基于AGV 的RPVH 檢查機器人系統(tǒng)設(shè)計

趙琛

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)公司，上海 200233）

隨著自動控制技術(shù)和核電技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在有放射性的核環(huán)境下，通過工作人員遠程控制機器人完成相應(yīng)的無損檢測工作，從而有效減少現(xiàn)場作業(yè)人員的輻射傷害，減輕工作負擔(dān)，且能提高無損檢測效率和準確性[1-2]。

壓力容器頂蓋是核電站重要部件，在核電站役前和在役期間均需要進行必要的檢查[3]。由于工況的特殊性，人員無法進入壓力容器內(nèi)部或頂蓋下方，同時出于無損檢測重復(fù)性及穩(wěn)定性的需要，針對核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋（Reactor Pressure Vessel Head，RPVH）的檢查主要由各種自動化檢查設(shè)備來開展[4-5]。該文介紹了一種針對此類應(yīng)用場合設(shè)計的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查機器人系統(tǒng)，通過人機界面（Human Machine Interface，HMI）可遠程控制機器人，通過與末端攜帶的各類掃查器相互配合，實現(xiàn)機器人自主定位定向、路徑規(guī)劃、管口對中和頂蓋貫穿件的自動掃查。

1 頂蓋機器人系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計背景

國際上針對核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的檢查工作沒有具體、行之有效的方法，也未制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準，常見的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查方式是采用具有抗核輻射能力的多軸機械手搭載各類掃查器來完成[6]。此前國內(nèi)對于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的檢測工作一直采用的是美國WESTINGHOUSE 公司生產(chǎn)的SUPREEM 五自由度機械手搭載各類超聲/渦流掃查器的方式進行，機械手完成檢查任務(wù)時需要攜帶大量的控制設(shè)備，導(dǎo)致運輸不便、維護麻煩，其軟件控制系統(tǒng)集成于UNIX 操作系統(tǒng)中，無法脫離西屋服務(wù)器單獨應(yīng)用，系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性較差，功能受限，特別是部分零部件已經(jīng)停產(chǎn)[7]，這對控制系統(tǒng)設(shè)備維修造成很大障礙，且其使用成本高，控制復(fù)雜，管口對中速度慢，存在機械手掉電時末端的掃查器受重力而翻轉(zhuǎn)刮傷頂蓋內(nèi)壁的風(fēng)險。同時，隨著核電站數(shù)量的增加，核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的檢查工作也越來越頻繁，為全面實現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查系統(tǒng)的國產(chǎn)化，保證后續(xù)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋役前和在役檢測能夠有足夠的自動化檢查設(shè)備來開展工作，亟需設(shè)計一種操作簡單、組裝運輸方便、性價比高的自動化檢查系統(tǒng)來取代。

1.2 總體方案

頂蓋檢查機器人實施檢查工作時，機器人布置于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋下面的生物屏蔽圈內(nèi)，通過生物屏蔽圈人孔門將控制線纜與控制區(qū)域的機器人系統(tǒng)控制器相連，建立網(wǎng)絡(luò)連接后實現(xiàn)PC 遠程控制，總體方案如圖1 所示。

圖1 機器人整體系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)主要由檢查機器人本體、激光信號反饋柱、監(jiān)控攝像頭和控制平臺等組成，檢查機器人與系統(tǒng)控制器之間以Modbus TCP 通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信[8]。檢查機器人本體由全向驅(qū)動AGV 運載平臺、掃查器驅(qū)動控制模塊和掃查器組成，其中全向驅(qū)動AGV 運載平臺作為機器人系統(tǒng)中掃查器驅(qū)動控制模塊和各類掃查器的承載平臺。在作業(yè)前，通過激光SLAM（同步定位與建圖）方式來完成AP1000、CAP1400 或CPR 等堆型頂蓋在生物屏蔽圈中映射的平面地圖構(gòu)建，以此根據(jù)電子地圖實現(xiàn)全向驅(qū)動AGV 運載平臺在生物屏蔽圈內(nèi)精確走位和位置反饋；掃查器驅(qū)動控制模塊裝載于全向驅(qū)動AGV 運載平臺上方，掃查器安裝于掃查器驅(qū)動控制模塊的掃查器移動支架上，通過燕尾槽卡扣方式快速拆裝，其種類包括7160、7170 等掃查器類型，通過AGV 運載平臺與全向驅(qū)動AGV 運載平臺相互配合來完成定位、走管、水平調(diào)節(jié)、掃查器拆裝、自動掃查等任務(wù)。同時，在生物屏蔽圈內(nèi)安裝有多個磁吸附照明燈和監(jiān)控云臺攝像頭，以直觀地了解檢查機器人在生物屏蔽圈的運行狀況，防止出現(xiàn)碰撞、繞線、漏水等問題。

