基于虚拟现实技术的无损检测机器人智能检测方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的无损检测机器人智能检测方法，包括以下步骤：（1）将进行无损检测的无损检测机器人安装到待检测的反应堆压力容器内的预定位置；（2）将无损检测机器人各个自由度运动轴恢复到初始状态后，然后对各个自由度运动轴进行位置标定，构建全局坐标系和各个自由度运动轴的轴坐标系；（3）使仿真模型与实际设备建立对应关系；（4）无损检测机器人仿真模型根据实时获取的无损检测机器人各个自由度运动轴的位置姿态信息反馈值在三维虚拟环境中进行位置姿态变换，虚拟显示并控制无损检测机器人同步运动进行无损检测。该方法实现了全方位立体化的所见即所得的显示控制模式，大大提高了现场项目实施的安全性、提高了项目实施效率。

说明书

技术领域

本发明属于表面检测技术领域，具体涉及一种核电站反应堆压力容器内 基于虚拟现实技术的无损检测机器人智能检测方法。

背景技术

目前，在核电检测领域，为了减少对检测人员和被检测对象的影响，一 般采用无损检测。无损检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害 或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不 均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。无损检测主要有射线检 验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。

其他无损检测方法有涡流检测（ET）、声发射检测（AT）、热像/红外（TIR）、

泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测 试检测方法（RFT）、超声波衍射时差法（TOFD）等。

无损检测与破坏性检测相比，具有以下特点：（1）非破坏性，因为它在 做检测时不会损害被检测对象的使用性能；（2）全面性，由于检测是非破坏 性，因此必要时可对被检测对象进行100%的全面检测，这是破坏性检测办 不到的；（3）全程性，破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测，如机械 工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等，破坏性检验都是针对制造用原材料 进行的，对于产成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否则是不能进行 破坏性检测的，而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。所以，它不仅 可对制造用原材料，各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可 对服役中的设备进行检测。

核电站反应堆压力容器内存在数量众多的不规则形状部件，目前对该类 部件的表面超声/涡流检测多采用手动模式。现有国内外核电领域无损检测 专业公司所开发并使用的反应堆压力容器无损检测机器人控制软件均采用 无图形或二维图形化显示控制方法，该显示控制方法的弊端主要有以下几点： 1、由于反应堆压力容器对于核电站安全运行的重要性，它的无损检测过程 必须也是安全可控的，由于反应堆压力容器所处环境及反应堆压力容器自身 形状特点，检测机器人安装后各轴将处于人工监测及摄像头检测难以全面监 测的环境中，无图行显示控制方式在对机器人自身姿态以及相对于压力容器 位置关系不确定的情况下检查机器人的所有运动的安全性将很难以保证。2、 二维图形显示控制虽可以在一个平面内用二维的图形显示直线运动轴与反 应堆压力容器的位置关系，但却无法显示实际设备所有轴的姿态以及位置关 系。为了使无损检测机器人到达目标检查位置，操作人员需要根据经验反复 调整，过多的调整造成运动效率低下，增加了设备故障及误操作概率，降低 了运动控制效率。现有控制技术在机器人各轴运动中，若要规避或达到某些 特定位置时，需要操作人员根据经验进行人为不停调整，进行无损检测的效 率低，不能在线操作和进行运动控制。本发明因此而来。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于虚拟现实技术的无损检测机器人智能检 测方法，解决了现有技术中无损检测机器人通过无图行显示控制或者二维图 形控制进行无损检测，需要操作人员具有较高的技术水平以及较为丰富的调 整经验进行反复调整和运动控制，无损检测效率低、检测需要根据经验频繁 调整等技术问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于虚拟现实技术的无损检测机器人智能检测方法，其特征在于在 检测前需要预先采用虚拟现实技术构建无损检测机器人仿真模型以及反应 堆压力容器仿真模型，所述方法包括以下步骤：

（1）将进行无损检测的无损检测机器人安装到待检测的反应堆压力容 器内的预定位置；

（2）将无损检测机器人各个自由度运动轴恢复到初始状态后，然后对 各个自由度运动轴进行位置标定，并确定一个自由度的运动轴末端位置为工 作零点，构建全局坐标系和各个自由度运动轴的轴坐标系；

（3）使无损检测机器人仿真模型与被仿真的标定后无损检测机器人建 立对应关系以及使反应堆压力容器仿真模型与被仿真的标定后反应堆压力 容器之间建立对应关系；即使仿真模型与实际设备建立对应关系；

（4）无损检测机器人仿真模型根据实时获取的无损检测机器人各个自 由度运动轴的位置姿态信息反馈值在三维虚拟环境中进行位置姿态变换，虚 拟显示并控制无损检测机器人同步运动进行无损检测。

优选的，所述方法中无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力容器仿真 模型通过三维建模软件构建，启动无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力 容器仿真模型后，以反应堆压力容器为应用场景开始标定无损检测机器人各 个自由度运动轴到初始位置。

