核輻射復(fù)雜環(huán)境下新型智能拆解機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳少南 鄧志燕 劉帥

（中廣核研究院有限公司，深圳，518124）

0 引言

隨著大量早期民用核電反應(yīng)堆陸續(xù)結(jié)束運(yùn)行，全球核工業(yè)預(yù)計(jì)將在未來10～15 年迎來歷史上第一輪退役高潮。退役階段一般包含5 個(gè)步驟：建筑物、系統(tǒng)、設(shè)備去污；系統(tǒng)、設(shè)備拆除；建（構(gòu)）筑物拆毀；場址環(huán)境整治；場址移交/封存監(jiān)護(hù)。在核設(shè)施退役過程中，無論采用立即拆除，還是安全封存一段時(shí)間后再拆除的方式，甚至采用就地處置的方式，均要對待退役核設(shè)施進(jìn)行拆解作業(yè)。此外，新建設(shè)核電站盡管在設(shè)計(jì)階段對可能發(fā)生的意外情況做了預(yù)防和緩解，但由于運(yùn)行設(shè)備的老化和操作失誤等原因，仍有可能引發(fā)嚴(yán)重事故，歷史上發(fā)生的福島核事故、切爾諾貝利核事故及三哩島核事故，對世界核能發(fā)展均產(chǎn)生了重大影響。在嚴(yán)重核事故中會(huì)伴隨著一些爆炸產(chǎn)生，這些爆炸不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞核反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)制造出一些障礙物，阻塞一些關(guān)鍵通道，嚴(yán)重影響后續(xù)的搶險(xiǎn)措施[1-3]。

針對核退役及核應(yīng)急救援工況下的道路清障、放射性污染設(shè)備拆除及搬運(yùn)、重混凝土鉆鑿切割、剪切等重型作業(yè)需求，本文研制一種適應(yīng)核輻射復(fù)雜環(huán)境下的新型拆解機(jī)器人，降低施工人員受輻照劑量，提高作業(yè)效率及智能化程度。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于部分國家的軍用或民用核產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，部分核設(shè)施已退役或正面臨退役，故國外核產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早的國家，其退役技術(shù)也相對成熟和先進(jìn)，開發(fā)了系列的核設(shè)施退役專用設(shè)備。瑞典Brokk 公司積累了近40 年核工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，從1983 年第一臺機(jī)器人用于瑞典R1 反應(yīng)堆退役開始，已有600 多臺Brokk 機(jī)器人用于世界核工業(yè)領(lǐng)域中，在放射性廢物回取和處置、核設(shè)施退役拆除、儲罐拆除和核設(shè)施去污及核事故應(yīng)急救援等方面有廣泛應(yīng)用。在福島核事故中，該公司投入10 臺拆除機(jī)器人用于放射源撿取回收、污染物收集裝桶、瓦礫清除和清障等[4]。

圖1 應(yīng)用于福島核電站的Brokk 800D 重載作業(yè)機(jī)器人

圖2 應(yīng)用于退役熱室及退役試驗(yàn)堆的Brokk 拆除機(jī)器人

瑞典Husqvarna 公司的Hakusubaner（DXR-140 改造品）負(fù)責(zé)事故后的污染物清理去除和固體廢物移動(dòng)工作，并用于福島核電站反應(yīng)堆廠房一層中部的去污作業(yè)。德國TopTec 公司生產(chǎn)的TopTec 系列拆除機(jī)器人，主要用于工業(yè)生產(chǎn)和各類鋼筋混凝土建筑的拆除，芬蘭Avant 公司在原來FINMAC F16 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了Avant Robot185 機(jī)器人，主要用于建筑拆除。

圖3 DXR-140 拆除機(jī)器人（左）及Avant Robot185（右）拆除機(jī)器人

近年來，國內(nèi)企業(yè)在分析并吸收國外產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國工程機(jī)械的實(shí)際，開發(fā)研制了面向建筑拆除等應(yīng)用場景的多功能遙控拆除機(jī)器人，如驚天液壓公司生產(chǎn)的GTC 系列、恒創(chuàng)智能裝備有限公司生產(chǎn)的HCR 系列破拆機(jī)器人[5]。此外，國內(nèi)部分高校及科研院所針對核工業(yè)特殊場景需求，在Brokk 破拆機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行了防輻射設(shè)計(jì)及精細(xì)作業(yè)機(jī)械臂研究[6]。

