核设施退役双臂机器人及控制系统

摘要

核设施退役双臂机器人及控制系统，属于核设施退役技术领域。机器人的液压系统执行端与移动平台后端固定连接，回转平台转动安装在移动平台前端中部，液压系统执行端与工具库连接，工具库设置在液压系统与回转平台之间，工具库的每个工具后端均与一个工具端快换接头固定连接，两个机械臂均固定安装在回转平台上，两个机械臂末端均固定有机械臂快换接头；当机械臂快换接头与工具端快换接头快速对接时，实现机械臂取工具操作。远程控制系统通过网络交换机分别与两个机械臂系统信号连接，远程控制系统与网络交换机双向信号连接，网络交换机与两个机械臂系统双向信号连接。本发明用于核燃料后处理厂房设备管道拆除。

说明书

技术领域

本发明属于核设施退役技术领域，具体涉及一种核设施退役双臂机器人及控制系统。

背景技术

核燃料后处理厂退役具有放射性水平高、设施规模大、设备类型多样、现场情况复杂等特点，针对这类设施的退役，一般采用远距离遥控操作的方式完成。但现阶段国内核设施退役治理单位使用的机器人和机械手等远距离遥控操作装备均以引进为主，由于引进的机器人都是针对国外核设施的情况开发的，国内又主要是针对特定任务进行引进，导致引进的机器人在国内存在维护保养困难、备品备件费用高、扩展接口少、升级再利用难度大等问题，这些问题一定程度影响了我国核燃料后处理厂退役治理工作的进程。

发明内容

本发明的目的在于针对核燃料后处理厂房相对复杂的设备管道拆除工作，提供一种可完成切割、钻孔、剪切、夹持、回取等工作的核设施退役双臂机器人，在核设施退役工作中开展应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种核设施退役双臂机器人，包括移动平台、液压系统、工具库、回转平台、两个机械臂、两个机械臂快换接头及多个工具端快换接头；

液压系统的执行端与移动平台的后端固定连接，回转平台转动安装在移动平台的前端中部，液压系统的执行端与工具库连接，工具库设置在液压系统与回转平台之间，工具库的每个工具的后端均与一个工具端快换接头固定连接，两个机械臂均固定安装在回转平台上，两个机械臂的末端均固定有机械臂快换接头；当机械臂快换接头与工具端快换接头快速对接时，实现机械臂取工具操作。

进一步的是，移动平台为履带式移动平台。

进一步的是，工具库包括工具安装平台和五个工具，工具安装平台的外边缘设有多个凹槽，五个工具分别装在对应的凹槽内，五个工具分别是盘式切割工具、剪切工具、钻孔工具、夹持工具及等离子切割工具；液压系统的执行端与工具安装平台后端连接。

进一步的是，两个机械臂中心线呈12°对称布置。

一种核设施退役双臂机器人控制系统，基于上述核设施退役双臂机器人，核设施退役双臂机器人控制系统包括远程控制系统和现场操作系统，现场操作系统包括网络交换机和两个机械臂系统，远程控制系统通过网络交换机分别与两个机械臂系统信号连接，其中，远程控制系统与网络交换机双向信号连接，网络交换机与两个机械臂系统双向信号连接；

每个机械臂系统包括工业相机组、零位光电开关组及ARM微处理器组；通过网络交换机与六轴运动控制器、电机驱动器组及直流无刷力矩电机组依次双向信号连接，零位光电开关组与机械臂的六轴运动控制器信号连接，机械臂的一对极旋转变压器组与电机驱动器组信号连接，工业相机组与ARM微处理器组双向信号连接，ARM微处理器组与网络交换机双向信号连接；

网络交换机、ARM微处理器组、六轴运动控制器、电机驱动器组均安装在小机柜内，小机柜安装在回转平台上。

进一步的是，远程控制系统包括遥操作控制台、界面显示屏、嵌入式工控机及操作手柄；界面显示屏、嵌入式工控机及操作手柄均安装在遥操作控制台上，界面显示屏与嵌入式工控机信号连接，嵌入式工控机与操作手柄信号连接，其中，

操作手柄，用于将操作信号发送至嵌入式工控机；

嵌入式工控机，通过网络交换机分别与机械臂的六轴运动控制器和ARM微处理器双向信号连接，用于将操作信号转换为操作指令，并通过网络交换机发送至两个机械臂系统，同时通过网络交换机接收两个机械臂系统的视频信号和电机运动参数反馈信号；