优选的，所述方法中使仿真模型与被仿真的硬件设备建立对应关系是按 照如下步骤进行：

（1）将无损检测机器人各部件组装后进行运动控制功能、安全功能测 试，确保硬件设备功能正常运行；

（2）将无损检测机器人安装至反应堆压力容器规定位置，然后对无损 检测机器人各个自由度运动轴进行位置标定；

（3）各个自由度运动轴位置标定完成后，并确认标定准确后，启动无 损检测机器人仿真模型、反应堆压力容器仿真模型进行同步处理，以反应堆 压力容器仿真模型为应用场景，将无损检测机器人仿真模型各个自由度运动 轴同步到标定后的位置坐标；

（4）同步完成后即建立了硬件设备与虚拟现实中仿真设备的姿态与位 置的对应关系。

优选的，所述方法步骤（2）中进行各个自由度运动轴位置标定的步骤 包括：

（1）预先对各个自由度运动轴的使能、速度、软件限位、控制器限位 进行初始化设置；

（2）标定开始后，运动轴向负机械限位进行运动，时刻检测运动轴是 否到达负机械限位；

（3）到达负机械限位后向正方向运动，根据各个自由度运动轴的特点 和需要到达的预定位置确定运动量；

（4）标定结束，通过标定确定各个自由度运动轴的参数。

优选的，所述方法步骤（4）中控制无损检测机器人同步运动的具体步 骤包括：

1）无损检测机器人各个自由度运动轴运动后按照预定周期向控制卡或 者控制盒发送无损检测机器人各个自由度运动轴的编码器反馈值；

2）控制卡或者控制盒读取无损检测机器人各个自由度运动轴的编码器 返回值，换算得到无损检测机器人各个自由度运动轴中直线轴的运动距离及 旋转轴的运动角度；

3）无损检测机器人仿真模型和反应堆压力容器仿真模型通过三维坐标 的确定及图形变换算法，将编码器返回值所代表的实际物理量进行解算，获 得驱动无损检测机器人仿真模型进行变换的解，驱动无损检测机器人仿真模 型变换，实现虚拟现实中无损检测机器人仿真模型与实际无损检测机器人的 同步运动。

优选的，所述方法中无损检测机器人设置有与核电站反应堆压力容器具 体安装工位配合的安装臂,每个安装臂末端设置气动定心装置与核电站反应 堆压力容器具体安装工位插接配合；所述安装臂间设置立柱，所述安装臂固 定连接在立柱上，所述立柱下端连接若干个用来进行无损检测的机械臂；所 述机械臂末端固定探头工具架。

优选的，所述方法中假设将无损检测机器人的机械臂视为2个终端连杆 间连接若干个中间连杆的机构，连杆之间通过关节连接；假设从非执行器端 到执行器端的连杆依次编号为0,1,2…,n，连接第i-1个连杆和第i个连杆的 运动副记作第i各关节，在第i个关节处建立第i个坐标系，由原点O_i和坐 标轴X_i,Y_i,Z_i定义的坐标系F_i被固结到第i-1个连杆上，则坐标系F_i定义如下：

1）Z_i定义是第i个关节的轴线；轴线的正方向在一条直线上具有两种可 能，移动关节的Z_i轴位于任意位置，而关节定义了它的方向；

2）X_i定义为Z_i-1和Z_i的公垂线，方向是Z_i-1指向Z_i；如果Z_i-1和Z_i相交，X_i的 正方向任意指定，如果单位矢量i_i,k_i-1和k_i分别固定在X_i,Z_i-1和Z_i上，则i_i被定 义为k_i-1×k_i；如果Z_i-1和Z_i平行，规定X_i通过第i-1个坐标系的原点；

3）Z_i和Z_i+1之间的距离定义为a_i，是非负值；

4）Z_i和X_i+1的交点的Z_i坐标定义b_i；b_i的绝对值是X_i和X_i+1之间的距离， 称为连续公垂线之间的偏移；

5）Z_i和Z_i+1之间的夹角定义为α_i，测量的正方向与X_i+1定义相关，称为 连续一对轴的扭角。

6）X_i和X_i+1之间的夹角定义为θ_i，测量的正方向与Z_i定义相关；

按照上述定义对无损检测机器人的各个机械臂构建整体的全局坐标系。

优选的，所述方法步骤（4）中进行位置姿态变换时，按照公式（I）：

rot(z,θ_i)*trans(0,0,d_i)*trans(a_i,0,0)*rot(x,α_i)      （I）；

计算无损检测机器人的运动轴末端姿态，得到末端姿态矩阵：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_i& -\sin {\theta }_i\cos {\alpha }_i& \sin {\theta }_i\sin {\alpha }_i& {\alpha }_i\cos {\theta }_i\\ \sin {\theta }_i& \cos {\theta }_i\cos {\alpha }_i& -\cos {\theta }_i\sin {\alpha }_i& {\alpha }_i\sin {\theta }_i\\ 0& \sin {\alpha }_i& \cos {\alpha }_i& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(\mathrm{II}\right);$