圖4 驚天液壓（左）及恒創(chuàng)智能裝備公司（右）研制的拆解機(jī)器人

2 新型智能拆解機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 總體介紹

目前國內(nèi)外典型的核退役及應(yīng)急救援拆解機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)底盤，具有較好的路面通過性，操作人員使用操作盒實(shí)現(xiàn)就地操作，作業(yè)機(jī)械臂采用單關(guān)節(jié)控制模式，然而操作靈活性及整機(jī)智能化程度不高，特別是現(xiàn)場環(huán)境通道狹窄、輻照劑量分布不明確、遠(yuǎn)距離無線通信受阻等不利因素均對傳統(tǒng)的拆除機(jī)器人控制模式及作業(yè)效率提出了較大挑戰(zhàn)。

本文以核退役及核應(yīng)急救援復(fù)雜環(huán)境下的重載作業(yè)任務(wù)為目標(biāo)，特別是針對核設(shè)施混凝土破除、金屬設(shè)備切割與拆除、放射性廢物回取與處理等情況，研制一種新型智能拆解機(jī)器人。其設(shè)計(jì)思路是，利用常規(guī)工況下的柴油機(jī)動(dòng)力及應(yīng)急工況下的鋰電池雙動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)常規(guī)動(dòng)力故障失效時(shí)，機(jī)器人通過自檢與借助遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷平臺系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急操作，緊急釋放高放廢物，收回工作臂，駛離放射性場所；考慮到機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性能力，設(shè)計(jì)大負(fù)載變形輪行走裝置結(jié)構(gòu)，其同時(shí)具備輪式機(jī)動(dòng)性和履帶式復(fù)雜路面適應(yīng)性的優(yōu)勢，保證機(jī)器人能適應(yīng)各種路面工況；作業(yè)臂設(shè)計(jì)為三折臂結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)配置傾角傳感器，采用變量柱塞泵電液比例液壓系統(tǒng)，對各液壓缸和液壓馬達(dá)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的多軸聯(lián)動(dòng)和軌跡規(guī)劃控制設(shè)計(jì)；機(jī)械臂末端搭載快換機(jī)構(gòu)配置多種作業(yè)屬具，通過遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械臂與作業(yè)屬具的快速對接，最大程度豐富作業(yè)功能；基于激光雷達(dá)和雙目視覺傳感器融合技術(shù)，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建、動(dòng)態(tài)避障與路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)拆解機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主移動(dòng)。

圖5 具有變形輪移動(dòng)裝置的新型拆解機(jī)器人總圖

2.2 變形輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在嚴(yán)重核事故后，現(xiàn)場存在瓦礫散落、樓梯堵塞、障礙物復(fù)雜多樣且隨機(jī)分布等復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化惡劣環(huán)境，這對應(yīng)急拆解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、越障性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較高的機(jī)動(dòng)性，但移動(dòng)易受地形環(huán)境限制；履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有越野性好、爬臺階、越障性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其能耗大、靈活性差，且工作效率低。故此，本文設(shè)計(jì)一種大負(fù)載輪履復(fù)合式變形輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同地形及工作場景，在輪式及三角履帶式兩種形態(tài)進(jìn)行切換，兼具高機(jī)動(dòng)性、高適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)。

大負(fù)載液壓驅(qū)動(dòng)輪履復(fù)合式變形輪裝置總體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，包括驅(qū)動(dòng)模塊、變速箱以及輪體三部分。其中，驅(qū)動(dòng)模塊為輪體運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力；變速箱進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng)模式切換；輪體為變形輪工作及變形的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可根據(jù)模式切換指令進(jìn)行圓形和三角形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換，直接與地面接觸，并與地面摩擦產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力。

該變形輪工作原理如圖7 所示。機(jī)器人在輪式狀態(tài)時(shí)，輪轂與中心軸連為一體，變形油缸伸出，帶動(dòng)變形瓣將履帶撐開至圓形狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)模塊通過中心軸旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力傳遞至履帶鏈輪，驅(qū)動(dòng)履帶及所有構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人在履帶式行走狀態(tài)時(shí)，輪轂與中心軸分離，變形油缸縮回，帶動(dòng)變形瓣將履帶回縮至三角形狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)模塊通過中心軸旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力傳遞至履帶鏈輪，驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，其他構(gòu)件（輪轂等）保持靜止。

圖7 變形輪工作原理示意圖

為了驗(yàn)證大負(fù)載變形輪的輪履變換能力，筆者搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行變形功能和負(fù)載承受能力測試（如圖8 所示），試驗(yàn)表明，變形輪可穩(wěn)定地在輪式和履帶式之間變換。