界面显示屏，用于显示带有机械臂的操作界面，所述带有机械臂的操作界面包括现场实时影像和电机运动参数指标。

进一步的是，零位光电开关组包括六个零位光电开关，六个零位光电开关与机械臂的六轴运动控制器通过六个I/O接口信号连接；

工业相机组包括两个工业相机，ARM微处理器组包括两个ARM微处理器，两个工业相机通过USB接口与两个ARM微处理器一一对应信号连接；两个工业相机安装在各自的相机支架上，其中一个相机支架安装在机械臂的末端与机械臂快换接头之间，另一个相机支架安装在回转平台上，并位于机械臂底座的前端，用于作业时全景监控。

进一步的是，机械臂的六轴运动控制器，用于接收嵌入式工控机发送的操作指令，并将直流无刷力矩电机组中每路电机的运动指标和参数进行上传；

机械臂的六轴运动控制器，还用于向电机驱动器组发送操作指令，并从电机驱动器组获取每路电机的运动指标和参数；

机械臂的六轴运动控制器，还用于通过零位光电开关组测量每路电机的初始零位；

机械臂的电机驱动器组，用于接收六轴运动控制器的操作指令，并实时上传直流无刷力矩电机组中每路电机的转动角度信息、电机过热信号和过压信号；

机械臂的直流无刷力矩电机组，用于根据操作指令带动所在机械臂做指定动作；

零位光电开关组，用于测量每路电机的初始零位，并将测量信号发送至六轴运动控制器；

机械臂的一对极旋转变压器组，用于检测每个直流无刷力矩电机的转动角度，返回增量信号传递给电机驱动器组，由电机驱动器组对直流无刷力矩电机组进行闭环控制。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、根据需要退役拆除的核设施，双臂机器人从工具库中取出不同的工具来进行作业。本发明针对后处理厂房相对复杂的设备管道进行拆除工作，双臂机器人可进入后处理厂房内，操作者可通过远端的远程操作系统操纵双臂机器人完成切割、钻孔、剪切、夹持、回取等工作，在核设施退役工作中代替人工开展应用，确保核设施退役过程的安全及稳定。

2、本发明具有远端控制以及耐辐照的特点，核设施退役双臂机器人实行远端控制，人员通过远端控制不需要进入厂房内避免人员受到核辐射的风险。通过采用将不耐辐照的远程控制系统放在远端和遥操作控制台(界面显示屏、嵌入式工控机和操作手柄均安装在遥操作控制台上)放在一起的办法，避免因进入放射性污染的厂房内，导致双臂机器人出现故障无法使用的情况出现，同时进入厂区内机械臂电机等器件均为定制耐辐射器件。

3、本发明具有通过性好的特点，核设施厂房内设施、设备较多，且厂房间存在一定的高度差，本发明的机器人的两个机械臂处于收缩状态时，最小行走尺寸不大于3200mm(长度)x2200mm(宽度)，且能越过150mm高障碍物，通过的最大坡度大于25°。

4、本发明具有易于更换作业工具的特点，在机器人进行核设施设备管道拆除作业过程中，需要根据不同的作业对象及时更换作业工装工具，以满足现场拆除作业的要求，因此作业工装工具应设计为工具库形式，并通过遥操作进行自动更换，避免因更换工具频繁进出放射性污染的厂房。

5、本发明具有机械臂重量轻的特点，常规机械臂主体部分材质为铸铁或铸钢，工作半径相当的单个机械臂重量在600Kg左右，单独固定在工位上使用，对自身重量要求不高，本发明的核设施退役双臂机器人的机械臂是搭载在移动平台上使用的，材质如采用铸铁或铸钢就会因加大移动平台的负载能力，导致移动平台的尺寸也随之增加，因此，本发明中的机械臂采用铸铝材质，在关键部位(如底座以及小臂上)增加加强筋来满足机械臂的负载要求，经过更改材质后单个机械臂重量在300Kg左右。

综上，将本发明的核设施退役双臂机器人置于需退役的后处理厂房外，通过远端遥操作系统(远程控制系统)配合视觉系统(视觉系统由工业相机及配套软件组成)移动至需拆除设备的管道附近并进行拆除工作，可完成切割、钻孔、剪切、夹持、回取等工作。

