反應(yīng)堆壓力容器六軸機(jī)器人檢測系統(tǒng)的研究

魏文斌，汪千強(qiáng)

（1.山東核電有限公司，山東 265116；2.江西工程學(xué)院，江西 338029）

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器和壓力容器頂蓋是核電站的重要部件，是作為防止回路放射性物質(zhì)泄漏的屏障之一，承受著回路冷卻劑的高溫、高壓和高放射性的作用，壓力容器的密封面上通常會存留一些粉塵和劃痕，會影響壓力容器的密封性能，在核電站役前和在役期間均需要進(jìn)行必要的無損檢驗(yàn)。由于工況的特殊性，人員無法進(jìn)入壓力容器內(nèi)部或頂蓋下方進(jìn)行檢查，同時出于無損檢測重復(fù)性及穩(wěn)定性的需要，針對壓力容器及頂蓋的檢查，設(shè)計(jì)了一種在末端攜帶檢測探頭的六軸機(jī)械手，對反應(yīng)堆壓力容器和壓力容器頂蓋進(jìn)行周期性自動檢查。

該機(jī)械手具有六個自由度，分別是沿壓力容器圓周方向的運(yùn)動、軸向運(yùn)動以及各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。設(shè)計(jì)為長度可伸展以適應(yīng)不同直徑的容器檢測。

圖1 機(jī)械手示意圖

圖2 機(jī)械手末端攜帶不同類型掃查器檢測不同區(qū)域的狀態(tài)圖

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自主化控制系統(tǒng)主要用于六軸機(jī)械手的運(yùn)動控制，以滿足反應(yīng)堆壓力容器及頂蓋的檢測需要。該系統(tǒng)分為三大模塊：上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)、軟硬件平臺接口系統(tǒng)[1～3]。

軟件運(yùn)行構(gòu)架如圖3所示，上位機(jī)系統(tǒng)主要根據(jù)鍵盤鼠標(biāo)的輸入，指定機(jī)械手要達(dá)到的位置，通過運(yùn)動學(xué)分析模塊把各個關(guān)節(jié)的控制信號傳給機(jī)械手控制器，以此來控制機(jī)械手運(yùn)動，同時通過仿真模擬模塊直接輸入機(jī)械各軸的位姿來模擬機(jī)械手的運(yùn)動狀態(tài)。六軸機(jī)械手在指定空間范圍內(nèi)的連續(xù)動作以實(shí)現(xiàn)各種掃查功能，上位機(jī)用戶界面提供實(shí)時狀態(tài)反饋和機(jī)械手三維姿態(tài)；下位機(jī)系統(tǒng)通過采集傳感器信號，傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到輸出信號，由驅(qū)動電機(jī)帶動整個機(jī)械手。接口系統(tǒng)將機(jī)械手各個電機(jī)的位姿信息提供給運(yùn)動控制模塊和仿真模塊，仿真模塊處理信息后將機(jī)械手的三維位姿情況顯示在人機(jī)交互界面[4～6]。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，上位機(jī)系統(tǒng)框架分為三個部分：機(jī)器人執(zhí)行與仿真環(huán)境生成子系統(tǒng)、機(jī)器人執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)和基于ROBCAD的人機(jī)交互界面子系統(tǒng)。一般ROBCAD采用HP UX 10.10操作系統(tǒng)，軟件控制平臺為ROBCAD7.1，系統(tǒng)運(yùn)行界面是通過定制過的ROBCAD的用戶界面。但本系統(tǒng)中上位機(jī)軟件控制部分是基于ROBCAD平臺集成的，將現(xiàn)有的應(yīng)用移植到Windows環(huán)境中，復(fù)制現(xiàn)有的各種業(yè)務(wù)邏輯，并建立和下位機(jī)的通訊，對現(xiàn)有的設(shè)備控制進(jìn)行集成[7]。

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)框架圖

1.1.1 機(jī)器人執(zhí)行與仿真環(huán)境生成子系統(tǒng)

1）設(shè)備幾何模型系統(tǒng)