其中$\mathrm{rot}(z,{\theta }_i)=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_i& -\sin {\theta }_i& 0& 0\\ \sin {\theta }_i& \cos {\theta }_i& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$$\mathrm{trans}(\mathrm{0,0},d_i)=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$

$\mathrm{trans}(a_i,\mathrm{0,0})=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$$\mathrm{rot}(x,{\alpha }_i)=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos {\alpha }_i& -\sin {\alpha }_i& 0\\ 0& \sin {\alpha }_i& \cos {\alpha }_i& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right);$

其中用来进行位置姿态变换时采用的图形变换参数表为：

采用上述的图形变换参数表代入公式（II）即可得到各运动轴的末端姿 态。

优选的，所述方法步骤（4）进行位置姿态变换时，如果无损检测机器 人仿真模型与反应堆压力容器仿真模型存在干涉，则停止无损检测机器人各 个运动轴的运动；否则继续运行检测。

优选的，所述方法中运动轴的运动可以通过预先确定运动轨迹，然后按 照运动轨迹进行运动实现智能检测。

具体的，运动轨迹智能检测方法包括以下步骤：

（1）将进行无损检测的无损检测机器人安装到待检测的反应堆压力容 器内的预定位置；

（2）构建全局坐标系和轴坐标系，根据无损检测机器人在待检测的反 应堆压力容器内的位置确定无损检测机器人各个运动轴上探头进行无损检 测时各个运动轴在坐标系中的源坐标；

（3）根据待检测的反应堆压力容器内待检测对象的位置确定无损检测 机器人各个运动轴上探头进行无损检测时各个运动轴在坐标系中的目标坐 标；

（4）根据源坐标和目标坐标确定无损检测机器人各个运动轴的运动量 和运动方式；由各个运动轴的运动量和运动方式确定无损检测机器人进行无 损检测时的运行轨迹；

（5）无损检测机器人根据检测指令沿运行轨迹进行无损检测。

构建全局坐标系和轴坐标系前，需要将无损检测机器人各个运动轴恢复 到初始状态后，并标定为一个自由度的运动轴位置为工作零点；以工作零点 为零点坐标构建全局坐标系和轴坐标系，并确定其他运动轴的末端位置坐标 作为源坐标。

本发明的另一目的在于提供一种无损检测机器人智能检测系统，其特征 在于所述系统包括用于采用虚拟现实技术构建无损检测机器人仿真模型以 及反应堆压力容器仿真模型，并用于将进行无损检测的无损检测机器人安装 到待检测的反应堆压力容器内的预定位置；将无损检测机器人各个运动轴恢 复到初始状态后，并标定一个自由度的运动轴末端位置，确定工作零点；并 以工作零点为零点坐标构建全局坐标系和轴坐标系；使无损检测机器人仿真 模型与被仿真的标定后无损检测机器人建立对应关系以及使反应堆压力容 器仿真模型与被仿真的标定后反应堆压力容器之间建立对应关系的三维虚 拟显示模块；和，

用于无损检测机器人仿真模型根据实时获取的无损检测机器人各个自 由度运动轴的位置姿态信息反馈值在三维虚拟环境中进行位置姿态变换，虚 拟显示并控制无损检测机器人进行无损检测的检测模块。

其中三维虚拟显示模块包括用于对无损检测机器人仿真模型以及反应 堆压力容器仿真模型在使用场景内进行标准视图操作和任意视角调整操作 的视图操作子模块、用于对无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力容器仿 真模型所处环境进行显示与隐藏操作的模型消隐模块、用于对无损检测机器 人仿真模型以及反应堆压力容器仿真模型的每一个零件的初始位姿数据，遍 历模型装配体中所有零件当前位置，并将位置信息存入到数据库进行更新的 初始位置设置模块、用于读取数据库中模型装配体中所有零件的初始位置信 息，并将相应模型移动到初始位置的复位模块、用于以模型当前位置为基准， 计算模型下一工作位置的动作捕捉开始模块、用于暂停模型运动的捕捉结束 模块以及用于清除模型运动误差，实现仿真模型与实际物体位置统一的清除 误差模块。

模型进行运动捕捉时，一旦模型发生干涉，发出警报并停住模型所有运 动。

用户发送检测指令时，无损检测机器人接收用户的指令，并通过将指令 和运动轴的运动轨迹解析，传输给无损检测机器人的电机驱动器及电机驱动 器控制的电机，电机驱动各运动轴沿运动轨迹运动到目标坐标进行检测。

无损检测机器人欲达到某一特定位置，各个运动轴需要运动的量取决于 当前位置与目标位置的关系，同时可能受到其他特定点或特定条件的影响， 如果无损检测机器人设备没有控制算法解算各个运动轴的运动过程及运动 轨迹规划，无法根据目标位置、当前位置、客观存在的约束条件及特定位置 到达需求完成智能化的运动控制。