附图说明

图1是本发明的核设施退役双臂机器人的轴测图；

图2是机械臂的轴测图，图中A表示回转处，B表示回转轴线；

图3是工具库的轴测图；

图4是安装在机械臂未端的机械臂快换接头与工具端快换接头对接前的轴测图；

图5是图4中的机械臂快换接头与工具端快换接头对接前的局部放大轴测图；

图6是工具端快换接头的轴测图；

图7是机械臂快换接头的轴测图；

图8是在机械臂未端的机械臂快换接头上安装相机支架的主视图；

图9是在机械臂未端的机械臂快换接头上安装相机支架的轴测图；

图10是本发明的核设施退役双臂机器人的控制系统框图；

图11是远程控制系统的示意图。

上述附图中涉及的部件名称及标号如下：

液压系统1、工具端快换接头2、机械臂3、底座301、肩部302、大臂303、肘部304、小臂305、腕部末端306、相机支架4、机械臂快换接头5、快换导向销501、回转平台6、移动平台7、工具库8、盘式切割工具801、剪切工具802、钻孔工具803、夹持工具804、等离子切割工具805、远程控制系统9、界面显示屏91、嵌入式工控机92、操作手柄93、现场操作系统10、网络交换机101、机械臂系统102、小机柜11。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-图10所示，本实施方式披露了一种核设施退役双臂机器人，包括移动平台7、液压系统1、工具库8、回转平台6、两个机械臂3(均为重载机械臂，为现有技术)、两个机械臂快换接头5及多个工具端快换接头2；

液压系统1的执行端与移动平台7的后端固定连接(为工具提供动力)，回转平台6转动安装在移动平台7的前端中部，液压系统1的执行端与工具库8连接，工具库8设置在液压系统1与回转平台6之间，工具库8的每个工具的后端均与一个工具端快换接头2固定连接，两个机械臂3均固定安装在回转平台6上(通过回转平台6带动两个机械臂3实现回转运动，增加机械臂3的工作空间)，两个机械臂3的末端均固定有机械臂快换接头5；当机械臂快换接头5与工具端快换接头2快速对接时，实现机械臂3取工具操作(当机械臂3需要进行拆除作业时，两个机械臂3根据作业需求将末端定位到工具库8对应位置，通过安装在机械臂3末端的机械臂快换接头5与固定在工具后端上的工具端快换接头2对接，从而实现机械臂3末端与作业工具的搭载，完成机械臂3取工具操作)。

机械臂快换接头5与工具端快换接头2(均为现有技术)对接时，先通过快换导向销501将机械臂快换接头5与工具端快换接头2进行定位，快换到达位置后通过锁紧爪进行锁紧，完成快换对接实现取工具的任务。

进一步的是，移动平台7为履带式移动平台(为现有技术)。

进一步的是，工具库8包括工具安装平台和五个工具，工具安装平台的外边缘设有多个凹槽，五个工具分别装在对应的凹槽内，五个工具分别是盘式切割工具801、剪切工具802、钻孔工具803、夹持工具804及等离子切割工具805；液压系统1的执行端与工具安装平台后端连接。

进一步的是，两个机械臂3中心线呈12°对称布置。

具体实施方式二：如图1-图11所示，本实施方式披露了一种核设施退役双臂机器人控制系统，基于具体实施方式一所述的一种核设施退役双臂机器人，核设施退役双臂机器人控制系统包括远程控制系统9(遥操作系统)和现场操作系统10，现场操作系统10包括网络交换机101(为千兆网络交换机)和两个机械臂系统102，远程控制系统9通过网络交换机101分别与两个机械臂系统102信号连接，其中，远程控制系统9与网络交换机101双向信号连接，网络交换机101与两个机械臂系统102双向信号连接。

每个机械臂系统102包括工业相机组、零位光电开关组、ARM微处理器组；通过网络交换机101与六轴运动控制器、电机驱动器组及直流无刷力矩电机组依次双向信号连接，零位光电开关组与机械臂3的六轴运动控制器信号连接，机械臂3的一对极旋转变压器组与电机驱动器组信号连接，工业相机组与ARM微处理器组双向信号连接，ARM微处理器组与网络交换机101双向信号连接；

