中高放管道探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)

黃少榮

（中核四O 四有限公司第四分公司）

核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石。 隨著核能開發(fā)利用的持續(xù)發(fā)展、核安全要求的日益提高和工業(yè)智能技術(shù)應(yīng)用的廣泛拓展， 近年來利用智能機(jī)器人替代人力完成高輻射、高危險(xiǎn)性作業(yè)的案例已屢見不鮮，中高放核輻射環(huán)境下智能作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)也已成為工業(yè)自動化研究的熱點(diǎn)。

為核動力反應(yīng)堆供應(yīng)燃料和其后的所有處理、處置過程的不同生產(chǎn)階段，均存在中高放射性工藝管溝檢修的作業(yè)需求， 尤其是化學(xué)轉(zhuǎn)化、同位素濃縮、核燃料后處理、廢物處理和處置等核工業(yè)廠房。 中高放工藝管道內(nèi)部一般存有高放射性廢液， 含有高劑量的放射性物料和氣溶膠，依靠人工進(jìn)行管溝內(nèi)部泄漏點(diǎn)巡檢、放射性劑量率水平探測、 熱點(diǎn)定位和核素分析的難度極大，且對操作人員有較強(qiáng)的輻射傷害。 目前國外的先進(jìn)核能國家，如英、法、美、俄等國均已開發(fā)了環(huán)境適應(yīng)能力、作業(yè)技術(shù)能力較強(qiáng)的輻射環(huán)境作業(yè)機(jī)器人，用來從事堆內(nèi)檢測、水下焊接及退役處置等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，但受限于國外技術(shù)封鎖和核心產(chǎn)品的貿(mào)易限制，尚不能通過國外引進(jìn)來保證國內(nèi)生產(chǎn)的需要［1］。

鑒于此，筆者針對核工業(yè)中高放射性工藝管道的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)部環(huán)境，結(jié)合管道應(yīng)急檢修和處置準(zhǔn)備的需要，設(shè)計(jì)研制了耐輻照、高通過能力且運(yùn)行平穩(wěn)的輪式管道探測機(jī)器人。

1 工況分析

中高放管道， 一般為含中高放射性水平固體、液體物料流轉(zhuǎn)的通道。 管道內(nèi)壁較為光滑平坦，1%坡度，材料為不銹鋼，內(nèi)部無光源。 管道投運(yùn)后，因接觸具有腐蝕性的高放射性廢液，長時間輸送會對管道造成腐蝕，管道焊縫處存在泄漏的可能性。 此外根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，高放射性沖渣水在管道長時間使用， 會使管道發(fā)生堵塞的情況。若在生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)生上述情況，會影響核燃料生產(chǎn)廠的正常運(yùn)行，需要及時對高放管道進(jìn)行檢修。 如果依靠人員進(jìn)入檢修，需要大面積打開管道活動蓋板，產(chǎn)生大量放射性污染擴(kuò)散；人員需對管道逐步排查， 增大了人員受輻照劑量，耗費(fèi)成本較高。

綜合機(jī)器人運(yùn)行工況分析，設(shè)計(jì)研制的管道探測機(jī)器人， 須適用管道內(nèi)部復(fù)雜的工況環(huán)境，且具備以下功能：

a. 主要任務(wù)。 在管道中進(jìn)行巡檢，檢測管道不同位置放射性劑量率水平，同時對熱點(diǎn)進(jìn)行定位和核素分析。

b. 類型。移動式機(jī)器人，具體底盤運(yùn)動模式，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

c. 通信方式。 不限制有線或無線方式通信，但需要滿足可靠通信的需求。

d. 輔助功能。 實(shí)時照明；前方障礙物輪廓探測及未知環(huán)境地圖構(gòu)建；全景攝像導(dǎo)航。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