本发明通过虚拟现实技术实现三维实时显示控制检测的进行，通过全比 例全尺寸的三维显示的方式反映反应堆压力容器无损检测机器人是一个自 由度运动轴的姿态以及机器人与反应堆压力容器的相对位置关系，实现一种 所见即所得的模拟实际现场工作环境及工况的显示控制方式，并可通过视图 变换、部件的消隐、干涉检测对整个无损检查活动提供全方位立体化的显示 和监控，对机器人所有检查动作及运动控制进行监控，起到极为重要的安全 保障和显示控制功能。

本发明技术方案中无损检测机器人各个自由度运动轴上固定的表面超 声检测探头或涡流检测探头。优选的技术方案是：所述无损检测机器人设置 有2～20个自由度的运动轴。优选的是所述无损检测机器人至少设置有2个 运动轴；每个运动轴至少具有2个自由度。更为优选的是所述无损检测机器 人设置有2个运动轴；每个运动轴具有4个自由度。

当所述无损检测机器人的运动轴具有4个自由度时，则4个自由度的运 动轴依次为可在预定空间（三维空间坐标系）内进行精确移动的X轴、Y轴、 Z轴以及用于在预定空间内进行360°范围内旋转运动的W轴。这些运动轴 与伺服电机连接，通过控制卡或控制盒控制运动步进或旋转角度。无损检测 机器人每个运动轴的运动可以是每个自由度的运动轴依次运动进行，也可以 同时运动进行。本发明所述的依次运动进行是指当一个自由度的运动轴通过 控制指令和相应控制参数运动到停止后，另一个自由度的运动轴开始运动。 本发明所述的同时运动进行是指多个自由度的运动轴根据各自接收的控制 指令和相应控制参数进行同时运动，其可以同时停止，也可以不同时停止； 这根据多个自由度的运动轴各自运动的路径决定。

具体的，X轴运动为X轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上 的直线运动；Y轴运动为Y轴在三维空间坐标系（预定核电站反应堆压力容 器空间）内进行水平方向上的直线运动，且与X轴运动方向垂直；Z轴运动 为Z轴在三维空间坐标系（预定核电站反应堆压力容器空间）内进行竖直方 向上的直线运动，其与X轴运动方向、X轴运动方向构成的平面垂直；W 轴运动为W轴在三维空间坐标系（预定核电站反应堆压力容器空间）内进 行360°范围内旋转运动。

本发明技术方案获得运动轨迹后，由运动轨迹形成各个自由度运动轴的 控制指令和相应的控制参数的具体方法不再详述。商业上有现成的可编程的 控制卡或控制盒可供参考。将相应的运动轨迹按照核电站相应的操作规程进 行编程后，写入控制卡或者控制盒可以形成各个自由度运动轴的控制指令和 相应的控制参数。这些控制卡或者控制盒可以控制各个自由度运动轴的伺服 电机进行相应的运动处理。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

与现有手动扫查模式相比，本发明的无损检测机器人智能检测系统及智 能检测方法有效简化了检测流程、提高了检测精度及速度、减少了在役是检 查人员辐照剂量水平。本发明技术方案中通过三维虚拟环境的建立、三维机 器人以及被检查部件的建模、机器人全局坐标以及运动自由度坐标系的建立、 图形变换算法的计算并驱动图形变换的机制和显示控制方式，将三维虚拟现 实技术应用到反应堆压力容器无损检测机器人进行无损检测项目实施中，实 现了全方位立体化的所见即所得的显示控制模式，大大提高了现场项目实施 的安全性、提高了项目实施效率、提高了机器人控制效率及控制性能、减少 了不必要的操作并降低了人因失误发生概率，提高了机器人控制系统整体性 能稳定性、安全性和操作性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为无损检测机器人智能检测系统的结构框图；

图2为无损检测机器人智能检测系统进行检测作业时的连接示意图；

图3为无损检测机器人的结构示意图；

图4为无损检测机器人智能检测系统进行检测作业时在三维环境中进 行模拟现实的流程图；

图5为无损检测机器人仿真模型与实际的无损检测机器人进行坐标转 换的原理图；

图6为无损检测机器人智能检测系统进行检测作业的具体实际操作流 程图；

图7为无损检测机器人仿真模型与实际的无损检测机器人进行同步运 动的流程图

图8为实际的无损检测机器人的标定流程图；

图9为无损检测机器人仿真模型与实际的无损检测机器人运动时反馈 与坐标转换过程示意图。

图10为无损检测机器人智能检测系统进行检测作业的整体流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是 用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以 根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的 条件。

