基于RGV 的反應堆壓力容器頂蓋檢查機器人系統(tǒng)*

國核電站運行服務技術(shù)公司 趙琛 周路生 陶今 梁國健 李一蘭

核反應堆壓力容器頂蓋由于其貫穿件數(shù)量多，環(huán)境劑量率高，在役檢查均采用自動化裝置進行。本文以現(xiàn)場工作經(jīng)驗反饋和現(xiàn)有技術(shù)進行參考，研究設計了一套基于RGV 運載平臺的反應堆壓力容器頂蓋檢查機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RGV 控制器、RGV 運載平臺、掃查器驅(qū)動控制模塊和PC 等組成，運用直軌和環(huán)軌進行定位、行走，采用Dijkstra 算法進行軌跡規(guī)劃，通過雙目視覺原理進行頂蓋貫穿件的管口自動對中，并根據(jù)頂蓋無損檢測方法開發(fā)設計相應的控制軟件，以此實現(xiàn)對機器人的遠程操控。

核電站反壓力容器頂蓋由于工況特殊性，對其進行在役檢查時，無法進入頂蓋下方進行手動操作，同時處于無損檢測穩(wěn)定性和重復性的需求，一般采用自動化設備來開展反應堆壓力容器頂蓋檢查工作[1-3]。本文介紹了一種針對此類應用場合設計的反應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，采用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[4,5]。

1 頂蓋機器人系統(tǒng)總體方案

1.1 設計背景

國際上針對核反應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)標準，常見的反應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]?，F(xiàn)有頂蓋檢查項目中，一般選用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時需要攜帶大量的控制設備導致運輸不便、維護麻煩，其軟件控制系統(tǒng)集成于UNIX 操作系統(tǒng)中，無法脫離西屋服務器單獨應用，系統(tǒng)的靈活性和適應性較差，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)設備維修造成很大障礙，且其使用成本高，控制復雜，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)壁的風險。

同時，市面上出現(xiàn)的基于AGV 平臺的頂蓋檢查機器人，雖然性價比較高、組裝運輸方便、控制管口對中時間相對縮短、操作簡單，但由于AGV 激光雷達定位精度的不足和現(xiàn)場環(huán)境的影響（如地面不平、紅色塑料布遇水后濕滑），故在AGV 進行管口自動對中后，需通過攝像頭來進一步對中，特別是在遇到水平偏差較大的情況下，對中時間相對延長[8,9]。同時，由于基于AGV 平臺的頂蓋檢查機器人采用的有線連接，在掃查過程中需要人工長桿挑線的方式來調(diào)整連接線纜的位置，防止出現(xiàn)繞線和妨礙AGV 跨象限運動行徑的現(xiàn)象。此外，在AGV 將掃查器送出生物屏蔽圈人孔門進行更換的過程中，由于AGV 不是定軌運動，所以每次進出位置固定，需不斷調(diào)整AGV 的位置，防止機器人與生物屏蔽圈相撞，考慮到攝像機視頻監(jiān)控圖像的畸變和視野差，往往需要現(xiàn)場人員來指揮運動，這不免增加了工作人員的輻射劑量。

隨著核電站數(shù)量的增加，核反應堆壓力容器頂蓋的檢查工作也越來越頻繁，為全面實現(xiàn)反應堆壓力容器頂蓋檢查系統(tǒng)的國產(chǎn)化，需要在后續(xù)反應堆壓力容器頂蓋役前和在役檢測項目中，有足夠的操作簡單、組裝運輸方便、性價比高的自動化檢查設備來開展工作。

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Fig.1 Overall plan of the robot system

本控制系統(tǒng)主要由檢查機器人本體、直軌/環(huán)軌、監(jiān)控顯示單元和控制平臺等組成，檢查機器人與系統(tǒng)控制器之間以Modbus TCP 通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊[10]。檢查機器人本體由RGV（Rail Guided Vehicle，有軌制導小輛）運載平臺、掃查器驅(qū)動控制模塊和掃查器組成，其中掃查器驅(qū)動控制模塊裝載于RGV 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支撐臺上，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，掃查器的上下移動采用Z 軸升降控制模塊來控制。

頂蓋檢查機器人在生物屏蔽圈內(nèi)分布示意圖如圖2所示。由于頂蓋在役檢查時扣于生物屏蔽圈上，其0°角和中心位置是固定的，所以CRDM 管和Quickloc 管相對生物屏蔽圈的地面映射位置也是固定的，在確定頂蓋0°角和中心位置后，即可構(gòu)建相應的平面電子地圖。當需要將RGV 移動至某一指定管口時，只需通過主控計算機鍵入相應的管號，后臺算出當前位置與指定管口的最短距離后，便可給環(huán)型驅(qū)動模塊和直軌驅(qū)動模塊運動指令，通過直軌在環(huán)軌上的旋轉(zhuǎn)運動和RGV 在直軌上的直線移動快速到達指定管口下方。

