CN101661804B - 耐辐照水下监测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种水下机器人，具体公开一种耐辐照水下监测机器人，远程控制器通过CAN总线传输控制指令给主控制器，再由主控制器分别传输给监视与录像机、机器人本体、俯仰云台、水下照明、水下摄像头、机械手；监视与录像机是水下摄像头视频数据采集的后处理部分，显示和录制水下摄像头的视频信息；传感器采集机器人本体的姿态和压力信息传输给主控制器。本发明的机器人能够在环境剂量为10⁵rad辐照环境下连续运行10个小时，体积小、结构紧凑，运行平稳，自动与手动控制相结合，满足不同运动要求控制。

Description

耐辐照水下监测机器人

技术领域

本发明属于一种水下机器人，具体涉及一种应用于高放射性核环境的水下设备维修监测、堆内构件及核电站关键设备目视检查和水下作业的耐辐照水下监测机器人。

背景技术

核电厂在长期运行后，可能导致堆内构件尤其是吊篮筒体外侧辐照监督管的损坏。为保证核电厂安全、稳定运行，必须确保堆内构件的完好，必要时需要对其进行检测、维修和零部件更换。由于堆内构件处于高放射性环境，检测人员和维修人员辐照风险大，难度高，因此必须开发一套自动检测和维修***对堆内构件等核辐射环境下的设备进行检测、维修和零部件更换。

水下机器人是一种浮游于水中的自动机械***，通过搭载不同的传感部件，如摄像头、传感器等，在操作人员的遥控下或者计算机自动控制下完成水下视频检测、水下作业的机电仪一体化***。运行于河道或者海洋领域的民用水下机器人已经在国内外有广泛的应用，比如河道堤坝检测机器人和海洋深水机器人。然而民用水下机器人***一般体积较大，重量较重，运动灵活性差，不具备狭小空间设备检测的机动灵活性，不具备耐辐照特性，无法应用于核环境，同时该类水下机器人一般只具备观察机的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐辐照水下监测机器人，该机器人能够深入到换料水池，对反应堆内构件的完好性进行视频检查，能够悬停在换料水池中的任何位置，监控堆内构件维修和零部件更换的全过程，确保堆内构件维修和零部件更换的顺利进行，能够拾取水池内的异物，完成换料水池的清洁工作。

实现本发明目的的技术方案：一种耐辐照水下监测机器人，它包括主控制器、远程控制器、监视与录像机、机器人本体、俯仰云台、水下照明装置、水下摄像头、机械手以及姿态传感器，监视与录像机是水下摄像头视频数据采集的后处理部分，显示和录制水下摄像头的视频信息；其中，主控制器采用CAN总线分布式控制方式，主控制器的所有控制指令以及信号数据通过CAN总线与远程控制器进行交互，实现***功能；远程控制器通过CAN总线传输控制指令给主控制器，再由主控制器分别传输给监视与录像机、机器人本体、俯仰云台、水下照明、水下摄像头、机械手；姿态传感器采集机器人本体、俯仰云台、水下照明、水下摄像头和机械手的信息传输给主控制器。

所述的机器人本体包括后下舱、后上舱、前左舱、前右舱、水平面左推进器、水平面右推进器、竖直面右推进器、竖直面左推进器、底座、基础框架；底座上固定有两个间隔竖直放置的基础框架，后下舱和位于后下舱上部的后上舱外部沿其周向均分别间隔设有两周凸缘，前左舱和与前左舱在同一水平面上的前右舱外部沿其周向均分别设有一周凸缘，后下舱、后上舱、前左舱、前右舱上的凸缘与基础框架的侧壁固定连接；水平面左推进器和水平面右推进器位于在后下舱和后上舱、且两者位于同一个水平面上，水平面左推进器、水平面右推进器分别与两个基础框架之间固定连接；竖直面左推进器位于前左舱与后上舱之间，竖直面右推进器位于前右舱与后上舱之间，且竖直面右推进器和竖直面左推进器在同一个竖直平面上，竖直面右推进器、竖直面左推进器分别与两个基础框架之间固定连接。