实施例

如图1所示，该无损检测机器人智能检测系统，包括用于采用虚拟现实 技术构建无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力容器仿真模型，并用于将 进行无损检测的无损检测机器人安装到待检测的反应堆压力容器内的预定 位置；将无损检测机器人各个运动轴恢复到初始状态后，并标定一个自由度 的运动轴末端位置，确定工作零点；并以工作零点为零点坐标构建全局坐标 系和轴坐标系；使无损检测机器人仿真模型与被仿真的标定后无损检测机器 人建立对应关系以及使反应堆压力容器仿真模型与被仿真的标定后反应堆 压力容器之间建立对应关系的三维虚拟显示模块；用于无损检测机器人仿真 模型根据实时获取的无损检测机器人各个自由度运动轴的位置姿态信息反 馈值在三维虚拟环境中进行位置姿态变换，虚拟显示并控制无损检测机器人 进行无损检测的检测模块。

其中三维虚拟显示模块包括用于对无损检测机器人仿真模型以及反应 堆压力容器仿真模型在使用场景内进行标准视图操作和任意视角调整操作 的视图操作子模块、用于对无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力容器仿 真模型所处环境进行显示与隐藏操作的模型消隐模块、用于对无损检测机器 人仿真模型以及反应堆压力容器仿真模型的每一个零件的初始位姿数据，遍 历模型装配体中所有零件当前位置，并将位置信息存入到数据库进行更新的 初始位置设置模块、用于读取数据库中模型装配体中所有零件的初始位置信 息，并将相应模型移动到初始位置的复位模块、用于以模型当前位置为基准， 计算模型下一工作位置的动作捕捉开始模块、用于暂停模型运动的捕捉结束 模块以及用于清除模型运动误差，实现仿真模型与实际物体位置统一的清除 误差模块。

如图2所示，该无损检测机器人智能检测系统安装在上位机上，并与控 制卡连接控制无损检测机器人。所述无损检测机器人每个运动轴上固定的表 面超声检测探头或涡流检测探头。所述无损检测机器人设置有个11个运动 轴，其中至少有2个运动轴设置有4个自由度。4个自由度依次为可在预定 空间内进行精确移动的X轴运动、Y轴运动、Z轴运动以及用于在预定空间 内进行360°范围内旋转运动的W轴运动。这些运动轴与伺服电机（可以是 单一的伺服电机，也可以是多个伺服电机进行运动轴驱动）连接，通过控制 卡或控制盒控制运动步进或旋转角度。

其中X轴运动为X轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直 线运动；Y轴运动为Y轴在核电站反应堆压力容器内进行水平方向上的直线 运动，且与X轴运动方向垂直；Z轴运动为Z轴在核电站反应堆压力容器 内进行竖直方向上的直线运动，其与X轴运动方向、X轴运动方向构成的平 面垂直；W轴运动为W轴在核电站反应堆压力容器内进行360°范围内旋 转运动。运动原理过程将在获得运动轨迹的过程具体描述。

所述无损检测机器人如图3所示，设置有与核电站反应堆压力容器具体 安装工位配合的安装臂1（具有三个，用来支撑无损检测机器人并配合安装 在安装工位上）,每个安装臂末端设置气动定心装置2与核电站反应堆压力 容器具体安装工位插接配合。所述安装臂与无损检测机器人的本体——立 柱3固定连接，所述立柱3下端根据核电站反应堆压力容器内待检测部件的 情况设置若干个用来进行无损检测的机械臂4。根据核电站反应堆压力容器 内待检测部件的情况，可以设置法兰扫查机械臂、管嘴扫查机械臂、下封头 扫查机械臂等；每个机械臂上设置若干个自由度的运动轴。运动轴末端位置 根据实际情况可以设置前端旋转副5，所述前端旋转副上固定连接检测探头 的探头工具架6，通过运动轴输送探头到目标位置。

如图10所示，进行核电站反应堆压力容器内无损检测时，具体按照如 下步骤进行：

1、将反应堆压力容器无损检测机器人按照规定安装位置安装于待检反 应堆压力容器上。

具体安装过程不再详述。核电站反应堆压力容器内预设很多安装工位， 核电站操作人员根据安装导向柱的提示将无损检测机器人安装到预定工位 即可。

2、对反应堆压力容器无损检测机器人的是一个自由度运动轴进行位置 标定，确定唯一个工作零点及全局坐标写及轴坐标系。

通常先将无损检测机器人各个运动轴恢复到初始状态，并标定为一个自 由度的运动轴位置为工作零点。如以立柱的垂直自由度的运动轴的末端位置 标定为零点坐标（0,0,0）。将无损检测机器人各个自由度运动轴恢复到初始 状态后，然后对各个自由度运动轴进行位置标定，并确定一个自由度的运动 轴末端位置为工作零点，构建全局坐标系和各个自由度运动轴的轴坐标系。

如图8所示，进行各个自由度运动轴位置标定的步骤包括：

1）预先对各个自由度运动轴的使能、速度、软件限位、控制器限位进 行初始化设置；

2）标定开始后，运动轴向负机械限位进行运动，时刻检测运动轴是否 到达负机械限位；

3）到达负机械限位后向正方向运动，根据各个自由度运动轴的特点和 需要到达的预定位置确定运动量；

4）标定结束，通过标定确定各个自由度运动轴的参数。

当将检测系统构建形成软件时，先对运动轴使能、速度、软件限位、控 制器限位进行初始化设置；然后采用软件开始标定，标定程序下达控制卡， 运动轴向负机械限位进行运动，时刻检测运动轴是否到达负机械限位；到达 负机械限位后向正方向运动，运动量取决于各轴特点和所要到达的预定位置， 标定动作完成。