网络交换机101、ARM微处理器组、六轴运动控制器、电机驱动器组均安装在小机柜11内，小机柜11安装在回转平台6上。

电机驱动器组包括六个电机驱动器，直流无刷力矩电机组包括六个直流无刷力矩电机，六个电机驱动器与六个直流无刷力矩电机通过EtherCAT接口一一对应双向信号连接。

直流无刷力矩电机组包括六个直流无刷力矩电机，六个直流无刷力矩电机与六个电机驱动器一一对应双向信号连接。

一对极旋转变压器组包括六个一对极旋转变压器，六个一对极旋转变压器与六个电机驱动器一一对应信号连接。

一对极旋转变压器组是装在直流无刷力矩电机组中的部件。

进一步的是，零位光电开关组包括六个零位光电开关，六个零位光电开关与机械臂3的六轴运动控制器通过六个I/O接口信号连接。

进一步的是，远程控制系统9包括遥操作控制台、界面显示屏91、嵌入式工控机92及操作手柄93；界面显示屏91、嵌入式工控机92及操作手柄93均安装在遥操作控制台上，界面显示屏91与嵌入式工控机92信号连接，嵌入式工控机92与操作手柄93信号连接，其中，

操作手柄93，用于将操作信号发送至嵌入式工控机92；

嵌入式工控机92，通过网络交换机101分别与机械臂3的六轴运动控制器和ARM微处理器双向信号连接，用于将操作信号转换为操作指令，并通过网络交换机101发送至两个机械臂系统102，同时通过网络交换机101接收两个机械臂系统102的视频信号和电机运动参数反馈信号；

界面显示屏91，用于显示带有机械臂3的操作界面，所述带有机械臂3的操作界面包括现场实时影像和电机运动参数指标。

工业相机组包括两个工业相机，ARM微处理器组包括两个ARM微处理器，两个工业相机通过USB接口与两个ARM微处理器一一对应信号连接；两个工业相机安装在各自的相机支架4上，其中一个相机支架4安装在机械臂3的末端与机械臂快换接头5之间，另一个相机支架4安装在回转平台6上，并位于机械臂底座的前端(机械臂3通过机械臂底座固定在回转平台6上)，用于作业时全景监控。

进一步的是，机械臂3的六轴运动控制器，用于接收嵌入式工控机92发送的操作指令，并将直流无刷力矩电机组中每路电机的运动指标和参数进行上传；

机械臂3的六轴运动控制器，还用于向电机驱动器组发送操作指令，并从电机驱动器组获取每路电机的运动指标和参数；

机械臂3的六轴运动控制器，还用于通过零位光电开关组测量每路电机的初始零位；

机械臂3的电机驱动器组，用于接收六轴运动控制器的操作指令，并实时上传直流无刷力矩电机组中每路电机的转动角度信息、电机过热信号和过压信号；

机械臂3的直流无刷力矩电机组，用于根据操作指令带动所在机械臂3做指定动作；

零位光电开关组，用于测量每路电机的初始零位，并将测量信号发送至六轴运动控制器；

机械臂3的一对极旋转变压器组，用于检测每个直流无刷力矩电机的转动角度，返回增量信号传递给电机驱动器组，由电机驱动器组对直流无刷力矩电机组进行闭环控制。

本发明的核设施退役双臂机器人主要功能是：回转平台6，移动平台7作为核退役拆除作业工具与机械臂3的搭载平台，将机械臂3和作业工具定位到期望的工作位置，并按照预先制定的拆除工艺进行作业工具轨迹规划，完成期望的切割、拆除以及废弃物的搬运等操作。

核退役设备管道拆除策略和工艺流程，在机器人进行退役拆除作业过程中，需要根据不同的作业对象及时更换作业工具，以满足现场拆除作业的要求，因此作业工具应设计为工具库形式，并具备自动更换功能，这样既方便末端执行工具的集中管理，也可使机器人根据现场作业对象做出快速响应，提高机器人现场作业的灵活性、机动性、高效性。

