托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)大廳移動輻射監(jiān)測機(jī)器人設(shè)計(jì)

吳 斌，楊 振，吳欣揚(yáng)，陳玉慶，李 軍，謝遠(yuǎn)來，胡純棟

(1.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031； 2.安徽省合肥市第九中學(xué)，安徽 合肥 230001)

聚變能是最具希望解決人類未來能源需求的終極能源，托卡馬克磁約束聚變裝置則最有可能實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用。在托卡馬克裝置運(yùn)行期間，高溫聚變等離子體會產(chǎn)生大量的聚變中子、 γ射線以及高能硬 X 射線輻射，確保周邊環(huán)境和人員的電離輻射安全是聚變能開發(fā)研究中的重要環(huán)節(jié)。全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置(experimental advanced superconducting tokamak, EAST )是我國獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造，并于2005年成功投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行[1-3]。主要開展氘等離子體放電實(shí)驗(yàn)，每年運(yùn)行4～6個月。采用脈沖放電運(yùn)行模式，每個脈沖持續(xù)時間約10 s(長脈沖運(yùn)行模式已超過400 s)，每天約進(jìn)行100次脈沖放電實(shí)驗(yàn)。除托卡馬克裝置本身歐姆場加熱外，已建成的輔助加熱系統(tǒng)還包括低雜波(lower hybrid wave, LHW,源功率10 MW)、離子回旋(ion cyclotron resonance heating, ICRH, 源功率12 MW)、電子回旋共振(electron cyclotron resonance heating, ECRH,源功率1 MW)和中性束注入(neutral beam injector, NBI,源功率8 MW)加熱系統(tǒng),已實(shí)現(xiàn)等離子體電子溫度超過一億度，密度大于5.0×1019m-3，以及100 s以上的高約束模放電。

EAST 裝置放電運(yùn)行時會有多種射線產(chǎn)生。在高功率 NBI 注入加熱情況下， D-D聚變中子產(chǎn)額已超過1.0×1014s-1。在低密度、逃逸以及放電破裂時，高能逃逸電子會與裝置器壁發(fā)生厚靶韌致輻射，產(chǎn)生能量高達(dá)10 MeV以上的硬X射線。高能硬X射線與裝置結(jié)構(gòu)材料發(fā)生光核反應(yīng)，也會產(chǎn)生大量的光致中子。除了高溫等離子體內(nèi)部核反應(yīng)過程產(chǎn)生的γ射線外，中子在輸運(yùn)過程中與外圍結(jié)構(gòu)材料發(fā)生非彈性散射或俘獲反應(yīng)也會產(chǎn)生大量的γ射線。為防止實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各種射線對周邊環(huán)境和實(shí)驗(yàn)人員造成影響，EAST主機(jī)大廳四周采用1.5 m厚的混凝土屏蔽墻，頂部混凝土屏蔽層也達(dá)到1 m。人員以及設(shè)備通道大門均采用1.5 m 厚的屏蔽水門[4]。可注入含硼水，進(jìn)一步吸收慢化后的熱中子。在 EAST 裝置大廳及周邊實(shí)驗(yàn)場所的敏感區(qū)域，安裝了13 組中子、γ劑量率在線實(shí)時監(jiān)測儀，對等離子體放電期間以及實(shí)驗(yàn)間隙期的輻射劑量率進(jìn)行連續(xù)測量[5]。為確保實(shí)驗(yàn)場所和職業(yè)人員的輻射劑量安全，還布設(shè)了累積式劑量計(jì)，對中子、γ總輻射劑量進(jìn)行被動累積測量[6]?；诹喴苿泳仍畽C(jī)器人底盤，研制EAST實(shí)驗(yàn)大廳移動輻射監(jiān)測機(jī)器人，搭載X、γ輻射在線監(jiān)測儀，機(jī)器人可利用同步定位與建圖技術(shù)(SLAM)構(gòu)建環(huán)境地圖自主移動或通過高清圖像遠(yuǎn)程控制，將輻射劑量超閾聲光和實(shí)時劑量率發(fā)送給控制大廳內(nèi)的上位機(jī)。此外，移動輻射監(jiān)測機(jī)器人可以對EAST裝置大廳內(nèi)進(jìn)行連續(xù)巡視監(jiān)測，及時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巡測路徑上的劑量率異常，向周圍附近的工作人員發(fā)出警示報(bào)警，確保周邊工作人員的輻射劑量安全。