圖8 變形輪裝置輪式形態(tài)及三角履帶形態(tài)變換試驗(yàn)測試

2.3 大負(fù)載多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂

核退役及應(yīng)急拆解機(jī)器人機(jī)械臂采用三折臂四自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械臂油缸配置傾角傳感器，回轉(zhuǎn)平臺配置編碼器，實(shí)時(shí)檢測關(guān)節(jié)角度，并通過電液控制系統(tǒng)對各液壓缸及馬達(dá)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)破拆和搬運(yùn)等精細(xì)作業(yè)。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自主運(yùn)動(dòng)控制功能，筆者使用D-H法搭建其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對給定的機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置，使用逆解求出滿足能量最優(yōu)的關(guān)節(jié)角逆解值，再運(yùn)用三次樣條曲線規(guī)劃法，求出每個(gè)采樣時(shí)刻的各液壓關(guān)節(jié)位置、速度和加速度值，進(jìn)而對各油缸及液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)誤差使用PID 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自主運(yùn)動(dòng)控制的目的。

圖9 拆解機(jī)器人作業(yè)空間

圖10 為多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡化圖，根據(jù)液壓缸最大運(yùn)動(dòng)長度和最小運(yùn)動(dòng)長度，可得到機(jī)械臂關(guān)節(jié)角約束模型，其中關(guān)節(jié)角1（）是機(jī)械臂基座回轉(zhuǎn)角，可旋轉(zhuǎn)360°，關(guān)節(jié)角6（）是末端工具旋轉(zhuǎn)角。

圖10 多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂建模

式（1）中的角度參數(shù)見式（2）：

建立拆解機(jī)器人液壓機(jī)械臂的D-H 連桿模型，如圖11 所示，相應(yīng)的連桿參數(shù)表見表1 所示。

圖11 多關(guān)節(jié)液壓機(jī)械臂物理參數(shù)及D-H 連桿模型

圖 12 應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)圖

表1 機(jī)械臂D-H 連桿參數(shù)表

不考慮回轉(zhuǎn)，機(jī)械臂末端執(zhí)行器空間位姿描述為：

已知各個(gè)油缸行程，即各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，具體見公式（1）和公式（2），再根據(jù)式（3）可求得執(zhí)行器的位置及姿態(tài)角，最后采用幾何法迭代求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的各關(guān)節(jié)角的適合解。

該機(jī)器人機(jī)械臂各油缸采用電液比例控制閥進(jìn)行控制，各油缸設(shè)備傾角傳感器由電液比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置的PID 控制。車載激光定位平臺可獲得視覺目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，視覺坐標(biāo)系和機(jī)械臂坐標(biāo)系使用基于回歸模型最小二乘算法進(jìn)行標(biāo)定，可獲得手眼坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)置矩陣。

2.4 雙動(dòng)力平臺設(shè)計(jì)

拆解機(jī)器人采用柴油機(jī)動(dòng)力作為系統(tǒng)主動(dòng)力來源，并配備磷酸鐵鋰電池作為應(yīng)急動(dòng)力源，當(dāng)主動(dòng)力系統(tǒng)因故障失效時(shí)，機(jī)器人通過自檢與借助遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷平臺，自動(dòng)切換至應(yīng)急電池組動(dòng)力系統(tǒng)，操作人員進(jìn)行應(yīng)急操作，如釋放放射性廢物、收回機(jī)械臂、駛離放射性場所，避免應(yīng)急救援事故現(xiàn)場二次事故/損壞發(fā)生。

當(dāng)拆解機(jī)器人控制系統(tǒng)檢測到常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)異常時(shí)，控制邏輯程序輸出接觸器閉合線圈，啟動(dòng)應(yīng)急動(dòng)力電池組，由高壓蓄電池提供動(dòng)力，供直流發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)液壓泵，保證拆解機(jī)器人液壓系統(tǒng)正常工作，應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖12 所示。

同時(shí)，車載控制器實(shí)時(shí)將應(yīng)急狀態(tài)（應(yīng)急電池剩余電量）反饋值遠(yuǎn)端操作界面，應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)處理流程圖見圖13 所示。

圖13 應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)處理流程圖

2.5 拆解機(jī)器人定位與自主導(dǎo)航

筆者考慮到拆解機(jī)器人主要是在建筑物內(nèi)的工作場景，衛(wèi)星信號不穩(wěn)定，因此采用航跡推算并結(jié)合地圖匹配定位法進(jìn)行信息融合，在沒有GNSS 時(shí)也能實(shí)現(xiàn)較小的定位誤差。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由三維激光雷達(dá)、組合慣導(dǎo)、里程計(jì)組成。三維激光雷達(dá)選用Velodyne HDL-32E，這是一款32 線、垂直視場角40°、水平視場角360°的多線激光雷達(dá)，能夠提供高精度的環(huán)境障礙物探測點(diǎn)云數(shù)據(jù)。組合慣導(dǎo)選用NovAtel PwrPak7D-E1，采用GNSS 和INS深耦合組合導(dǎo)航技術(shù)，利用GNSS 數(shù)據(jù)對INS 的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，從而保證位置和姿態(tài)精度。里程計(jì)選用增量式光電編碼器，提供4 個(gè)變形輪的運(yùn)動(dòng)距離信息。