探測機(jī)器人工作環(huán)境為管道，內(nèi)壁為鋼敷面方式，從運(yùn)行環(huán)境看屬于典型的結(jié)構(gòu)化管道機(jī)器人范疇。 該運(yùn)行環(huán)境地面較為平坦，無明顯起伏同時轉(zhuǎn)彎半徑較大，不存在90°直角彎，因此對于機(jī)器人運(yùn)行相對比較有利； 管道內(nèi)障礙物較多、空間狹小，需要機(jī)器人具有很高的靈活性，具備原地轉(zhuǎn)向能力，體積小巧；因執(zhí)行探測任務(wù)需要，機(jī)器人應(yīng)具有相當(dāng)?shù)呢?fù)載能力以攜帶相關(guān)裝置抵近進(jìn)行探測；另考慮去污需要，機(jī)器人應(yīng)采用相對易于去污的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于反復(fù)進(jìn)行探測任務(wù)后去污或封閉暫存。

傳統(tǒng)的移動式機(jī)器人平臺主要分為履帶式和輪式平臺。 履帶式平臺具備較強(qiáng)的承載能力和原地轉(zhuǎn)向的高機(jī)動性，適合在崎嶇、松軟的環(huán)境下運(yùn)行，但其缺點(diǎn)為功耗大、易沾污、難以去污、壽命較短；輪式平臺多具有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，機(jī)動性不如履帶式平臺，但功耗小，也更易于去污，但其轉(zhuǎn)向必須伴隨較大的前向位移，在狹窄、擁擠的環(huán)境內(nèi)作業(yè)機(jī)動性往往難以滿足要求［2，3］。

綜合環(huán)境對于平臺的要求，機(jī)器人采用麥克納姆全向輪結(jié)構(gòu)［4］。該結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)輪式平臺，主要在于使用了麥克納姆輪，該輪在垂直于軸線45°的角度上均布了若干紡錘體子輪，且外輪廓保持圓形，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 麥克納姆全向輪結(jié)構(gòu)

輪轂采用高強(qiáng)度鋁合金制作，確保強(qiáng)度的前提下降低重量， 紡錘體子輪采用導(dǎo)電橡膠材料，確保有足夠摩擦力的前提下避免產(chǎn)生靜電從而吸附灰塵造成難以去污。

當(dāng)四輪以特定方向和速度運(yùn)行時， 由于其45°傾斜軸設(shè)計(jì)，使它可以通過對正交速度分量的合成向平面內(nèi)任意方向運(yùn)動或轉(zhuǎn)動，從而具備了全向運(yùn)動的能力， 是機(jī)動性最高的一種底盤結(jié)構(gòu)，其具體工作原理如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪工作原理

平臺的運(yùn)動方向取決于四輪速度的合成，這就要求對每個輪的速度和扭矩具備精確控制的能力。 傳統(tǒng)的全向平臺多見于教學(xué)、機(jī)器人競賽等低強(qiáng)度場合，高強(qiáng)度、高負(fù)載能力、高可靠性的全向平臺并不多見。 同時為滿足核工業(yè)特殊的技術(shù)需求，還需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列定制。

整車采用四麥克納姆輪設(shè)計(jì)，相對常見的三輪設(shè)計(jì)可以提高承載能力。 四輪排布呈前后兩軸平行排布，如圖3 所示。

圖3 四麥克納姆輪布置示意圖

四輪采用獨(dú)立伺服電機(jī)控制，可以精確地控制每個輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩， 從而使車體運(yùn)行精確、平穩(wěn)。

為了提高車體的承載能力，采用一體式車身設(shè)計(jì)，使用車體主框架承受重力，相對傳統(tǒng)的框架式車身剛度更高， 更容易實(shí)現(xiàn)防水等防護(hù)功能。 伺服電機(jī)擬采用空心杯無刷電機(jī)，該類型電機(jī)具有調(diào)速特性優(yōu)異、功率密度高、過載能力強(qiáng)和效率高的優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人系統(tǒng)中。

同時區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)采用軸輸出式行星減速器的方式，筆者創(chuàng)新使用法蘭輸出式行星減速器，其優(yōu)勢在于：由于四輪需要承受車體重量，會產(chǎn)生很大的彎矩，軸輸出式減速器抗彎矩能力較差，同時會增加結(jié)構(gòu)寬度，降低靈活性。法蘭輸出式減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的優(yōu)勢，同時抗彎矩能力更強(qiáng)，比較適合涉核環(huán)境下大負(fù)載機(jī)器人的應(yīng)用。 兩種行星減速器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 兩種行星減速器結(jié)構(gòu)對比