圖1 移動式輻射監(jiān)測設(shè)計(jì)原理Fig.1 Principle of mobile radiation monitoring

1 設(shè)計(jì)原理

移動式輻射監(jiān)測設(shè)計(jì)原理示于圖1。為實(shí)時了解不同場所的輻射劑量率，以此判斷維修方案與現(xiàn)場滯留時間，利用移動機(jī)器人攜帶中子光子現(xiàn)場輻射劑量儀，同時搭載采集周圍環(huán)境圖像信息的高清圖像采集系統(tǒng)，將采集的位置信息與輻射劑量率值通過網(wǎng)絡(luò)或RS485通訊協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，便于控制人員及時了解大廳內(nèi)不同位置、不同時刻的輻射劑量率。

2 結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動輻射監(jiān)測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示于圖2。機(jī)器人由車體、機(jī)械臂、車載電子設(shè)備組成。車體包括車架、懸架、車輪、車廂等部件組成。車體采用六輪驅(qū)動，并采用了大扭矩的電機(jī)驅(qū)動。

圖2 移動輻射監(jiān)測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of mobile radiation monitoring robot

移動輻射監(jiān)測機(jī)器人在復(fù)雜的地形下有較強(qiáng)通過能力。移動機(jī)器人通常采用履帶式或輪式底盤，履帶式底盤與地面接觸面積大，在不平地面上性能較好，穩(wěn)定性強(qiáng)，越障性能優(yōu)越，但速度不如輪式快，且能量損耗大，綜合考慮輪式底盤在一定程度上可以滿足全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置(EAST)大廳地面境對機(jī)器人的要求。機(jī)器人的車輪設(shè)計(jì)減震彈性懸掛系統(tǒng)，安裝橡膠海綿充氣輪胎，在減震彈簧作用下，車輪盡可能與地面接觸，提供有效的驅(qū)動力。采用六輪驅(qū)動，相對于四輪驅(qū)動的機(jī)器人，六輪驅(qū)動的機(jī)器人由于驅(qū)動輪數(shù)目多，即使有少數(shù)車輪懸空，仍會有足夠數(shù)目的車輪可以提供抓地力，可以有效提高在復(fù)雜地形下的通過能力[6-8]。

車架采用箱式車架，分3段安裝6個獨(dú)立懸架。懸架采用獨(dú)立懸架，每一側(cè)的車輪可以單獨(dú)通過彈性阻尼懸架與車架連接，兩側(cè)車輪可以單獨(dú)跳動，互不影響，保證車輪在復(fù)雜地形下有效接觸地面，提供可靠的抓地力，以提高機(jī)器人在現(xiàn)場的通過能力。懸架由懸臂和彈性阻尼減震器組成，懸架通過軸承和防松螺母與車架連接，保障懸架系統(tǒng)可靠工作。減震器帶有彈簧和液壓阻尼，并可以調(diào)節(jié)減震器的彈性，以適應(yīng)不同的路況要求。車輪由輪胎、輪輞以及聯(lián)軸器組成。輪胎選用86 mm橡膠海綿輪胎。直徑較大的輪胎可提高在復(fù)雜地形下的通過能力。機(jī)械臂具有5個自由度,采用雙軸數(shù)字舵機(jī)LX-16A，使用串口總線減少了機(jī)械臂上的線纜數(shù)目，末端執(zhí)行器采用二指夾爪，機(jī)械臂末端安裝攝像頭，用于近距離觀察外界環(huán)境。

在機(jī)器人的原型設(shè)計(jì)階段，大量采用3D打印制造機(jī)器人的零部件，大幅度降低了機(jī)器人的建造成本，加快了機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造速度，3D打印采用聚乳酸(PLA)熱塑性材料，具有良好的拉伸強(qiáng)度和高剛度比，3D打印可一次打印出形狀和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件，可大幅度降低機(jī)械零件的數(shù)目和重量，省去大量的螺絲螺母等固定件。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在同樣動力配置的情況下，增加機(jī)器人的動作執(zhí)行速度，提高機(jī)器人的機(jī)動性。

采用3D建模軟件OpenSCAD開展機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將機(jī)器人的主要參數(shù)如車體的尺寸、軸距、壁厚等定義為變量，設(shè)計(jì)過程可以方便地修改這些參數(shù)，加快設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)度。

2.2 車載電子設(shè)備

移動輻射監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖示于圖3。

圖3 移動輻射監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram of mobile radiation monitoring robot system

1) 機(jī)器人動力。包括6個370減速電機(jī)，電機(jī)采用高轉(zhuǎn)速大功率的直流電機(jī)，工作電壓12 V，額定電流350 mA，轉(zhuǎn)速17 000 r/min，輸出軸轉(zhuǎn)速500 r/min，額定力矩5 kg·cm。直流減速電機(jī)價格便宜，動力強(qiáng)，更適合機(jī)器人在復(fù)雜路況下的運(yùn)動。電機(jī)驅(qū)動采用4塊TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊，可以驅(qū)動6個370電機(jī)和2個減速電機(jī)，用于驅(qū)動機(jī)器人的底盤電機(jī)和機(jī)械手上的電機(jī)運(yùn)動。開發(fā)了Arduino擴(kuò)展板用于連接Arduino Mega 2560和TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊、減速電機(jī)、數(shù)字舵機(jī)等器件。