包括核電設(shè)備和機(jī)器人幾何模型，導(dǎo)入為ROBCAD接受的格式IGES，STEP格式。建立幾何模型轉(zhuǎn)換器，用來轉(zhuǎn)換通用的幾何模型，設(shè)置模型的質(zhì)量屬性、關(guān)節(jié)、材質(zhì)等特征。

2）軌跡點(diǎn)生成系統(tǒng)

利用ROBCAD環(huán)境，在ROSE API環(huán)境下根據(jù)路徑規(guī)劃算法動態(tài)生成機(jī)器人需要執(zhí)行的軌跡點(diǎn)。其中路徑規(guī)劃（path planning）算法是通過ROBCAD找到無干涉，并能完成任務(wù)的路徑點(diǎn)。生成一系列運(yùn)動連續(xù)的參考點(diǎn)，以發(fā)送到控制器驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。即通過路徑規(guī)劃找到一系列要經(jīng)過的路徑點(diǎn)，這些點(diǎn)只是空間中的一些位置，或者關(guān)節(jié)角度，通過ROBCAD軌跡規(guī)劃確定怎么走，走多快，它需要賦予這條路徑以時間信息。本項(xiàng)目對于路徑規(guī)劃，采用RRT、PRM以及他們的各種改進(jìn)算法。軌跡規(guī)劃采用ROBCAD的S型規(guī)劃等優(yōu)化算法，保證時間最優(yōu)，能量最小等方法規(guī)劃求解。

表1 機(jī)器人執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)

1.1.2 人機(jī)交互界面子系統(tǒng)

ROBCAD軟件在Unix環(huán)境下開發(fā)的，盡管有windows版本，ROBCAD系統(tǒng)仍然是Unix的Motif界面，在Exceed虛擬機(jī)上運(yùn)行?；谟脩艚涌谡Z言ROBULL，采用OSF-Motif標(biāo)準(zhǔn)。

對ROBUIL提供的界面對象以及回調(diào)函數(shù)工具箱，用戶通過界面對象可以設(shè)計(jì)自定義的應(yīng)用程序。

1.2 軟硬件接口平臺設(shè)計(jì)

如圖5所示，機(jī)器人執(zhí)行命令接口分為4部分：

1）控制指令集定義與生成：采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人語言來定義，以滿足擴(kuò)展，包括運(yùn)動、信號處理、流程控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、文件管理、數(shù)據(jù)編輯等指令；

2）通信協(xié)議：采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP接口來實(shí)現(xiàn)；

3）控制指令生成：根據(jù)軌跡路徑、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)對軌跡進(jìn)行離散，生成控制指令集；

4）生成的指令校驗(yàn)：根據(jù)設(shè)置的校驗(yàn)碼進(jìn)行指令校驗(yàn)，以防功能性故障。

圖5 機(jī)器人執(zhí)行命令接口

如圖6所示，機(jī)器人檢測監(jiān)控接口分為4部分：

1）控制原始目標(biāo)定義：對待檢測目標(biāo)進(jìn)行空間建模，轉(zhuǎn)換到實(shí)際坐標(biāo)系進(jìn)行融合。并繪制目標(biāo)預(yù)計(jì)軌跡和控制精度；

2）通信協(xié)議：標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議；

3）機(jī)器人位姿讀取同步器：基于固定幀，實(shí)現(xiàn)定間隔對機(jī)器人裝置的各種位姿信號進(jìn)行同步掃描，滿足實(shí)時可控?cái)?shù)據(jù)同步；

4）狀態(tài)比對：根據(jù)讀取的信息，通過ROBCAD中建立的仿真模型實(shí)時復(fù)演比對，實(shí)現(xiàn)誤差顯示，可以完成實(shí)時精度補(bǔ)償。

圖6 機(jī)器人檢測監(jiān)控接口

2 六軸機(jī)器人笛卡爾路徑規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)對六軸機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡按預(yù)設(shè)軌跡動作，需要對機(jī)器人進(jìn)行末端直線和圓弧路徑規(guī)劃[8,9]。為保證檢測質(zhì)量，機(jī)器人的末端除了沿軌跡線運(yùn)動外，還需確保檢測頭始終垂直于當(dāng)前點(diǎn)的法線方向。為此需要對機(jī)器人進(jìn)行六自由度路徑規(guī)劃，確保機(jī)器人的位置和姿態(tài)滿足任務(wù)需求。