所述的前左舱内设有具有一个旋转自由度的俯仰云台，俯仰云台的俯仰云台变速机构和驱动变速机构的俯仰云台驱动电机位于前左舱内，俯仰云台的自由端位于前左舱外部；俯仰云台的自由端上固定有水下摄像头和机械手，水下摄像头壳体两侧壁上分别固定有一个水下照明装置，机械手由伸缩手臂控制电机、手指开合控制电机、机械手指依次连接组成；后下舱内设有姿态传感器，姿态传感器包括压力传感器和罗盘，压力传感器和罗盘分别固定在后下舱内壁上；机械手上的伸缩手臂控制电机、手指开合控制电机和机械手指、俯仰云台上的俯仰云台变速机构和俯仰云台驱动电机、水下照明装置通过控制线缆均与固定在底座上的集线器连接，连接集线器的另一端通过控制线缆与主控制器连接，姿态传感器的压力传感器、罗盘的传感信号传输线通过水密接插件与主控制器连接。

所述的后下舱与后上舱之间通过中空机构固定连接；推进器分别固定在一个卡式联结件上，卡式联结件通过防松螺栓与基础框架上连接；底座上固定有配重块；防撞架为弧形架，防撞架的底端固定在底座上，防撞架的另一端固定在基础框架的侧壁上，且水下摄像头、水下照明装置和机械手位于防撞架的弧形内，防撞架是水下摄像头、水下照明装置和机械手的保护架，避免由于人为误操作导致水下摄像头、水下照明装置和机械手的碰撞损坏。

所述的基础框架顶部设有吊装孔；舱体的凸缘与基础框架之间通过防松螺栓连接；配重块通过角铁及防松螺栓联结在底座上，基础框架通过防松螺栓固定在底座上，防撞架的两端均通过防松螺栓分别固定底座和基础框架上；水下摄像头为耐辐照摄像头，具有变焦和自动对焦作用；水下照明装置采用低功率高亮度LED封装而成，通过螺栓联结分别安装在水下摄像头壳体两侧；伸缩手臂控制电机、手指开合控制电机与机械手指之间通过防松螺栓组合在一起；推进器均采用15W电机，其工作电压为0-20V，转速为0-650rpm，能够产生最大推力为1.1Kg。

所述的机器人本体、俯仰云台、水下照明装置、水下摄像头和机械手均为耐辐照材料。

本发明的有益效果在于：本发明的耐辐照水下监测机器人的特点是整个***采用耐辐照设计，可以运行在高剂量核辐射环境下，可以在最高环境剂量率达到105rad的环境下连续运行10个小时；同时本发明所述的耐辐照水下监测机器人是一个水中浮游机器人，可以悬停在40米水深的任何深度位置；本发明所述的耐辐照水下机器人采用手动/自动切换运动控制，当自动运行控制时，利用多传感器融合技术，通过反馈控制，实现机器人的定向定深自动运行，定向精确，定深悬停稳定。体积小、结构紧凑，运行平稳，自动与手动控制相结合，满足不同运动要求控制。该机器人能够深入到换料水池，对反应堆内构件的完好性进行视频检查，能够悬停在换料水池中的任何位置监控堆内构件维修和零部件更换全过程，确保堆内构件维修和零部件更换的顺利进行，能够拾取水池内的异物，完成换料水池的清洁工作。具备水下电视、水下照明、水下异物抓取功能，该机器人能够作为核电厂停堆检修时堆内构件的检查机器人，在进行堆内构件维修与部件更换时可以作为堆内构件维修的监控机器人，同时可以对核电厂换料水池内异物进行清理。该机器人也可以作为其他非核领域水下设备的监测、监控以及清理工作。

