全自主堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

陳嘉杰, 余 冰, 吳 玉, 董俊杰, 韓 哲, 段星光

(1.中廣核研究院有限公司, 深圳 518000； 2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京 100081)

為了解決核電環(huán)境下的工作和輻射暴露問題[1-2]，近年來，許多機(jī)器人被應(yīng)用在核電站。機(jī)器人的應(yīng)用不僅可以降低人工防護(hù)設(shè)備和管理成本，還可以降低工作人員的輻射劑量和勞動強(qiáng)度。例如，先鋒機(jī)器人公司(RedZonerobotcompany)擁有6個自由度(DOFs)手臂，是一輛電動履帶式車輛，用于再處理核事故[3]；抗輻射機(jī)器人RaBOT(JAERI機(jī)器人公司)是一個雙臂移動機(jī)器人，配備了7個電荷耦合裝置(CCD)攝像頭[4]，它可以在105Sv(劑量當(dāng)量)的輻射場下工作，完成開關(guān)閥、樣品采集；PackBot機(jī)器人(美國iRobot公司)的目的是檢測工作狀態(tài)，分析并記錄參數(shù)[5]，此外，還可提供自調(diào)傾卸功能、自恢復(fù)通信和全球定位系統(tǒng)(GPS)定位；跨世界反應(yīng)堆容器檢測系統(tǒng)(TWS)(法國阿海琺公司)包括機(jī)器人、超聲相控陣模塊和分析系統(tǒng)，是反應(yīng)堆壓力容器的通用檢測工具。此外，其他機(jī)器人也被用于核電站的復(fù)雜環(huán)境中[6-8]。

在核電廠的維護(hù)期間，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的入口和出口是用堵板堵住的，且堵板是按照40°傾斜角來擺放的，這樣做是為了保護(hù)維護(hù)人員并確保其他蒸汽發(fā)生器的正常工作。現(xiàn)在，蒸汽發(fā)生器入口和出口的密封件使用橡膠充氣膠囊和鋁制擋板。鋁制擋板分為3部分，方便攜帶，并附有14個螺栓以便與蒸汽發(fā)生器連接。工作人員從孔洞將鋁制擋板逐一送入蒸汽發(fā)生器，并且將橡膠充氣囊裝在蒸汽發(fā)生器的入口處。這樣，工作人員就可以使用安裝攝像機(jī)的長緊固工具將螺栓從孔洞中緊固。此過程花費(fèi)大量時間來操作螺栓，并且工作人員還將長時間暴露于放射性環(huán)境(輻射劑量率為100 rad / h)中[9-10]。綜上所述，中外相關(guān)研究在特殊環(huán)境下自動化機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)取得了較好的成果。但考慮到核環(huán)境下的特殊性，比一般的環(huán)境更為復(fù)雜，定位難度更大；并且操作空間受限，開發(fā)設(shè)計一種核輻射環(huán)境下機(jī)器人全自動操作系統(tǒng)刻不容緩，且具有一定的挑戰(zhàn)性。

基于此，提出一種基于視覺引導(dǎo)的全自主堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)作為蒸汽發(fā)生器內(nèi)部螺栓操作工具，針對螺栓位置在堵板上分布不均勻、相鄰兩個螺栓之間的夾角不相同的問題，采用攝像機(jī)獲取螺栓位置，采用兩個機(jī)器人末端來抓取堵板和擰螺栓，以期降低勞動強(qiáng)度和照射時間，可靠、自動完成操作。

1 機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人總體設(shè)計思路

根據(jù)功能需求，將全自主堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)分為操作機(jī)器人和末端執(zhí)行器。如圖1所示，機(jī)器人作為系統(tǒng)載體完成了蒸汽發(fā)生器中螺栓的固定。由于工作空間的限制，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，安裝快捷，安全可靠?？紤]到螺栓的緊固作用，操作機(jī)器人使用了典型六旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。因此，機(jī)器人由6個關(guān)節(jié)，前3個關(guān)節(jié)調(diào)整工具位置，另3個關(guān)節(jié)確定工具姿態(tài)。

圖1 堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 The blocking plate operates the robot system

首先根據(jù)分析機(jī)器人的工作位置與姿態(tài)需求，決定其需要的自由度數(shù)，借鑒相關(guān)工業(yè)抓取機(jī)器人決定其整體的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方式。然后通過包絡(luò)法來初步分析其工作空間，確定大臂與小臂的長度。最后按照負(fù)載大小從末端向前一關(guān)節(jié)進(jìn)行所需驅(qū)動力矩計算，選好電機(jī)與減速器型號后對整體進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計好一個關(guān)節(jié)之后再計算設(shè)計下一個關(guān)節(jié)，從而在計算所需驅(qū)動力矩時可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。機(jī)器人本體如圖2所示。