2 頂蓋檢查機器人系統(tǒng)搭建

2.1 掃查器驅(qū)動控制模塊

掃查器驅(qū)動控制模塊由掃查器移動支撐架、繞Y軸旋轉(zhuǎn)模塊、繞X軸旋轉(zhuǎn)微動模塊和X、Y、Z軸直線運動模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 檢查機器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖中AGV 運載平臺以其中心為原點，以垂直于車頭（車尾）平面為X軸，以平行于車頭（車尾）平面為Y軸建立的全局坐標(biāo)系OXY，掃查器驅(qū)動控制模塊在AGV 運載平臺上的安裝保持中心和坐標(biāo)系OXY的中心一致。其中，繞Y軸旋轉(zhuǎn)模塊用于Z軸直線運動模塊的移動導(dǎo)軌繞Y軸進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)幅度0°～180°，當(dāng)需要安裝掃查器或者運輸機器人時，旋轉(zhuǎn)至水平位置；當(dāng)需要進行反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件的檢查時，旋轉(zhuǎn)至豎直位置；繞X軸旋轉(zhuǎn)微動模塊旋轉(zhuǎn)幅度為-30°～30°（以O(shè)XZ面為起點），其和繞Y軸旋轉(zhuǎn)模塊一起來調(diào)節(jié)掃查器的水平狀態(tài)；X、Y、Z 軸直線運動模塊在AGV 運載平臺上移動范圍為X：-300～300 mm，Y：-40～40 mm，Z：0～660 mm。

2.2 AGV運載平臺

AGV 運載平臺采用48 V/30 Ah 磷酸鐵鋰電池進行四輪驅(qū)動，結(jié)合獨立的電機驅(qū)動技術(shù)和麥克納姆輪技術(shù)，在每個輪子沒有任何轉(zhuǎn)角的情況下，通過控制每一個輪子的速度和方向?qū)崿F(xiàn)三自由度的全方位移動，其電氣控制圖如圖3 所示。

圖3 AGV運載平臺電氣控制圖

AGV 控制器通過AGV 運載平臺充電機給電池、主控模塊、電機等部件提供電源，采用Modbus TCP協(xié)議與AGV 運載平臺進行數(shù)據(jù)交互[9]。AGV 運載平臺控制方式有兩種，分別是遙控器手動控制和上位機遠程控制：1）遙控器手動控制，主要用于測試、臨時移動設(shè)備等，遙控器控制默認為無線控制，也可以通過AGV 的觸摸屏切換到遙控器有線控制；2）上位機遠程控制，通過控制器上的以太網(wǎng)接口對設(shè)備進行控制，設(shè)備開機默認為上位機HMI 控制。

AGV 運載平臺采用基于三角測距原理的EPLIDAR-A2 型二維激光雷達作為主要外部傳感器，該型號激光雷達測距范圍為0.15～18 m，測距分辨率為實際距離的1%左右，掃描角度0～360°，角度分辨率為1°，主要用于激光測距、地圖搭建和機器人定位等。同時，為了避免AGV 運載平臺發(fā)生碰撞，通過二維激光掃描障礙物探測傳感器、急停開關(guān)等防護器件實現(xiàn)安全模塊的構(gòu)建，該傳感器同樣采用紅外LED 進行非接觸式掃描檢測，當(dāng)發(fā)生碰撞或危險時會直接切斷電源回路。

2.3 電子地圖搭建

為讓AGV 運載平臺在生物屏蔽圈內(nèi)精確定位和按軌跡規(guī)劃自動走管，將同步定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)算法應(yīng)用于AGV 運載平臺，并利用AGV 內(nèi)部電機編碼器和外部激光雷達傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)周圍環(huán)境地圖的自主構(gòu)建和自身平臺的同步定位[10]。