附图说明

图1为耐辐照水下机器人***框架图；

图2和图3为机器人本体的三维立体图；

图4为机器人本体及功能部件的二维结构示意图；

图5为图4的A-A向剖视图；

图6为图5的B-B向剖视图；

图7为图4的C-C向剖视图；

图8为舱体与基础框架联结的结构示意图。

图中：1.底座；2.配重块；3.水密接插件；4.后下舱；5.水密接插件；6.基础框架；7.后上舱；8.吊装孔；9.集线器；10.水下摄像头；11.水下照明装置；12.伸缩手臂控制电机；13.机械手指；14.手指开合控制电机；15.防撞架；16.水平面左推进器；17.水平面右推进器；18.卡式联结件；19.竖直面右推进器；20.竖直面左推进器；21.俯仰云台变速机构；22.水密接插件；23.俯仰云台驱动电机；24.前左舱；25.前右舱；26.压力传感器；27.罗盘；28.水密接插件；29.中空机构；30.远程遥控器；31.监视与录像机；32.主控制器；33.水下机器人本体；34.俯仰云台；35.机械手；36.凸缘；37.姿态传感器；38.云台底座。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明所提供的一种耐辐照水下机器人作进一步详细说明。

如图1所示，一种耐辐照水下监测机器人，它包括主控制器32、远程控制器30、监视与录像机31、机器人本体33、俯仰云台34、水下照明装置11、水下摄像头10、机械手35以及姿态传感器37。主控制器32采用CAN总线分布式控制方式，主控制器32的所有控制指令以及信号数据通过CAN总线与远程控制器30进行交互，实现***功能；远程控制器30通过CAN总线传输控制指令给主控制器32，再由主控制器32分别传输给监视与录像机31、机器人本体33、俯仰云台34、水下照明11、水下摄像头10、机械手35；监视与录像机31是水下摄像头10视频数据采集的后处理部分，显示和录制水下摄像头10的视频信息；姿态传感器37采集机器人本体33、俯仰云台34、水下照明11、水下摄像头10和机械手35的信息传输给主控制器32。

如图2、图3和图4所示，机器人本体33包括后下舱4、后上舱7、前左舱24、前右舱25、水平面左推进器16、水平面右推进器17、竖直面右推进器19、竖直面左推进器20、底座1、基础框架6；底座1上固定有两个间隔竖直放置的基础框架6，后下舱4和后上舱7外部沿其周向均分别间隔设有两周凸缘36，前左舱24和前右舱25外部沿其周向均分别设有一周凸缘36，后下舱4、后上舱7、前左舱24、前右舱25上的凸缘36与基础框架6的侧壁固定连接；水平面左推进器16和水平面右推进器17位于后下舱4和后上舱7之间、且两者位于同一个水平面上，水平面左推进器16、水平面右推进器17分别与两个基础框架6之间固定连接；竖直面左推进器20位于前左舱24与后上舱7之间，竖直面右推进器19位于前右舱25与后上舱7之间，且竖直面右推进器19和竖直面左推进器20在同一个竖直平面上，竖直面右推进器19、竖直面左推进器20分别与两个基础框架6之间固定连接。

如图6所示，前左舱24内设有具有旋转自由度的俯仰云台34，俯仰云台34包括云台底座38、俯仰云台变速机构21和俯仰云台驱动电机23，驱动变速机构21为齿轮变速机构，俯仰云台驱动电机23通过齿轮驱动俯仰云台变速机构21，云台底座38固定在驱动变速机构21的齿轮上，云台底座38能够绕俯仰云台变速机构21的主轴旋转，俯仰云台驱动电机23位于前左舱24内，云台底座38位于前左舱24内外部、且与前左舱24壳体留有间隙。如图5所示，云台底座38外侧壁固定有水下摄像头10和机械手35，水下摄像头10壳体两侧壁上分别固定有一个水下照明装置11，机械手35由伸缩手臂控制电机12、手指开合控制电机14、机械手指13依次连接组成；后下舱4内设有姿态传感器37，姿态传感器37，包括压力传感器26和罗盘27，压力传感器26和罗盘27分别固定在后下舱4内壁上；机械手35上的伸缩手臂控制电机12、手指开合控制电机14和机械手指13、俯仰云台34上的俯仰云台变速机构21和俯仰云台驱动电机23、水下照明装置11通过控制线缆均与固定在底座1上的集线器9连接，集线器9的另一端通过控制线缆与主控制器32连接，姿态传感器37的压力传感器26、罗盘27的传感信号传输线通过水密接插件3、5、22、28与主控制器32连接。