由于設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)整體上為軸對稱且中心對稱結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備安放必須考慮重心和幾何中心的重合， 故將艙體中部安放主控電路板，外圍布置電源系統(tǒng)。

2.2 功能模塊配置

根據(jù)功能需求、機(jī)器人設(shè)計(jì)等多方面因素考慮， 探測機(jī)器人攜帶伽馬相機(jī)等多種探測器，可以獲得管溝內(nèi)多種環(huán)境信息從而對是否發(fā)生事故、事故類型、事故故障點(diǎn)進(jìn)行初步判斷。

2.2.1 核素探測

探測機(jī)器人攜帶多種核探測器，典型的如伽馬相機(jī)、G-M 管等設(shè)備， 以快速對環(huán)境信息進(jìn)行檢測，待檢修作業(yè)或應(yīng)急處置時實(shí)現(xiàn)對熱點(diǎn)或核素種類的源項(xiàng)調(diào)查。

伽馬相機(jī)是一種可探測輻射熱點(diǎn)具體位置、強(qiáng)度甚至核素種類的傳感器，在核工業(yè)各領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。 選用Canberra 伽馬相機(jī)，采用鎢合金準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)， 外殼采用圓柱形鎢合金材料，自帶處理電路，熱點(diǎn)定位和核素能譜分析能力較為突出， 由于其成像原理和提高探測精度的需求，其作業(yè)位置需要盡量接近可能的熱點(diǎn)位置。

機(jī)器人平臺為伽馬相機(jī)提供運(yùn)動平臺、安裝支撐、通信鏈路中繼及能源供給等任務(wù)。

伽馬相機(jī)需要使用俯仰自由度系統(tǒng)，機(jī)器人可加載云臺系統(tǒng)提供俯仰控制。 由于伽馬相機(jī)質(zhì)量較大，在機(jī)器人加速或急停的過程中，會對俯仰傳動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的沖擊，故擬考慮加入電磁抱閘剎車裝置，機(jī)器人運(yùn)動過程中，抱閘裝置通電將俯仰軸鎖死， 當(dāng)云臺有俯仰控制指令時，抱閘松開。 由于伽馬相機(jī)質(zhì)量較大，俯仰所需扭矩和剛度較大，故擬采用諧波減速器作為俯仰驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 諧波減速器具有扭矩大、傳動平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)、軸向尺寸小和減速比大的優(yōu)點(diǎn)，配合盤式伺服電機(jī)，可以在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的扭矩輸出，滿足俯仰相機(jī)的需求。

伽馬相機(jī)俯仰過程中需要對相機(jī)進(jìn)行角度檢測，以防止和機(jī)體發(fā)生干涉碰撞，擬采用絕對位置光電編碼器提供位置信息反饋，該類型編碼器具有高精度的優(yōu)點(diǎn)，角分辨率可達(dá)到0.1°以上。伽馬相機(jī)的固定采用抱緊裝置，和原廠系統(tǒng)采用的固定方式類似，具有較高的可靠性。

2.2.2 定位導(dǎo)航

車體攜帶激光雷達(dá)傳感器，負(fù)責(zé)對前方障礙物輪廓進(jìn)行探測并通過同時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)進(jìn)行未知環(huán)境地圖構(gòu)建，為后續(xù)探測和處理提供依據(jù)。 同時為提高視頻導(dǎo)航效率和準(zhǔn)確率，于機(jī)器人四面安裝4 臺廣角攝像機(jī)，通過視頻拼接方式獲得機(jī)器人周邊360°的全景圖像（圖5），方便操作者掌握全局信息。

2.2.3 系統(tǒng)通信

對于系統(tǒng)通信鏈路，采用無線/有線雙模式進(jìn)行工作， 當(dāng)環(huán)境屏蔽不強(qiáng)或者在室外環(huán)境時，可以采用無線方式提高機(jī)體的靈活性；但是大多數(shù)核設(shè)施內(nèi)均有較強(qiáng)的屏蔽性，無線傳輸距離有限且極不穩(wěn)定，為保證機(jī)器人通信暢通，需要采用有線方式。 傳統(tǒng)的線控采用送線的方式，需要人工操作且存在線纜易被卡死的弊?。?，6］。退役等設(shè)備內(nèi)多障礙物和曲折，很容易發(fā)生線纜卡死的情況，故采用自動送線結(jié)構(gòu)，送線裝置根據(jù)機(jī)器人行走的距離放出等長線纜，并可以檢測線纜的張緊程度保證不會發(fā)生斷裂。 傳輸線纜使用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線傳輸，線纜更細(xì)同時抗干擾能力更強(qiáng)。 光纖送線器樣機(jī)如圖6 所示。

