可学技术尤其是自动化与计算机技术的发展，核工业机器人开始朝着自主、智能化发展。

二零一一年三月发生的福岛核电站泄漏事故再一次敲响了人们对核电安全意识的警钟，修建核电站到底该注意什么；定时检修、保养工作是否落实；特别是当设备出现故障，甚至到泄漏等安全问题时候，我们该怎样去做来弥补。这次福岛核事故发生以后，日本政府采取的是用留守的工作人员来关闭机组，主要原因是因为机器人操作可靠性差以及需要采取多台高端机器人同时工作控制稳定性差。当下，针对核设备泄漏进行检修操作的机器人势在必行，其特殊环境特殊操作要求着检修机器人应具有可靠性大、抗干扰能力强、可针对多项任务进行操作的多功能自主智能机器人。核电站作业多功能执行器可实现在核辐射环境下对物体的搜寻、排污、回收、设备检修等多项高危险任务进行一体式操作，若搭载移动平台，便能实现多台移动机器人完成的工作量，具有很高的应用前景

发明内容

为了解决核电站检修机械手单一操作，多机械手无法根据任务自主智能切换和定位检修等问题，本发明设计了一种搭载4个机械手的核电站作业多功能执行器及其控制方法，可在核辐射环境下自主对物体的搜寻、排污、回收、设备检修等多项高危险任务进行一体式操作。

本发明提供的核电站作业多功能执行器采用的技术方案为：

该执行器由固定式底座搭载三关节五自由度机械臂和四个机械手组成。具体为：在底座的前方和尾部分别安装摄像头，底座上表面中部靠前位置安装可旋转的三关节五自由度机械臂；底座上表面的后部安装辐射量测量仪器、湿度及温度传感器、云台摄像机和内置有控制系统的封装盒。

所述三关节五自由度机械臂由腰部、大臂、小臂和腕部组成，腰部与大臂之间由腰关节连接，大臂和小臂之间由肘关节连接，小臂和腕部之间由腕关节连接；腰关节、肘关节以及腕关节上分别设置陀螺仪，用以分别测量三个关节的旋转角度，并在腰关节安装水平仪检测腰部回转角度；在腕关节前端安装超声测距传感器，在腕部侧面安装方形爪盘，由腕部舵机驱动方形爪盘旋转，方形爪盘的轴心位置固定安装双目视觉传感器。

所述方形爪盘的对角线方向安装四个机械手，分别为移动式平动手爪、斜楔式V型手爪、滑块杠杆式三指手爪和扭矩电动扳手；各机械手上分别安装接近觉传感器和触觉及滑觉传感器。

所述的控制系统为由ARMv6架构的ARM11作为主处理器、DSP微处理器作为协同处理器组成的嵌入式系统，协同处理器采用分布式控制方法对传感器数据进行采集，处理，分析和计算；主处理器采用模糊逻辑算法用于实现对机械臂和手腕的避障、动作规划。

所述云台摄像机采用8-10倍光学变焦、3-5倍数字变焦，且带红外感知能力的摄像头，具有旋转、俯仰两个自由度，摄像头旋转的范围是-160°～160°，摄像头俯仰的范围是在-45°～45°。

所述双目视觉传感器采用800万像素、分辨率为1280*1024、5～8倍光学变焦、带红外感知能力摄像头。

所述移动式平动手爪、斜楔式V型手爪以及滑块杠杆式三指手爪各具有旋转和夹持两个自由度，扭矩电动扳手具有一个旋转自由度。