圖2 機(jī)器人本體Fig.2 Robot

1.2 機(jī)器人運(yùn)動方案設(shè)計

機(jī)器人的自由度為6，一般工業(yè)機(jī)器人可以分為大臂、小臂、手腕3個部分。其中大臂和小臂主要用于定位，手腕部分通常有3個自由度用于空間姿態(tài)的調(diào)整。手臂和手腕之間是相互影響的，即位置和姿態(tài)之間存在相互關(guān)系，兩者相互影響。不同于普通的抓取(一般抓取負(fù)載不會太大，此次負(fù)載要求25 kg)，由于操作空間受限，而且負(fù)載要求較大，因此要有較好的穩(wěn)定性和一定的剛度要求。

1.3 機(jī)器人系統(tǒng)工作流程

首先懸掛在蒸汽發(fā)生器里面的操作機(jī)器人使用抓取工具安裝堵板，由于堵板的安裝偏差，堵板的每個螺栓位置對機(jī)器人都是不確定的。圖像識別系統(tǒng)通過對安裝在機(jī)器人手臂上的攝像機(jī)圖像進(jìn)行處理，使攝像機(jī)與阻擋板表面保持恒定的距離，從而獲得螺栓中心坐標(biāo)值。然后將中心坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的中心坐標(biāo)傳遞給模板操作機(jī)器人，最后操作機(jī)器人將末端快換成扭矩扳手完成對螺栓的擰緊操作。

2 末端機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計

因為作業(yè)要求，操作機(jī)器人要將堵板搬運(yùn)到指定位置，在此過程中，機(jī)器人需要一個穩(wěn)定、可靠、緊湊的抓取機(jī)構(gòu)。磁性吸盤具有小巧、輕便、載荷大等特點，對于當(dāng)前環(huán)境具有很高的適合性，又由于需要進(jìn)行末端的快換，所以設(shè)計定位銷保證定位，用磁吸來保證與其他零件的連接。抓取機(jī)構(gòu)和快換裝置裝配體如圖3所示。

圖3 抓取機(jī)構(gòu)和快換裝置裝配體Fig.3 Grab mechanism and quick change device assembly

抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計原則是輕便、穩(wěn)定、緊湊，所以采用對稱的設(shè)計原則將電器接口設(shè)計在中心的位置，定位銷在不產(chǎn)生干涉的前提下緊挨著電器接口分布在其兩側(cè)。因為在抓取堵板時需要很好的穩(wěn)定性，所以將磁吸放在了整個機(jī)構(gòu)的最外端，防止堵板轉(zhuǎn)動而掉落。抓取機(jī)構(gòu)如圖4所示。整個機(jī)構(gòu)分為兩層，上面一層是用于快換的磁性吸盤，下面一層是用于抓取的磁性吸盤?？鞊Q裝置如圖5所示。磁吸的作用主要是通電后吸附住與他連接零件，整個系統(tǒng)一共4個磁吸，快換裝置和抓取機(jī)構(gòu)各有2個。磁吸如圖6所示，堵板抓取裝配圖如圖7所示。

圖4 抓取機(jī)構(gòu)Fig.4 Grab mechanism

圖5 快換裝置Fig.5 Quick change device

圖6 磁吸Fig.6 Magnet

圖7 堵板抓取裝配圖Fig.7 Block plate grab assembly

2.2 擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖像識別系統(tǒng)完成對螺栓的定位得到螺栓的位置后，就需要擰緊機(jī)構(gòu)完成對螺栓的固定操作。此機(jī)構(gòu)設(shè)計時考慮到機(jī)器人的工作空間受限，所以機(jī)構(gòu)的設(shè)計整體沿著機(jī)器人法蘭盤的軸線，通過伺服電機(jī)加減速器給機(jī)構(gòu)提供扭矩，使用皮帶輪傳遞扭矩，最后使用類內(nèi)六角裝置完成螺栓的固定。螺栓擰緊機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 擰緊機(jī)構(gòu)Fig.8 Device of tighten

3 螺栓自主識別

圖像識別系統(tǒng)的目的是采集圖像、定位螺栓位置。首先要分割出螺栓所在區(qū)域，然后在螺栓所在區(qū)域找到螺栓。目標(biāo)識別過程的核心是決策算法的研究，如人眼在識別物體過程中主要依靠人的主觀經(jīng)驗進(jìn)行分析判斷，而研究目標(biāo)識別算法的目的就是模擬人腦通過研究獲取圖像后的該決策過程，自動識別目標(biāo)。螺栓識別算法流程如圖9所示。根據(jù)流程得到螺栓上表面輪廓，也就是得到曲線上所有像素點的坐標(biāo)，就可以求出圓心點像素坐標(biāo)和圓半徑。螺栓識別結(jié)果如圖10所示。

圖9 螺栓識別算法流程圖Fig.9 Flow of bolt identification algorithm

圖10 螺栓識別結(jié)果Fig.10 Bolt identification results

4 標(biāo)定算法

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，特別是穩(wěn)定性以及精度要求，采用九點法進(jìn)行手眼標(biāo)定，以得到相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖11所示。