核退役双臂机器人两个机械臂3左右设置，左右两个机械臂3末端通过安装法兰各安装配置一个机械臂快换接头5作为主动端，根据退役拆除作业要求，在操作工具末端均安装配置一个与机械臂快换接头5相匹配的工具端快换接头2作为被动端。当机械臂3进行拆除工艺规划的作业时，两个机械臂3根据作业需求将末端定位到工具库8的对应位置，通过安装在两个机械臂3末端的机械臂快换接头5与安装在作业工具末端的工具端快换接头2连接(机械臂快换接头5及工具端快换接头2上均带有电、气、液动力信号连接模块，机械连接是由气动控制的锁紧装置(是机械臂快换接头5及工具端快换接头2自带的)控制，通气打开，断气锁紧，可避免意外断气造成工具脱落的情况发生)，从而实现机械臂3与作业工具的搭载。

本发明的核设施退役双臂机器人在执行任务中操作步骤如下：

1、通过装在机械臂3末端的相机支架4上的工业相机判断任务使用什么类型工具；

2、通过遥操作(远程操作)控制两个机械臂3分别取出相应工具，一个机械臂3用夹持工具804抓住要拆除的物体，另一个机械臂3用锯切工具801、剪切工具802或等离子切割工具805来切割；

3、控制机械臂3到达指定位置；

4、操作工具实施任务；

5、拆除工作完成后操作一个机械臂3用夹持工具804将废料放置指定位置，完成任务。

核设施退役双臂机器人控制系统整体方案：

核设施退役双臂机器人控制系统(控制两个机械臂3，总计有十二根轴)由遥操作控制台内的嵌入式工控机92远程控制两个机械臂3(六轴)实现。两个机械臂3均为六轴机械臂，两个六轴机械臂的结构和功能均相同，因此，两个六轴机械臂控制系统构成相同。两个六轴机械臂的整体控制系统分为远程控制系统9(遥操作系统)和现场操作系统10两部分。

远程控制系统9远离机械臂3，用于人机交互，对机械臂3进行远程监视和控制操作，远程控制系统9包括遥操作控制台、嵌入式工控机92、界面显示屏91和操作手柄93；嵌入式工控机92作为上位机监控核心，通过网络交换机101与现场的六轴运动控制器及ARM微处理器进行双向信号连接，网络连接和通讯数据的交换需要利用网络交换机101进行转接。嵌入式工控机92带有机械臂3的操作界面，通过界面显示屏91进行显示。运动控制指令通过网口发送，可实现对现场的两个(六轴)机械臂3的控制功能，同时嵌入式工控机92可以接收并显示现场实时影像和相关电机的运动参数指标。

现场操作系统10相对远程控制系统9来说，靠近机械臂3，控制操作直接作用于机械臂3，由网络交换机(为千兆网络交换机101)和两个机械臂系统102组成，其中两个机械臂系统102包括六轴运动控制器(EtherCAT主站)、ARM微型控制器(树莓派4B)、工业相机、直流无刷力矩电机驱动器(带EtherCAT总线)、直流无刷力矩电机、零位光电开关和一对极旋转变压器。

现场部分的ARM微型控制器采用树莓派4B做为控制器，与远端上位机通过网口进行通讯。每个ARM微型控制器负责现场一路视频信号的采集，即一个ARM微型控制器对应一路现场工业相机，保证图像的传送速度和大小。六轴运动控制器采用德国倍福公司的具有EtherCAT主站功能的多轴运动控制器。主要有以下功能：第一，利用网线同上位机进行通信连接，接收上位机发送的运动指令，并将电机运动指标和参数进行上传；第二，通过EtherCAT总线分别与六路直流无刷力矩电机驱动器相连接，给所述驱动器发送运动指令，获取电机运动参数；第三，利用其I/O端口连接零位光电开关，测量每路电机的初始零位(注：零位光电开关安装于机械臂六个轴的回转部位的零点位置，以读取机械臂3的零位/度)；第四，控制六轴运动控制器，控制直流电机电源的上电、电机使能和电机制动等来保护电路(注：每个轴上的电机都有一个制动器，控制电机的制动)。

直流无刷力矩电机驱动器拟采用Elmo的具有EtherCAT总线接口的驱动器。该驱动器利用EtherCAT总线接口与六轴运动控制器通讯，接收六轴运动控制器的运动指令，并实时上传电机的转动角度信息，电机过热信号和过压信号也将上传给六轴运动控制器。电机驱动器上带有电流环和速度环，六轴电控子系统中的一对极旋转变压器(电机角度传感器)用于检测直流无刷力矩电机的转动角度，返回的增量信号传给电机驱动器，由电机驱动器对电机进行闭环控制。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。