3、连接设备，启动三维显示控制界面，经过标定的机器人与三维虚拟 现实环境中的无损检测机器人以及反应堆压力容器即建立了对应关系。

如图7所示，所述方法中使仿真模型与被仿真的硬件设备建立对应关系 是按照如下步骤进行：

1）将无损检测机器人各部件组装后进行运动控制功能、安全功能测试， 确保硬件设备功能正常运行；

2）将无损检测机器人安装至反应堆压力容器规定位置，然后对无损检 测机器人各个自由度运动轴进行位置标定；

3）各个自由度运动轴位置标定完成后，并确认标定准确后，启动无损 检测机器人仿真模型、反应堆压力容器仿真模型进行同步处理，以反应堆压 力容器仿真模型为应用场景，将无损检测机器人仿真模型各个自由度运动轴 同步到标定后的位置坐标；

4）同步完成后即建立了硬件设备与虚拟现实中仿真设备的姿态与位置 的对应关系。

其中无损检测机器人组装后进行基本运动控制功能测试和安全功能测 试。该系统形成软件后，通过软件控制无损检测机器人十一个自由度进行位 置标定，确认位置标定完成且位置标定正确后打开三维虚拟显示界面进行同 步，同步完成后即建立了硬件设备与虚拟现实中仿真设备的姿态与位置的对 应关系。

如图4和图6所示，此时无损检测机器人仿真模型以及反应堆压力容器 仿真模型已经构建。其构建方法可以采用Solid Works软件作为显示软件， 在其基础上进行二次开发，通过Solid Works软件提供的API调用三维软件 本身的功能，直接在已有功能的基础上开发特定功能的软件模块。如采用 Visual C#软件进行二次开发，在Solid Works中编写插件程序，使用插件程 序去控制Solid Works软件中的三维模型。

针对无损检测机器人和反应堆压力容器的具体结构构造连接关系，利用 Solid Works软件提供的API实现各种无损检测机器人和反应堆压力容器的 仿真模型构建，并提供三维实时显示界面，用来显示与现场条件相一致的操 作环境，实时显示无损检测机器人在反应堆压力容器内运行情况，能够对虚 拟模型进行标准视图和任意角度视图的调整，图形不出现失真，变形。并且 为方便模型表达，增加对模型所处环境进行显示与隐藏操作。这些构成三维 虚拟显示模块的子模块。

视图操作子模块可以实现对虚拟模型进行标准视图和任意角度视图的 调整，图形不出现失真，变形。可以对虚拟模型进行任意角度的调整，在捕 捉过程中实时的放大缩小模型，调整视图主要分为两种调节模式。第一种是 任意视角调整模式可以对任意角度进行调整，输入要旋转的角度，通过点击 相应的调整按钮来实现任意角度的模型角度调整；第二种是标准视图操作模 式，通过调用Solid Works API函数，在编程界面上添加按钮，实现虚拟模 型正视，下视，右视等这些标准视图操作。

模型消隐模块用于方便模型表达，通过点击相应的显示与隐藏按钮，对 核反应堆压力容器仿真模型进行分块的显示与隐藏。

4、控制软件控制机器人运动，并实时获取机器人各轴编码器反馈值， 该反馈值代表了机器人各自由度运动轴的位置姿态信息，三维模型经过全局 坐标系、运动轴自由度坐标系、机器人运动模型等要素的解算，将实际运动 值及机器人现姿态进行计算并驱动三维模型进行矩阵计算以此完成机器人 模型相对反应堆压力容器模型在三维虚拟环境中进行准确变换，以完成反映 机器人及被检测设备的虚拟显示控制的功能。

如图9所示，控制无损检测机器人同步运动的具体步骤包括：

1）无损检测机器人各个自由度运动轴运动后按照预定周期向控制卡或 者控制盒发送无损检测机器人各个自由度运动轴的编码器反馈值；

2）控制卡或者控制盒读取无损检测机器人各个自由度运动轴的编码器 返回值，换算得到无损检测机器人各个自由度运动轴中直线轴的运动距离及 旋转轴的运动角度；

3）无损检测机器人仿真模型和反应堆压力容器仿真模型通过三维坐标 的确定及图形变换算法，将编码器返回值所代表的实际物理量进行解算，获 得驱动无损检测机器人仿真模型进行变换的解，驱动无损检测机器人仿真模 型变换，实现虚拟现实中无损检测机器人仿真模型与实际无损检测机器人的 同步运动。