圖2 頂蓋檢查機器人檢查示意圖Fig.2 Schematic diagram of top cover inspection robot inspection

理論上安裝在軌道上的RGV 處于水平狀態(tài)，若在頂蓋檢測過程中需要對掃查器進行水平微調(diào)，可通過繞X軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊和繞Y 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊來實現(xiàn)。由于生物屏蔽圈人孔門的位置是固定的，每次進行掃查器更換時，只需將支撐RGV 的直軌旋轉(zhuǎn)至指定角度，便可在不用現(xiàn)場工作人員的指引下，快速將掃查器移動至生物屏蔽圈小門進出口位置進行拆裝。

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支撐臺、繞Y 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊、X 軸驅(qū)動控制模塊和Z 軸升降控制模塊組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。圖3 中RGV 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X 軸建立的全局坐標系oxy，掃查器驅(qū)動控制模塊在RGV 運載平臺上的安裝保持中心和坐標系oxy，且安裝后的掃查器探頭中心與RGV 運載平臺中心一致。繞X 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊可進行-15°～195°的旋轉(zhuǎn)，繞Y 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊通過RGV 升降絲杠的高低調(diào)節(jié)，可帶來RGV 繞Y 軸±15°的角度調(diào)節(jié)，兩者相結(jié)合即可調(diào)節(jié)掃查器的水平狀態(tài)。在檢查機器人完成走管等定位動作后，若需要進行位置微調(diào)，則采用X 軸驅(qū)動控制模塊和Y 軸方向的直軌驅(qū)動控制模塊來實現(xiàn)。

圖3 檢查機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of inspection robot structure

2.2 RGV 運載平臺軌道

RGV 運載平臺軌道由環(huán)形軌道和跨越環(huán)軌直徑的直線軌道組成。直軌的旋轉(zhuǎn)通過環(huán)形導軌驅(qū)動模塊來完成，RGV 運載平臺在直軌上的移動由直軌驅(qū)動模塊來完成，其中在直軌的中間和環(huán)軌在生物屏蔽圈中的0°位置設置有位置傳感器，用于RGV 在生物屏蔽圈內(nèi)的位置標定。在頂蓋吊裝作業(yè)前，將環(huán)型軌道和直線軌道安裝于生物屏蔽圈中，為讓RGV 運載平臺處于與生物屏蔽圈同心圓的位置和水平狀態(tài)，環(huán)軌安裝時通過定位螺栓和環(huán)軌支撐柱的高度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。

2.3 RGV 運載平臺

RGV 運載平臺采用四輪支撐、二輪驅(qū)動模式，驅(qū)動輪實現(xiàn)RGV 運載平臺在直線導軌上的移動，RGV 運載平臺輔助輪支撐桿具有繞Y 軸絲杠自動升降功能，用于配合掃查器驅(qū)動控制模塊的繞X 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊進行掃查器水平狀態(tài)調(diào)節(jié)，如圖4 所示。

圖4 RGV 運載平臺繞Y 軸水平調(diào)節(jié)示意圖Fig.4 Schematic diagram of RGV carrier platform horizontal adjustment around the Y-axis

RGV 運載平臺、掃查器驅(qū)動控制模塊、環(huán)軌驅(qū)動控制模塊和掃查器的線路、水管、氣管引出后，從直軌和環(huán)軌的下方鋪設，這樣在頂蓋檢查機器人移動作業(yè)時，不用擔心地面繞線、漏水、打滑等問題。

3 機器人控制系統(tǒng)設計

3.1 RGV 運載平臺運動路徑規(guī)劃

3.1.1 Dijkstra 算法原理

Dijkstra 算法是解決最短路徑問題的經(jīng)典算法之一，以遍歷的形式找到圖中所有節(jié)點的最短路徑，從而確立目標點的最短路徑[10,11]。RGV 運動路徑的搜索與規(guī)劃必須先采集其結(jié)構(gòu)化靜態(tài)環(huán)境信息后進行建模，然后在建立的地圖模型上進行路徑規(guī)劃，柵格地圖結(jié)構(gòu)簡單，空間數(shù)據(jù)的重疊和組合容易，易于實現(xiàn)算法功能[12-14]。基于以上優(yōu)點，系統(tǒng)采用蛛網(wǎng)狀柵格地圖進行建模，柵格信息與RGV 的工作環(huán)境相對應，地圖中的主節(jié)點對應其運行過程中的不同頂蓋貫穿件管口中心位置。采用柵格地圖建立模型，可以最大限度減少不必要的地圖信息，提高計算機對路徑規(guī)劃的處理速度與能力，便于創(chuàng)建與維護。