將三維激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮到二維平面，結(jié)合組合慣導(dǎo)和里程計(jì)航跡推算得到的機(jī)器人位置信息，建立和實(shí)時(shí)更新現(xiàn)場環(huán)境地圖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地圖中的定位。根據(jù)已有地圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，通過實(shí)時(shí)的障礙物信息進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障行走。在車體后方安裝毫米波雷達(dá)（ARS408 毫米波雷達(dá)），提供碰撞檢測告警信息，用于在倒車時(shí)彌補(bǔ)三維激光雷達(dá)的視野盲區(qū)。

在Gazebo 仿真平臺下，對拆解機(jī)器人SLAM 算法進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境以及建圖與全局路徑規(guī)劃效果見圖14所示。

圖14 拆解機(jī)器人SLAM 仿真場景搭建及建圖與路徑規(guī)劃效果

2.6 拆解機(jī)器人耐輻照設(shè)計(jì)

拆解機(jī)器人應(yīng)用于核輻射環(huán)境中，具備一定的耐輻射能力，但是還需對機(jī)器人進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)。機(jī)器人系統(tǒng)抗輻射加固設(shè)計(jì)采用屏蔽防護(hù)、系統(tǒng)后置以及電子系統(tǒng)抗輻射加工設(shè)計(jì)等綜合設(shè)計(jì)方法，通過合理規(guī)劃機(jī)器人各功能區(qū)的布局、分布設(shè)計(jì)電路并將部分電子系統(tǒng)進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[7]。這包括抗輻射器件選擇、抗輻射電路設(shè)計(jì)、屏蔽和電子系統(tǒng)后置以及軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)抗輻射加固。同時(shí)，模擬輻射環(huán)境，測量輻射強(qiáng)度和目標(biāo)受損參數(shù)，通過輻射環(huán)境設(shè)置，設(shè)備受損參數(shù)測定以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析等輻射試驗(yàn)，驗(yàn)證加固措施。

圖15 拆解機(jī)器人系統(tǒng)抗輻射加固設(shè)計(jì)方法

2.7 拆解作業(yè)測試

針對核退役及核應(yīng)急現(xiàn)場作業(yè)工況，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)空間有限、操作對象各異、負(fù)荷情況多變等特點(diǎn)，拆解機(jī)器人機(jī)械臂末端配套液壓錘、液壓剪及抓斗等多種模塊化作業(yè)屬具，通過機(jī)液快換裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與作業(yè)屬具機(jī)械和液壓接口的快速自動(dòng)連接，避免人員進(jìn)到危險(xiǎn)區(qū)域現(xiàn)場更換，最大程度地豐富了拆解機(jī)器人的作業(yè)功能。

筆者在測試場地搭建混凝土結(jié)構(gòu)塊、鋼筋、鋼板等，測試拆解機(jī)器人的一鍵式自動(dòng)拆除、遠(yuǎn)程操作剪切及抓斗等功能，順利完成任務(wù)指標(biāo)要求。圖16 和圖17 分別為拆解機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物測試照片。

圖16 拆解機(jī)器人系統(tǒng)整機(jī)圖

圖17 拆解機(jī)器人末端屬具抓、鑿、剪、更換作業(yè)圖

3 總結(jié)

本文針對核退役及核電應(yīng)急救援工況下的大負(fù)載作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種基于變形輪移動(dòng)裝置的新型拆除機(jī)器人，變形輪移動(dòng)裝置可根據(jù)不同地形及工作場景，可在輪式及三角履帶式兩種形態(tài)之間進(jìn)行切換，兼具高機(jī)動(dòng)性、高適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)；通過電液比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)破拆、抓取和搬運(yùn)等精細(xì)作業(yè)；設(shè)計(jì)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)急鋰電池雙動(dòng)力平臺，提高系統(tǒng)在事故工況下應(yīng)急處理的能力；同時(shí)，基于激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)及視覺等多傳感器信息融合，設(shè)計(jì)了拆解機(jī)器人的地圖構(gòu)建及定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的智能化程度；采用屏蔽及核心電氣部件抗輻射加固等綜合設(shè)計(jì)法，進(jìn)行整機(jī)的耐輻射設(shè)計(jì)。最后，通過在試驗(yàn)場地充分測試，基于變形輪移動(dòng)裝置的新型拆除機(jī)器人各項(xiàng)性能指標(biāo)得到有效驗(yàn)證，具備智能化、高效率、安全可靠及環(huán)境高適應(yīng)性。