2) 機(jī)械臂舵機(jī)。采用Lobot智能串口雙軸數(shù)字舵機(jī)LX-16A，由于使用的串行總線舵機(jī)采用半雙工串行總線，而Arduino下位機(jī)只提供全雙工串行總線，因此采用和串行總線舵機(jī)配套的控制板。通過該控制板，舵機(jī)的通信方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿p工模式，以適應(yīng)Arduino下位機(jī)的要求。

3) Arduino。作為機(jī)器人系統(tǒng)的下位機(jī)，采用Arduino Mega 2560 進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動控制。Arduino通過串行接口接收樹莓派上位機(jī)的指令，使用數(shù)字I/O接口控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation ,PWM)控制電機(jī)功率，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動。通過串行接口對機(jī)械臂上的舵機(jī)發(fā)出指令、獲取舵機(jī)狀態(tài)，定時向上位機(jī)報(bào)告，有效地控制機(jī)械臂的操作。

4) 樹莓派。采用樹莓派3B作為機(jī)器人的上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信和圖像傳輸、處理。樹莓派3B使用串行接口與Arduino下位機(jī)通信，通過支持802.11 n、5.8 GHz的WiFi模塊與計(jì)算機(jī)采用服務(wù)器-客戶機(jī)模式進(jìn)行通信，傳輸攝像頭圖像，接收控制信息。同時樹莓派3B提供了4個USB2.0接口，用于連接攝像頭，監(jiān)控機(jī)器人周圍的環(huán)境。

2.3 數(shù)據(jù)控制軟件系統(tǒng)構(gòu)建

機(jī)器人是一種自動化程度很高的機(jī)器，具有感知、動作、規(guī)劃和協(xié)同等智能。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分之一，控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)直接關(guān)系機(jī)器人性能要求，是機(jī)器人智能的主要表現(xiàn)。

控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)取決于控制對象和控制目標(biāo)。本文中控制對象為機(jī)器人，使機(jī)器人按照操作人員的控制命令在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動，實(shí)時傳回周圍環(huán)境信息和自身的狀態(tài)信息。機(jī)器人采用主從式控制系統(tǒng)，操縱端為主控制計(jì)算機(jī)，車載端為從控制計(jì)算機(jī)。其中，主控制計(jì)算機(jī)完成坐標(biāo)變換、地圖創(chuàng)建、人機(jī)交互等功能，從控制計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)采集傳感器信息、控制命令收發(fā)、底層控制命令解析生成等。主從控制計(jì)算機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)通信和交互。移動輻射監(jiān)測機(jī)器人主要由運(yùn)動控制子系統(tǒng)、在線輻射監(jiān)測子系統(tǒng)、自主導(dǎo)航子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、生命探測子系統(tǒng)、聲光報(bào)警子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)組成。

移動輻射監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖示于圖4。機(jī)器人下位機(jī)主要用于接收輻射信號和位置信號來源，包括劑量儀器的示數(shù)、SLAM 位置圖像傳輸數(shù)據(jù)、控制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡等。機(jī)器人上位機(jī)主要是工作人員發(fā)布指令和接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進(jìn)行機(jī)器人軌跡和劑量判斷，用于現(xiàn)場警報(bào)?？刂婆_主要開發(fā)數(shù)據(jù)的可視化顯示，并實(shí)現(xiàn)探頭、上位機(jī)和下位機(jī)通訊連接等功能。

2.4 移動輻射監(jiān)測系統(tǒng)

由于EAST中性束注入的束能量一般為30～70 keV。注入時EAST大廳的劑量率可達(dá)到10 mSv/h，停機(jī)后大廳的劑量率為本底水平。而NBI打靶測試時，其光子的最大能量與束能量相當(dāng)。故機(jī)器人輻射監(jiān)測系統(tǒng)采用HA1100Med塑料閃爍體X、γ輻射在線監(jiān)測儀，其能量范圍30 keV～3 MeV，響應(yīng)時間<2 s，可以滿足EAST實(shí)驗(yàn)大廳光子實(shí)時劑量率測量需求。機(jī)器人攜帶的中子探頭一般采用He-3計(jì)數(shù)管加聚乙烯樹脂慢化球類型。探頭獲取的輻射劑量率通過RS485接口與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)輻射劑量率數(shù)據(jù)傳輸。圖5為輻射監(jiān)測用到的光子探頭，也可搭配中子探頭。