3.1.2 基于Dijkstra 算法的RGV 路徑規(guī)劃

在基于Dijkstra 算法的RGV 路徑規(guī)劃中，蛛網(wǎng)狀柵格地圖以生物屏蔽圈圓心位置為中點，以生物屏蔽圈0°角位置為直軌的0°角，節(jié)點的位置用極坐標n（ρ，θ）來表示，其中ρ代表該節(jié)點與生物屏蔽圈圓心位置的距離，θ代表該節(jié)點相對0°射線的夾角，選擇估算函數(shù)F(n)作為當前節(jié)點到下一個節(jié)點的最短路徑[15]。

估計函數(shù)F(n)表示如式（1）所示：

式（1）中：L(n)為RGV 從初始節(jié)點n1 到目標節(jié)點n2 的移動直軌路徑；G(n)為直軌從初始節(jié)點n1 到目標節(jié)點n2 的移動環(huán)軌路徑。

由于RGV 在直軌上的移動有前后兩個方向，直軌在環(huán)軌上的移動有逆時針、順時針兩個方向，故L(n)和G(n)均存在兩種解，即：L(n)=ρ1+ρ2或L(n)=|ρ1-ρ2|，或其中r為環(huán)軌半徑。若初始節(jié)點n1 到目標節(jié)點n2 的路徑處于運動奇異點上（初始節(jié)點n1位于環(huán)軌圓心，目標節(jié)點n2與直軌呈90°），則以環(huán)軌逆時針運行優(yōu)先計算，即

基于Dijkstra 算法的RGV 路徑規(guī)劃如圖5 所示。Dijkstra 算法在路徑搜索的過程中把初始節(jié)點n1 加入open-list，通過式（1）分別計算到下一個節(jié)點的估計值F，當選定目標節(jié)點（及管號、掃查器拆裝固定位置）后，便從當前的open-list 選取最小的F 值作為最優(yōu)路徑，并加入close-list。如果發(fā)生暫停，則以當前節(jié)點為初始節(jié)點；如果選定目標節(jié)點后修改目標節(jié)點或運動過程中修改目標節(jié)點，則更新parent 節(jié)點的同時，更新目標節(jié)點，并接著遍歷初始節(jié)點n1 到目標節(jié)點n2 的最短距離，直到找到最優(yōu)規(guī)劃路徑并確認。

如果選擇多CRDM 管連續(xù)檢查，系統(tǒng)將遍歷選中的所有檢查節(jié)點，并規(guī)劃出最優(yōu)路徑。頂蓋檢查過程中只需發(fā)出連續(xù)走管的指令確認，即可自動按規(guī)劃路徑進行連續(xù)走管，無需再次輸入管號。

3.2 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6 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)絡連接狀態(tài)、識別已經(jīng)建圖完畢的電子地圖、RGV 運載平臺在生物屏蔽圈內(nèi)的極坐標位置、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)運動指令啟動檢查機器人和直軌運動。若存在設備過電壓過電流、電池欠壓、急停按下、上位機通訊異常、定位失敗、姿態(tài)偏離、電量低等異常，則機器人RGV 運載平臺報警燈進行蜂鳴燈閃報警，同時上位機控制界面提示相應報警信號，此時運動中的機器人將停止或減速（鄰近障礙物時）；當目標位置選定后，機器人系統(tǒng)將通過Dijkstra 算法規(guī)劃的路徑完成RGV 沿直軌前（或后）運動、直軌在環(huán)軌上進行順時針（或逆時針）旋轉(zhuǎn)運動，直至到達目標位置。

3.3 管口自動對中策略

由于掃查器超聲探頭與控制棒驅(qū)動機構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)的內(nèi)徑間隙只有1mm，與堆內(nèi)核測儀表接管（QUICKLOC）的內(nèi)徑間隙甚至更小，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，則當頂蓋掃查機器人的RGV 運載平臺根據(jù)規(guī)劃路徑到達指定管口下方后，進行管口二次定位。頂蓋檢查機器人存在兩個坐標系，一個是RGV 在生物屏蔽圈的極坐標系；另一個是掃查器相對于RGV 的直角坐標系。在調(diào)整好掃查器水平狀態(tài)后，上升掃查器至管口下邊沿附近，以RGV 中心為原點，在掃查器X、Y 方向安裝的兩個攝像頭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信息和增強目標特征信息，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RGV 的X 軸驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)和RGV 在直軌上（即Y 軸）的前后移動，讓掃查器探頭處于管口正中間，其管口自動對中策略如圖7 所示。