2.1 位置規(guī)劃

2.1.1 直線路徑規(guī)劃

為保證機(jī)械臂末端運(yùn)動的平滑性，機(jī)械臂末端按圖7所示的梯形速度曲線運(yùn)動。

圖7 梯形速度曲線

1）確定加速時間tA：

式中，vel是預(yù)定的末端速度，acc是預(yù)定的末端加速度。

2）求插補(bǔ)直線長度：

如果起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別用Ps和Pf表示，則兩點(diǎn)間的距離為：

（1）修訂速度軌跡曲線：

（2）確定每次運(yùn)動的步長

采用定時插補(bǔ)，插補(bǔ)周期為T，則插補(bǔ)次數(shù)為：

根據(jù)圖6中的梯形速度曲線，可以計(jì)算出第k次插補(bǔ)時走過的位移：

則下一步的位置為：

2.1.2 圓弧路徑規(guī)劃

給定圓弧起始點(diǎn)Ps、終止點(diǎn)Pf以及與Ps和Pf不共線的路經(jīng)點(diǎn)Pm，可以確定空間上的一條圓弧。以圓弧的圓心為原點(diǎn)，圓心指向起始點(diǎn)Pf為X軸，圓弧所在平面的法線為Z軸建立坐標(biāo)系O*-X*Y*Z*，如圖8所示。

圖8 圓弧路徑規(guī)劃

將Ps、Pf和Pm轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系O*-X*Y*Z*中，得到平面上的點(diǎn)Ps*、Pf*和Pm*，求出此時的圓心角，如圖9所示。

圖9 平面上的圓弧

則圓心角θ為：

圓心角θ按圖7中的梯形速度曲線變化，根據(jù)上面式(6)計(jì)算第k次插補(bǔ)時的圓心角，進(jìn)而可得到坐標(biāo)系O*-X*Y*Z*中機(jī)器人末端的坐標(biāo)。將此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中，得到機(jī)械臂末端在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

2.2 姿態(tài)規(guī)劃

采用單位四元數(shù)來表征機(jī)器人末端姿態(tài)并進(jìn)行姿態(tài)的規(guī)劃。單位四元數(shù)的形式為，其中：

由式(9)可以很方便地求出轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)軸方向，然后就可以根據(jù)上面式(1)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)已經(jīng)在山東海陽核電站的“核電站反應(yīng)容器機(jī)器人檢測”的項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。系統(tǒng)最大掃描速度為120mm/S，機(jī)械手末端可以驅(qū)動15KG的端部效應(yīng)器，負(fù)載為16kg，絕對位置重復(fù)精度為±0.95mm，累計(jì)位置精度±5.5mm，可以根據(jù)法規(guī)及實(shí)際檢查需要，通過相應(yīng)參數(shù)選擇和設(shè)定實(shí)現(xiàn)壓力容器各檢查部位的掃查路徑生成，并可實(shí)現(xiàn)掃查路徑的單步、連續(xù)、中斷續(xù)檢等過程控制。核電站的應(yīng)用，充分通過實(shí)踐驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及實(shí)用性。

圖10 反應(yīng)容器內(nèi)機(jī)械手模型

圖11 系統(tǒng)掃描軌跡生成

4 結(jié)束語

本文綜合考慮核電站反應(yīng)堆壓力容器檢測機(jī)器人在機(jī)械部分、電氣控制和探測儀器等諸多因素，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆壓力容器六軸機(jī)器人檢測控制系統(tǒng)。該檢測控制系統(tǒng)的基本功能、可靠性、安全性和技術(shù)指標(biāo)已滿足核電站工程應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際檢測要求，提高了反應(yīng)堆壓力容器無損檢測的重復(fù)性以及穩(wěn)定性，達(dá)到了良好的效果，由此可見，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步的適應(yīng)于各種特殊的核環(huán)境，有較大的普適性跟推廣價值。