其中操作人员可以根据操作习惯、操作机器人所运动的轨迹、监察规程 等情况对三维虚拟现实界面进行视图变换、部件消隐、干涉检测等功能。

无损检测机器人仿真模型是用来对无损检测机器人的运动过程进行的 三维虚拟显示。反应堆压力容器仿真模型是反应堆压力容器的进行的三维虚 拟显示，由于在检测过程中反应堆压力容器为静止状态，因此可以将反应堆 压力容器仿真模型作为使用场景。反应堆压力容器仿真模型通过显示与隐藏 零件可以实现模型消隐，方便用户使用时观察。而无损检测机器人仿真模型 除了这些功能，还需要对运动轴的动作进行捕捉和计算，以方便进行检测。

这些仿真模型进行虚拟显示需要采用显示算法。为了保证仿真和数据传 输的实时性，需要整体模型的准确构建和显示算法的合理。其中整体模型可 以参照实物模型按照预定比例进行构建；而显示算法则采用计算机图形学进 行建模，经过仿真实验验证了算法的合理性。

计算机图形学的本质是坐标变换，按照计算机图形学中图形变换的规则 在无损检测机器人的移动及转动关节建立坐标，然后进行相应的坐标变换， 得到关节变量参数表，带入方程得到各个关节变化规律，写入程序即可。

根据坐标系在关节建立位置的不同，计算机图形学中坐标系的建立通常 可以分为坐标系前置法和坐标系后置法。

本发明技术方案中采用坐标系前置法，在本发明中无损检测机器人可以 看作是一组连杆的集合，连杆之间通过运动副相连接。连接两个连杆的关节， 约束它们之间的相对运动。无损检测机器人的运动链由两类连杆组成：中间 连杆和终端连杆。将一个终端连杆作为基础连杆，然后连接关节，关节再连 接中间连杆，然后连接关节，关节连接中间连杆，以此类推，最后关节连接 另外一个终端连杆。连杆从基础连杆到末端执行器依次编号为0,1,2…,n，连 接第i-1个连杆和第i个连杆的运动副记作第i各关节，这样机械本体可以 看作是由n+1个连杆和n个关节组成。在第i个关节处建立第i个坐标系， 由原点O_i和坐标轴X_i,Y_i,Z_i定义的坐标系F_i被固结到第i-1个连杆上，坐标系根 据如下规则定义：

1Z_i是第i个关节的轴线。轴线的正方向由两种可能，而且，移动关节的 Z_i轴可以位于任意位置，因为该运动副只定义了它的方向。

2X_i定义为Z_i-1和Z_i的公垂线，方向是前者指向后者。如果Z_i-1和Z_i相交， X_i的正方向就不确定，可任意指定。在这种情况下规定：如果单位矢量i_i,k_i-1和k_i分别固定在X_i,Z_i-1和Z_i上，则i_i被定义为k_i-1×k_i。如果Z_i-1和Z_i平行，X_i的 位置就不确定。为保证定义唯一，规定X_i通过第i-1个坐标系的原点。

3Z_i和Z_i+1之间的距离定义为a_i，是非负值。

4Z_i和X_i+1的交点的Z_i坐标记作b_i。由于这个量是坐标，可正可负。它的 绝对值是X_i和X_i+1之间的距离，称为连续公垂线之间的偏移。

5Z_i和Z_i+1之间的夹角定义为α_i，测量的正方向关于X_i+1定义。这个量被 称为连续一对轴的扭角。

6X_i和X_i+1之间的夹角定义为θ_i，测量的正方向关于Z_i定义。

按照这种规则，对无损检测机器人进行整体建立全局坐标。如图5所示 为建立的无损检测机器人全局坐标示意图。其相应的参数表，如表1所示， 可以进而推算出图形变换方程。

表1图形变换参数表

这些参数表经过验证，这种建立坐标方法及根据坐标系确定的参数表是 正确的。

为计算机器人末端姿态，将图形变换参数表代入末端姿态计算公式（I）：

rot(z,θ_i)*trans(0,0,d_i)*trans(a_i,0,0)*rot(x,α_i)      （I）；

计算无损检测机器人的运动轴末端姿态，得到末端姿态矩阵：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_i& -\sin {\theta }_i\cos {\alpha }_i& \sin {\theta }_i\sin {\alpha }_i& {\alpha }_i\cos {\theta }_i\\ \sin {\theta }_i& \cos {\theta }_i\cos {\alpha }_i& -\cos {\theta }_i\sin {\alpha }_i& {\alpha }_i\sin {\theta }_i\\ 0& \sin {\alpha }_i& \cos {\alpha }_i& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(\mathrm{II}\right);$

其中$\mathrm{rot}(z,{\theta }_i)=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_i& -\sin {\theta }_i& 0& 0\\ \sin {\theta }_i& \cos {\theta }_i& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$$\mathrm{trans}(\mathrm{0,0},d_i)=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$

$\mathrm{trans}(a_i,\mathrm{0,0})=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right),$$\mathrm{rot}(x,{\alpha }_i)=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos {\alpha }_i& -\sin {\alpha }_i& 0\\ 0& \sin {\alpha }_i& \cos {\alpha }_i& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right).$