2.2.4 控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)核心電路板由嵌入式工控電腦和多軸控制器組成。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 其中工控負(fù)責(zé)伽馬相機(jī)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)和激光雷達(dá)傳感器的信息處理決策，嵌入式工控電腦負(fù)責(zé)四輪的伺服運(yùn)動控制和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。

圖6 光纖送線器樣機(jī)

嵌入式工控電腦采用體積小、穩(wěn)定性高的研華PC104+系統(tǒng)， 但由于PC104+系統(tǒng)復(fù)雜度較高，因此其耐輻射能力較低，但伽馬相機(jī)后部多道處理電路的信號難以長距離傳輸，因此需要在機(jī)器人就近進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后通過數(shù)字總線方式傳回遠(yuǎn)端控制臺進(jìn)行分析或存儲。 因此具有PC104+系統(tǒng)的電腦必須安裝于機(jī)器人之上，因而控制系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)， 即頂層PC104+電腦負(fù)責(zé)導(dǎo)航和伽馬相機(jī)數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)融合；底層嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人基本運(yùn)動控制，其耐輻照能力更高，當(dāng)頂層電腦發(fā)生故障后，底層依然可以滿足機(jī)器人系統(tǒng)通過遙操作方式進(jìn)行作業(yè)的需求。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

嵌入式系統(tǒng)基于STM32 核心處理器開發(fā)，負(fù)責(zé)向電機(jī)驅(qū)動器轉(zhuǎn)發(fā)指令并進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)。 該控制結(jié)構(gòu)可將伽馬相機(jī)和機(jī)器人控制系統(tǒng)有機(jī)融合，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性。

機(jī)械搭載后需要考慮控制信號和電源系統(tǒng)的搭載，伽馬相機(jī)使用PC 軟件進(jìn)行處理，并使用其專用的數(shù)據(jù)處理器，機(jī)器人攜帶PC104+系統(tǒng)，可運(yùn)行伽馬相機(jī)所需要的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境，若其軟件開放API， 可將結(jié)果實(shí)時傳輸回上位機(jī)觀察，若不開放API，可通過遠(yuǎn)程桌面等方式實(shí)時觀察圖片或讀取數(shù)據(jù)。 伽馬相機(jī)系統(tǒng)所需電源可由機(jī)器人本體電池通過DC/DC 模塊進(jìn)行變壓和濾波后提供。

控制端采用平板電腦作為核心， 使用專用控制手柄進(jìn)行運(yùn)動控制（圖8）?；赪in10 系統(tǒng)開發(fā)可以兼容伽馬相機(jī)的控制軟件， 并可進(jìn)行激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，從而完成環(huán)境地圖構(gòu)建和避障任務(wù)。

圖8 控制器

2.2.5 系統(tǒng)組裝

為便于機(jī)器人的快速檢修和組裝，機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊均為插拔式接口，整體具有較高的自主維修性。 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖9 所示，裝配效果如圖10 所示。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 完成探測機(jī)器人的硬件裝 配、軟件系統(tǒng)組態(tài)，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖9 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圖10 機(jī)器人裝配效果圖

表1 機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的中高放管道探測機(jī)器人，適用于對中高放管道內(nèi)部進(jìn)行巡檢， 完成管道內(nèi)維修、應(yīng)急處置前的源項(xiàng)調(diào)查，為中高放管道檢修方案設(shè)計(jì)和決策提供數(shù)據(jù)支持和判斷。 探測機(jī)器人的應(yīng)用可以直接發(fā)現(xiàn)管道泄漏點(diǎn)，減少對中高放管道的排查，減小人員受輻照的劑量率，降低運(yùn)行成本。