核电站巡检与应急处理机器人的关键技术研究

摘要

核能作为目前唯一能够达到工业应用且可以大规模替代化石燃料的新清洁能源方式，得到了全球多个国家的广泛关注和利用。尽管核电站的安全可靠性很高，但在过去已经发生的多次核事故使人类遭受了重大损失。因此核电站巡检与应急处理机器人作为一种可以替代工作人员进入核辐照环境下进行巡检和应急处理任务的重要履行者具有非常重要的社会意义和价值。本文主线就是面向核电站巡检与应急处理的实际应用问题，针对核电站巡检与应急处理机器人在实际作业时可紧密串联的室内定位技术、稳定攀爬楼梯方法与双移动机械臂系统协同作业时的冗余度解析等相关问题进行理论和实验研究。
　　本文首先根据核电站本身的特点以及核电站内巡检与应急处理任务的特殊性，给出了系统总体设计方案，设计并研制了一款核电站巡检与应急处理机器人系统，包括机器人移动平台、小型四自由度机械臂和多款末端夹持工具以及遥操作控制箱等。该机器人整体系统体积小、重量轻，能够进入狭窄区域执行巡检和应急处理任务，采用模块化、总线化、多层次的机器人电子控制系统架构，利用通信传输级、控制级和装置级三层的控制体系架构，很好的减少了各个层级之间的相互影响，提高了整个系统的层次性，各层级之间实现模块化，消除各个模块之间的耦合，提高了系统的可靠性。另外针对于核辐照环境下对机器人本身的性能影响，提出了机械阻挡、硬件冗余和系统纠错等三种核防护设计方案，有效地延长了机器人在不同程度核辐射环境下的工作时间。该核电站巡检与应急处理机器人系统也作为后续内容的研究和实验平台。
　　针对于核电站内核辐射环境下机器人的室内定位，基于机器人在SE(2)空间中的动态分布规律提出了一种适用于核环境下的效率更高、能耗更低的自定位误差校验修正方法。在确定机器人航位推算动态分布范围的基础上，通过多次实验定性的描述随机干扰噪声，并提出基于既定误差的离散卡尔曼滤波对航位推算误差进行修正，然后利用机器人的动态分布对修正后的误差进行再校验，使机器人的自定位误差降到最小。同时基于此方法提出了机器人在SE(2)空间中的运动控制机制，包括阈值的选择准则、效率与安全机制和局部路径优化机制，增加机器人在SE(2)空间中运动的高效性。
　　针对机器人在核电站内巡检与应急处理任务的爬楼需求，在对机器人的爬楼能力分析的基础上，提出了平面稳定度表征机器人在爬楼静态过程中的稳定性，并对机器人在随机偏移下的爬楼进行可行性分析。针对于机器人在不同爬楼过程中的爬楼进程状态，提取机器人的驱动轮和导臂的驱动电机反馈电流变化特征序列作为特征参数，进而提出了基于多分类支持向量机的爬楼状态预测方法，提前预测机器人在爬楼过程中的爬楼进程状态，并对预测结果的准确性进行检验。根据爬楼过程中质心变化率提出了垂直稳定度，并以垂直稳定度为准则针对爬楼过程提出了多模式切换控制方法，包括模糊控制和异步开环控制，使机器人能够实现稳定的楼梯攀爬。
　　针对双机器人协同作业的实际需要，提出了多冗余度双移动机械臂系统的空间运动解析。将多冗余度机械臂与机器人移动平台作为整体控制，提出了整个移动机械臂系统的自由度分配方案，有效地提高了整个机器人系统的协调能力。结合移动平台与机械臂的运动学性质分析了移动机械臂系统的速度运动学模型。然后对双移动机械臂系统末端约束进行了全面分析，并按照双机械臂末端约束属性的不同进行分类，进而基于不同末端约束类别提出了相应的空间运动解析方法。尤其是当双移动机械臂系统在协同搬运样品时，末端在固定约束的限制下容易产生控制冲突，针对于此选取了被动关节进行控制以避免末端的冲突。
　　论文最后进行了总结，并进一步提出今后的研究任务和方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 国外研究动态

1．2．2 国内研究现状

1．3 目前存在的主要问题

1．4 研究内容和论文组织结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文组织结构

第二章 核电站巡检与应急处理机器人系统设计

2．1 引言

2．2 机器人机械结构设计

2．2．1 机器人本体机械结构

2．2．2 机械臂的机械结构

2．3 机器人电子控制系统设计

2．4 核防护设计

2．5 机器人技术参数与应急配套设备

2．6 本章小结

第三章 核电站机器人的室内定位与运动控制研究

3．1 引言

3．2 SE(2)空间中机器人的运动学模型与分析

3．3 随机干扰下机器人航位推算的动态分布

3．3．1 机器人航位推算动态分布范围的确定

3．3．2 随机干扰噪声的预匹配方法

3．4 SE(2)空间中机器人的自定位误差修正方法

3．4．1 基于既定误差的离散卡尔曼滤波(DKF)数据融合

3．4．2 SE(2)空间中机器人自定位误差校验与修正

3．5 SE(2)空间中机器人的运动控制机制

3．5．1 阈值的选择准则

3．5．2 效率与安全机制

3．5．3 局部路径再优化

3．6 实验与分析

3．6．1 噪声系数匹配实验

3．6．2 自定位误差校核与修正实验

3．6．3 局部路径再优化实验

3．7 本章小结

第四章 机器人爬楼的能力分析和稳定控制方法研究

4．1 引言

4．2 机器人的爬楼能力分析

4．2．1 爬楼模型分析

4．2．2 基于临界状态静态分析的爬楼能力分析

4．3 爬楼的偏移分析和平面稳定度

4．3．1 偏移分析

4．3．2 随机漂移干扰下的平面稳定度与可爬楼范围

4．4 基于多分类支持向量机的机器人爬楼状态预测方法

4．4．1 特征向量的选取

4．4．2 爬楼状态预测

4．4．3 预测结果时序性检验

4．5 基于机器人爬楼状态预测的多模式稳定攀爬方法研究

4．5．1 多模式切换控制方法

4．5．2 登入首阶楼梯和翻越末阶楼梯阶段——异步开环控制

4．5．3 楼梯上爬行阶段——模糊控制

4．6 实验与分析

4．6．1 特征参数提取与分类预测

4．6．2 半自主爬楼实验

4．7 本章小结

第五章 多冗余度双移动机械臂系统的空间运动解析

5．1 引言

5．2 单移动机械臂系统的运动学分析

5．2．1 机械臂的运动学分析

5．2．2 移动机械臂系统的运动学分析

5．2．3 移动机械臂系统的自由度分配

5．2．4 移动机械臂系统的工作空间

5．3 双移动机械臂系统的运动学分析

5．3．1双移动机槭臂系统的末端约束

5．3．2 双机械臂末端的运动副

5．4 基于不同末端约束的双机械臂运动解析方法

5．4．1 双机械臂末端固定约束下的冗余度解析

5．4．2 双机械臂末端非固定约束下的关节运动解析

5．5 仿真与实验分析

5．5．1 样品搬运实验

5．5．2 协同拧螺栓仿真实验

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文工作总结

6．2 论文主要创新点

6．3 未来研究展望

致谢

参考文献

论文和成果清单