圖7 CRDM 管口自動對中策略框圖Fig.7 CRDM nozzle automatic alignment strategy diagram

3.4 上位機控制軟件設計

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Modbus/TCP 協(xié)議交互，實現(xiàn)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]。

上位機控制軟件啟動后選擇所檢查的核電站堆型，進行地圖選擇后，即進入相應的主控界面。如圖8 所示為選擇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掃查設置、回零、復位、急停、管口對中和RGV 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，并實時顯示狀態(tài)提醒滾動詞條、掃查器驅(qū)動控制模塊各控制軸的位置、速度及負載和機器人RGV 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、管口自動對中參數(shù)和掃查器水平調(diào)節(jié)參數(shù)。

圖8 機器人控制系統(tǒng)的HMI 界面Fig.8 HMI interface of robot control system

4 可行性分析

基于AGV 的反應堆壓力容器頂蓋檢查機器人系統(tǒng)進行了青浦AP1000 頂蓋模擬體的試驗測試、“國和一號”CAP1400 頂蓋出廠檢查和HY201/202 AP1000 頂蓋在役檢查，通過幾次現(xiàn)場作業(yè)結(jié)果可以看出該機器人系統(tǒng)操作順暢靈敏，運行平穩(wěn)，可以滿足CRDM 管J 焊縫和對接焊縫的掃查，但對Quickloc 管的掃查由于管口斜面，掃查器探頭較大，且AGV 需貼近生物屏蔽圈的邊緣，在役檢查有一定難度。

基于RGV 的有軌頂蓋檢查機器人與現(xiàn)有基于AGV頂蓋檢查機器人的控制模式相當，但相比之下有很大的改進與提升：（1）機器人結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕以及模塊化組裝設計等優(yōu)勢，可在大修期間無需長時間等待島內(nèi)航吊進行吊裝，通過人工即可進行設備轉(zhuǎn)運；（2）環(huán)軌在安裝時已進行水平和與生物屏蔽圈同心圓調(diào)整，理論上RGV 運行期間均保持水平狀態(tài)，節(jié)省了大量水平調(diào)節(jié)時間，即便是需要進一步調(diào)節(jié)掃查器水平，通過RGV 上的繞Y 軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊和掃查器驅(qū)動控制模塊上的繞X 軸驅(qū)動調(diào)節(jié)模塊即可完成；（3）地圖搭建簡單，無需在反光柱的輔助下進行電子地圖搭建，而且在運動過程中也無需采用激光導航雷達實時測量機器人當前位置，通過直軌和環(huán)軌上的位置傳感器、RGV 的X 軸驅(qū)動電機編碼器以及直軌驅(qū)動電機編碼器的反饋即可精確讀取RGV 當前的位置，且運動過程中不受地面平整度、紅色塑料布打滑、水漬等環(huán)境因素影響，定位重復度和定位精度都相對較高；（4）原有AGV 由于存在繞線風險，管口定位時只能選擇在車尾對準生物屏蔽圈圓心的姿態(tài)，基于RGV 的頂蓋檢查機器人線纜全部從軌道下方布置，不存在繞線風險，且由于RGV 具有明確軌道，不會出現(xiàn)像AGV 那樣碰撞地面攝像頭和生物屏蔽圈內(nèi)壁的問題；（5）在掃查器二次標定或更換操作時，由于攝像頭的圖像不足以多方位觀察掃查器進出生物屏蔽圈人孔門的過程，為避免撞壁風險，原AGV 需在機械人員的輔助下進行操作，而RGV 由于軌道的存在，只要知曉人孔門的角度，每次操作只需一鍵即可到位，節(jié)省了大量時間的同時，減少了紅區(qū)操作人員的輻射劑量；（6）由于頂蓋在役檢查過程中生物屏蔽圈內(nèi)部劑量率較高，以往需要佩戴專用測量設備進行監(jiān)測，而基于RGV 頂蓋檢查機器人具備的輻射探測模塊可讓附近操作人員在人機界面上便可清楚內(nèi)部輻射劑量率；（7）控制界面更加便捷，簡單，且功能明確。

5 結(jié)語

設計的機器人系統(tǒng)以RGV 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，配合軌道組件，實時獲取機器人的姿態(tài)、坐標位置，采用Dijkstra 算法的路徑規(guī)劃策略提高了機器人的走管效率和控制便利性，通過搭載掃查器驅(qū)動控制模塊和豐富的交互式HMI 精確控制掃查器運動，安全高效地對核反應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 等堆型，并保證在AP1000 及CAP1400 堆的運行中，最外圍QUICKLOC孔的可達性和掃查的安全性。