壓力容器頂蓋和生物屏蔽圈之間具有固定的卡扣支撐，故壓力容器頂蓋平面地圖和生物屏蔽圈特征地圖的圓心是一致的，據(jù)此也可確定頂蓋模型在生物屏蔽圈上的0°位置。在頂蓋吊裝前，將11 根激光反饋柱排布于生物屏蔽圈內(nèi)壁底部，保持高度一致，間距不一，保證AGV 導(dǎo)航激光雷達在旋轉(zhuǎn)時至少掃描到3 根以上不同間距的激光反饋柱。在測距和地圖搭建過程中，AGV 運載平臺處于生物屏蔽圈正中間，通過車身激光雷達發(fā)射經(jīng)過調(diào)制后的紅外激光信號，掃描分布在生物屏蔽圈內(nèi)壁的多根激光反饋柱，并接收包含角度、距離、強度等信息的點云數(shù)據(jù)，識別出所掃描的激光反饋柱的極坐標(biāo)位置，在AGV 的配合下以一定的掃描頻率旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對生物屏蔽圈內(nèi)環(huán)境360°全方位掃描測距和繪圖，以此繪出一個完整生物屏蔽圈特征地圖[11-12]，如圖4 所示。再融合相應(yīng)的壓力容器頂蓋平面模型圖，即可搭建AGV 運載平臺與壓力容器頂蓋相結(jié)合的電子地圖。

圖4 生物屏蔽圈特征地圖搭建

3 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機器人系統(tǒng)運動控制策略

整個機器人系統(tǒng)運動控制流程圖如圖5 所示，啟動電源后，機器人系統(tǒng)進行初始化處理并自檢，自檢內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、識別已經(jīng)建圖完畢的電子地圖、AGV 運載平臺在生物屏蔽圈內(nèi)的角度及圓心距離、掃查器驅(qū)動控制模塊位姿等。若機器人控制系統(tǒng)自檢通過，機器人則可根據(jù)運動指令啟動AGV 伺服驅(qū)動電機進行走位；若存在障礙物、設(shè)備過電壓過電流、電池欠壓、急停按下、上位機通信異常、定位失敗、姿態(tài)偏離、電量低等異常，則機器人AGV 運載平臺報警燈進行蜂鳴燈閃報警，同時上位機控制界面顯示相應(yīng)報警信號，此時運動中的機器人將停止或減速（臨近障礙物時）；機器人系統(tǒng)通過避障激光雷達和導(dǎo)航激光雷達實時獲取屏蔽圈內(nèi)狀態(tài)信號，并根據(jù)堆內(nèi)核測儀表接管（QUICKLOC）檢測點位路徑、控制棒驅(qū)動機構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism,CRDM）管檢測點位路徑和掃查器進出路徑進行預(yù)設(shè)軌跡運動和掃查器驅(qū)動控制模塊動作，其中AGV 運載平臺的運動通過控制算法實時循環(huán)調(diào)節(jié)，讓小車始終處于預(yù)設(shè)導(dǎo)航軌跡上，并最終到達目標(biāo)位置。

圖5 機器人系統(tǒng)運動控制流程圖

3.2 CRDM管口自動對中策略

由于地面平整度、激光導(dǎo)航雷達精度和建圖誤差等諸多因素影響，頂蓋掃查機器人的AGV 運載平臺并不能完全將掃查器探頭對中相應(yīng)管口，存在±40 mm 管口中心偏離誤差，為避免出現(xiàn)掃查器刮傷管口內(nèi)壁、掃查信號不佳的問題，需要在AGV 運載平臺移動至指定管口后再進行管口對中的精確調(diào)整。當(dāng)掃查器驅(qū)動控制模塊舉升掃查器至管口下邊沿附近時，安裝在掃查中心X、Y方向的兩個攝像頭，可實時獲取被測管口圖像，管口圖像壓縮變換后利用上位機對原始圖像進行圖像增強、去噪、邊緣分割等分析處理來消除干擾、淡化圖像中的非目標(biāo)信息和增強目標(biāo)特征信息[13-14]，以此獲取掃查器探頭與管口中心偏差數(shù)據(jù)（測量相對單位：px），再將偏差數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成控制器可以執(zhí)行的控制指令，通過控制X、Y軸驅(qū)動電機的正反運動讓掃查器探頭處于管口正中間，其管口自動對中策略如圖6 所示。

圖6 CRDM管口自動對中策略框圖

3.3 上位機控制軟件設(shè)計

上位機控制軟件采用Visual C++及其類庫MFC來開發(fā)，通過軟件部署，實現(xiàn)上位機和機器人控制器之間的ModbusTCP 協(xié)議交互，達到向機器人控制器發(fā)送控制指令以及獲取機器人、掃查器的實時數(shù)據(jù)的目的[15-16]。