圖5 輻射監(jiān)測探頭Fig.5 Radiation monitoring probe

機(jī)器人輻射監(jiān)測劑量率系統(tǒng)與環(huán)境自主建圖系統(tǒng)配合，完成輻射劑量率超標(biāo)位置在環(huán)境地圖中的標(biāo)定。環(huán)境自主建圖系統(tǒng)采用基于激光雷達(dá)的機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system, ROS)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的SLAM。機(jī)器人配有Rplidar A1改進(jìn)版激光雷達(dá)，半徑掃描范圍12 m，可實(shí)現(xiàn)SLAM導(dǎo)航應(yīng)用輻射測量激光雷達(dá)SLAM建圖(圖6)。ROS 為適用于機(jī)器人的開源操作系統(tǒng)，它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息傳遞，以及包管理。也提供用于獲取、編譯、編寫、跨計(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫函數(shù)。

圖6 輻射測量激光雷達(dá)SLAM建圖Fig.6 Construction of LIDAR SLAM for radiation measurement

環(huán)境自主建圖系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖示于圖7。機(jī)器人還搭載高清圖像傳輸系統(tǒng)用于機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控，紅外圖像和CO2傳感器等生命探測設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)大廳現(xiàn)場工作人員位置確定，確保人員安全。紅外熱像儀采用MLX90640紅外熱像儀傳感器模塊來檢測物體。該模塊紅外接近傳感器具有32×24溫度格傳感器。采用OpenCV處理輸入到網(wǎng)絡(luò)攝像頭mjpg-streamer的視頻流，可以用于識別二維碼位置標(biāo)志等視頻處理。

圖7 環(huán)境自主建圖系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Software structure diagram of the environment autonomous mapping system

3 性能測試

為了測試輻射監(jiān)測機(jī)器人的性能，在非輻射條件下對機(jī)器人的控制性能進(jìn)行測試，分別對移動平臺的力學(xué)性能、通信性能、續(xù)航能力、機(jī)械臂控制能力、SLAM建圖能力、相機(jī)圖像采集能力等方面進(jìn)行測試。測試結(jié)果為機(jī)器人最大速度為1 m/s，爬坡能力30°，機(jī)械臂具有5個自由度，最大伸展臂長45 cm、最大伸展高度45 cm、機(jī)械臂底座可以360°旋轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)彎曲角度為150°和肘關(guān)節(jié)彎曲角度為180°，腕關(guān)節(jié)可以正負(fù)120°滾轉(zhuǎn)、正負(fù)90°俯仰。無遮擋的情況下圖像距離>300 m，能夠控制機(jī)械臂運(yùn)動，相機(jī)可以實(shí)時獲取圖像，車體最大負(fù)重1 kg，電池續(xù)航時間>2 h。

對機(jī)器人在各種復(fù)雜地形如草地、沙地、拆除建筑工地和大鵝卵石灘地環(huán)境中進(jìn)行測試，驗(yàn)證了機(jī)器人具有通過這些復(fù)雜地形的強(qiáng)大能力。機(jī)器人表現(xiàn)良好，因?yàn)椴捎昧肆啅椥詰覓煜到y(tǒng)。機(jī)器人可以有效地與地面接觸，即使在大角度傾斜狀態(tài)也能及時脫困。在RoboCup機(jī)器人世界杯救援機(jī)器人項(xiàng)目比賽的9個測試地形進(jìn)行測試，機(jī)器人可以順利地通過這些地形障礙，并且正常完成巡檢數(shù)據(jù)采集。圖8顯示了機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境與RoboCup比賽場地測試情況，這些測試地形的復(fù)雜程度都遠(yuǎn)超過EAST大廳，圖9為輻射監(jiān)測機(jī)器人在EAST大廳內(nèi)的巡檢路線。輻射監(jiān)測機(jī)器人在EAST-NBI測試環(huán)境進(jìn)行了初步測試，輻射監(jiān)測機(jī)器人遠(yuǎn)程操控工作正常，在實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)可正常巡檢。

圖8 復(fù)雜地形環(huán)境與RoboCup比賽場地測試Fig.8 Complex Terrain Environment and RoboCup Field Testing

圖9 輻射監(jiān)測機(jī)器人在EAST大廳內(nèi)的巡檢路線Fig.9 The inspection route of the radiation monitoring robot in the EAST hall

4 總結(jié)

本文基于六輪移動救援機(jī)器人底盤，研制了EAST實(shí)驗(yàn)大廳移動輻射監(jiān)測機(jī)器人，搭載X、γ輻射在線監(jiān)測儀，機(jī)器人可利用SLAM構(gòu)建環(huán)境地圖自主移動或通過高清圖像遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)還搭載紅外圖像和CO2傳感器等生命探測設(shè)備，輻射劑量超閾聲光報(bào)警裝置，用于發(fā)現(xiàn)警示現(xiàn)場工作人員，確保人員安全。