圖11 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.11 Transformation relation of coordinate system

九點標(biāo)定法就是通過9個同源點建立相機(jī)和機(jī)械手之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。同源點就是空間中同一個點在不同坐標(biāo)系下的不同表示。

算法的步驟就是讓機(jī)器人分別觸碰得到這9個點在機(jī)器人坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后還要計算得到這9個點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這樣得到了9組對應(yīng)的坐標(biāo)。具體算法如下。

首先要得到相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系，即

(1)

式(1)中：(xr，yr)、(xc，yc)分別表示機(jī)器人坐標(biāo)系下和相機(jī)坐標(biāo)系下的(x，y)坐標(biāo)值；R為最終齊次矩陣的旋轉(zhuǎn)矩陣；P為最終齊次矩陣的位移矩陣。

將式(1)轉(zhuǎn)換為

(2)

通過式(2)可得知至少需要3個點才能求出轉(zhuǎn)換的矩陣，但實際使用了9個點，這是因為雖然3個點就能得到轉(zhuǎn)換矩陣，但是越多點求解，最后的矩陣精度就越高。當(dāng)然這不是越多點求解越好，當(dāng)點越多計算量也就越大，所以需要根據(jù)實際情況選擇點數(shù)。

5 機(jī)器人末端功能測試

5.1 抓取堵板實驗

為驗證抓取末端的可行性和穩(wěn)定性，進(jìn)行抓取堵板的實驗驗證。但因為沒有相應(yīng)的核輻射環(huán)境，所以實驗中只進(jìn)行末端功能測試，將手持抓取末端進(jìn)行式樣。因為堵板被分成了3塊，所以每次堵板只需要抓取1/3的堵板即可，每塊堵板凈重25 kg，長865 mm，寬292 mm，抓取末端凈重1.25 kg，長240 mm，寬45 mm，高60 mm。

測試過程如圖12所示。單個磁吸的吸附力是25 kg，現(xiàn)有2個磁吸，抓取力一共50 kg，單片堵板凈重25 kg，該抓取手抓有吸附力的冗余。

圖12 抓取堵板實驗Fig.12 Experiment of grab the plugging plate

實驗證明該結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡潔，定位快速，具有良好的魯棒性，能夠達(dá)到抓取的目的。

5.2 擰螺栓實驗

實驗中，以堵板操作機(jī)器人作為平臺，擰緊機(jī)構(gòu)凈重2.5 kg，長240 mm，寬130 mm，高320 mm。工業(yè)相機(jī)使用BASLER相機(jī)，型號acA2440-20gc，分辨率為2 448×2 048，水平垂直像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm。

在進(jìn)行機(jī)器人標(biāo)定時，先要固定好機(jī)器人與相機(jī)的相對位置，然后進(jìn)行機(jī)器人標(biāo)定。若兩者的相對位置發(fā)生變化，則要重新標(biāo)定。

利用上文提到的標(biāo)定算法計算得到齊次轉(zhuǎn)換矩陣T為

采集多幅圖像后進(jìn)行定位圓心實驗驗證，進(jìn)行螺栓擰緊測試，如圖13所示。從圖像中提取螺栓中心坐標(biāo)值，這一步對整個機(jī)器人系統(tǒng)起著決定性的作用。在實驗過程中，光線對螺栓中心坐標(biāo)值的獲取有影響，特別是在無光線的夜晚。由于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的光線不夠，所以在攝像機(jī)周圍安裝LED光源，可以提供足夠的光線來改善視覺系統(tǒng)。該相機(jī)是防輻射的，可以在真實環(huán)境中測試。為了測試螺栓中心值提取的效率，在機(jī)器人移動到一定位置后，對圖像進(jìn)行捕獲并提取中心值，重復(fù)提取約10次。結(jié)果表明，每次都能得到中心坐標(biāo)值，并且擰緊螺栓。在未來，將嘗試在輻照環(huán)境下的實驗來驗證全自主堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)。

圖13 擰螺栓實驗Fig.13 Experiment of fasten bolt

6 結(jié)論

提出了一種基于視覺引導(dǎo)的蒸汽發(fā)生器全自主堵板操作機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為操作機(jī)器人和末端執(zhí)行器。為實現(xiàn)較高的定位精度和安全運(yùn)行，選擇合理的硬件配置，研究圓心定位算法，優(yōu)化螺栓運(yùn)行。提出了全自動的控制方法，以提高自動運(yùn)行和人工干預(yù)。此外，還研究了在該過程中提取螺栓中心坐標(biāo)值的識別算法。最后通過定位精度實驗驗證了機(jī)器人系統(tǒng)的有效性。由于場地的限制，實驗沒有在核環(huán)境下進(jìn)行，存在一定的局限性，下一步計劃在核環(huán)境下進(jìn)行實驗，以驗證實驗結(jié)果的可靠性。