上位機控制軟件啟動后選擇所檢查的核電站堆型，即進入相應(yīng)的主控界面。圖7 為選擇AP1000 堆型后所顯示的頂蓋檢查機器人控制系統(tǒng)HMI 界面，通過主控界面可以進行回零、復(fù)位、急停、管口對中和AGV 運載云臺與掃查器驅(qū)動控制模塊各控制軸手動/自動運行等操作，并實時顯示滾動提示詞條、掃查器驅(qū)動控制模塊各控制軸的位置及負載和機器人AGV 運載平臺位置，且在監(jiān)測狀態(tài)顯示區(qū)可呈現(xiàn)掃查狀態(tài)平面模型。

圖7 機器人控制系統(tǒng)的HMI界面

4 現(xiàn)場測試分析

通過反應(yīng)堆壓力容器頂蓋檢查機器人系統(tǒng)進行AP1000 和CAP1400 的反應(yīng)堆壓力容器頂蓋役前檢查和在役檢查的現(xiàn)場作業(yè)結(jié)果，可以明確該機器人系統(tǒng)操作順暢靈敏，運行平穩(wěn)，無明顯延時、滯后現(xiàn)象，可以在高輻射劑量的環(huán)境下持續(xù)運行，實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向的移動功能，包括直行、橫行、斜行、曲線移動、小半徑轉(zhuǎn)向等全向移動，以及掃查器驅(qū)動控制模塊對掃查器的X、Y、Z三軸方向移動和繞X軸、Y軸的旋轉(zhuǎn)，兩者聯(lián)動時可更靈活的實現(xiàn)實時動態(tài)調(diào)節(jié)。且AGV 運載平臺和掃查器驅(qū)動控制模塊各軸的速度多檔位連續(xù)可調(diào)，通過HMI 界面可完成參數(shù)修改、圖像監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)控和操作控制等。

相比現(xiàn)有的基于五軸機械手的頂蓋檢查系統(tǒng)，以AGV 為運載平臺的檢查機器人在實際使用過程中有了很大的改進與提升：1）機器人結(jié)構(gòu)簡單，負載能力強，自動掃查時不存在繞線風(fēng)險，也避免了系統(tǒng)突然斷電所導(dǎo)致掃查器刮傷頂蓋內(nèi)壁的問題；2）系統(tǒng)操縱自動化程度更高，且操作簡單，管號定位和管口對中所花的時間由原來的20 min 縮短至現(xiàn)在的8 min，檢查效率有了大幅提升；3）由于OXZ、OYZ面雙水平儀的調(diào)節(jié)，對中后探頭與貫穿件內(nèi)壁貼合效果更佳，檢測數(shù)據(jù)采集質(zhì)量更好，特別是在進行數(shù)據(jù)采集時可以讓頂蓋檢查機器人各控制電機設(shè)置為下使能，有效降低了超聲/渦流檢測信號的電磁兼容噪聲；4）高低多點位高清云臺攝像頭的加入，可同時監(jiān)測機器人線纜狀態(tài)、掃查器運動狀態(tài)、水循環(huán)狀態(tài)和生物屏蔽圈內(nèi)環(huán)境狀態(tài)等，排除了視覺盲點問題；5)警報系統(tǒng)更豐富靈敏，針對存在障礙物、設(shè)備過電壓過電流、電池欠壓、急停按下、上位機通信異常、定位失敗、姿態(tài)偏離、電量低等異常，機器人均會報警提醒[17-18]，并在上位機控制界面呈現(xiàn)；6）機器人具備大容量磷酸鐵鋰電池，可脫離控制器供電采用遙控器來移動。

5 結(jié)束語

設(shè)計的機器人系統(tǒng)以AGV 運載平臺為控制核心，以Modbus TCP 協(xié)議作為通信媒介實現(xiàn)機器人的運動控制，配合導(dǎo)航組件，實時獲取機器人的姿態(tài)、坐標(biāo)位置，采用的SLAM 算法和雙目視覺管口對中策略提高了機器人路徑跟蹤、定位和對管的控制精度和效率，通過所搭載的掃查器驅(qū)動控制模塊和豐富的交互式HMI 精確控制掃查器運動，安全高效地實現(xiàn)對核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋的自動化檢查，該機器人系統(tǒng)可兼容AP1000、CAP1400 及CPR 堆型，并保證在AP1000 及CAP1400 堆的運行中，最外圍QUICKLOC 孔的可達性。后續(xù)工作需要進一步提高定位精度和自動化程度，簡化HMI 界面，更好地滿足實際檢查需要。