以表中第二行参数表为例，里面对应参数θ_i=90,d_i=5.773,a_i=0,α_i= 90。带入计算公式中得到末端姿态矩阵$\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 5.773\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right).$

当无损检测机器人存在十一个自由度运动轴，需要实时获取十一个自由 度的编码器返回值。通过工业以太网与无损检测机器人进行连接，通过控制 卡指令读取各自由度编码器返回值，通过换算得到直线轴运动距离及旋转轴 运动角度，通过三维模块坐标的确定及图形变换算法的实现，将编码器返回 值所代表的实际物理量进行解算，通过算法解算后获得驱动三维模型进行变 换的解，驱动三维模型变换，实现虚拟现实中机器人与实际无损检测机器人 的同步运动。

在三维模型显示过程中，操作人员通过键盘、鼠标等输入设备对三维图 形进行旋转、缩放操作，图形不出现失真、变形、消失等错误画面。保证三 维模型精度，确保软件仿真中反应堆压力容器结构、机器人运动结果精度。 具体指标如下：1.平移误差≤0.5mm，转动角度误差≤0.1°；2.数据采集率： ≥95%；3.动态信息及时率：≥95%；4.静态信息全面率：≥95%；5.信息 准确率：≥95%。

从时间特性上来讲，为了保证软件仿真和数据传输的实时性，必须保证： 1.通讯响应时间≤0.5秒；2.实时信息刷新周期≤1秒；3.软件持续运行时间 ≥7天。

用户发送检测指令时，无损检测机器人接收用户的指令，并通过将指令 和运动轴的运动轨迹解析，传输给无损检测机器人的电机驱动器及电机驱动 器控制的电机，电机驱动各运动轴沿运动轨迹运动到目标坐标进行检测。

在实际无损检测过程中，可能待检测的目标位置确定，无损检测机器人 的安装位置确定，待检测的目标的空间位置坐标、无损检测机器人各个运动 轴的运动轨迹已经确定，此时可以按照预定的轨迹进行运行（可谓正解）。 而一般情况下，运动轨迹需要根据待检测的目标的空间位置坐标、无损检测 机器人各个运动轴末端位置坐标通过上述的三维空间算法计算获得（谓之逆 解）。实际上，正解过程中已经预先确定运动轨迹也是根据待检测的目标的 空间位置坐标、无损检测机器人各个运动轴末端位置坐标通过上述的三维空 间算法计算获得的。

进行无损检测时，各个运动轴按照运动轨迹进行运动。需要对运动轴的 运动情况进行扫查。当且仅当所有运动轴均运动到位后，才进行探头的无损 检测。判断各个运动轴是否运动到位，可以通过在运动轨迹上设置若干个路 径点进行。当某个运动轴到达运动轨迹的路径点时，通过控制运动轴运动的 控制卡向用户发送脉冲提示信号，确认运动轴运动到确定位置。

其中上位机为PC机，配置：戴尔Precision T3500，1个Xeon W3503CPU 处理器，16GB内存，2048GB硬盘，运行于Windows XP SP3操作系统。无 损检测机器人各个自由度运动轴的行程范围可以预先设置。x轴行程范围 0-1200mm，y轴行程范围0-1000mm，z轴行程范围0-600mm，w轴为周向 旋转轴，可做360°周向旋转。轴向定位精度±0.05mm，重复定位精度正负 0.05mm。周向定位精度±0.1°，重复定位精度±0.05°。

控制卡采用Galil公司的四轴运动控制卡，可完成4个运动轴的双闭环 （速度环和位置环）伺服控制，经过光电隔离保护后可接受实时位置信号及 零点信号反馈。通常运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责 人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标 的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监 控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、 自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。自带库函数包括S型、 T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。实现运动控制的底层软 件和硬件集成在一起，具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能， 这些功能通过计算机可以方便地调用，简化了控制软件的编程。

伺服电机通过伺服驱动器进行驱动。伺服驱动器可以采用MAXON公 司生产的大功率PWM驱动器，用于DC有刷伺服电机的驱动。输出功率范 围10-250W，满足设计需要。由于是PWM型驱动器其高频分量对编码器信 号、超声/涡流信号有极大的干扰，为了抑制电磁干扰，在硬件上设计了滤 波电路，在软件上增加了部分滤波算法。

伺服电机的电源驱动采用系统可靠性高，技术成熟、性价比高的台湾明 纬电源。目前该类产品已广泛应用于各类检测设备中。

经在测试环境下进行扫查，其误差能控制在≦1％以下，检测精度极高； 由于可以通过pc机进行控制，实现了远端网络控制检测，避免了人身辐射 剂量的累积。与现有手动模式相比，该智能检测系统及智能检测方法有效简 化了检测流程、提高了检测精度及速度、减少了在役是检查人员辐照剂量水 平。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护 范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。