如图7所示，后下舱4与后上舱7之间通过中空机构29固定连接。如图5所示，推进器16、17、19、20分别固定在一个卡式联结件18上，卡式联结件18通过防松螺栓与基础框架上6连接；底座1上固定有配重块2。如图1所示，防撞架15为弧形架，防撞架15的底端固定在底座1上，防撞架15的另一端固定在基础框架6的侧壁上，且水下摄像头10、水下照明装置11和机械手35位于防撞架15的弧形内，防撞架15是水下摄像头10、水下照明装置11和机械手35的保护架，避免由于人为误操作导致水下摄像头10、水下照明装置11和机械手35的碰撞损坏。

基础框架6顶部设有吊装孔8；舱体的凸缘36与基础框架6之间通过防松螺栓连接；底座1是机器人本体的支撑部分，同时又作为配重块2的安放平台以调整机器人本体的重量，并尽量使机器人本体重心下移，具有稳定作用，配重块2通过角铁及防松螺栓联结在底座1上，基础框架6通过防松螺栓固定在底座1上，防撞架15的两端均通过防松螺栓分别固定底座1和基础框架6上；水下摄像头10为耐辐照摄像头，具有变焦和自动对焦作用；水下照明装置11采用低功率高亮度LED封装而成，通过螺栓联结分别安装在水下摄像头10壳体两侧；具有伸缩手臂控制电机12、手指开合控制电机14机械手指13之间通过防松螺栓组合在一起；推进器16、17、19、20均采用15W电机，其工作电压为0-20V，转速为0-650rpm，可产生最大推力为1.1Kg。推进器是机器人本体的动力提供部分，布置于水平面左右两侧的推进器16、17，主要提供机器人本体的前进和后退动力，可以根据推进器推进力方向和大小不同完成机器人本体的前进、后退、转弯、和原地旋转运动；布置于垂直面左右两侧的推进器20、19，主要提供机器人本体在水中升降的动力，可以根据推进器推进力方向和大小不同完成机器人本体的升降和横倾运动。机器人本体33、俯仰云台34、水下照明装置11、水下摄像头10和机械手35均为耐辐照材料。

下面结合附图1～图8阐述耐辐照水下机器人的水下作业过程：首先进行机器人本体33及其功能部件投放，用专用投放装置，吊装在基础框架6上端的吊装孔8处，将机器人本体33及功能部件移入水中，并撤除专用投放装置，由于整个机器人本体及功能部件在重量略小于浮力，因此，在耐辐照水下机器人不工作时可以浮在水面。按顺序启动耐辐照水下机器人主控制器32、远程遥控器30、监视与录像机31电源。启动远程遥控器30的操作手柄将机器人本体运行到所需位置，前后推动和旋转操作手柄时，对应的水平面布置的两个推进器16、17产生相应方向和相应大小的推进力，以控制机器人本体33的前进、后退、左右转弯和原地旋转，按下远程遥控器30的定向按钮，则机器人本体33将沿着直线后退或者前进。启动远程遥控器30的升降旋钮运行机器人本体33至所需的工作水深，升降旋钮对应垂直面布置的两个推进器19、20同时产生大小相等、方向相同的正向或者反向的推进力，以控制机器人本体33的升降，按远程遥控器30的定深按钮，则机器人本体33将悬停在当前的水深，当启动横倾旋钮时，对应垂直面布置的两个推进器19、20产生大小相等，方向不同的推进力，以控制机器人本体33的横倾。启动远程遥控器的摄像头旋钮，调整视频焦距，水下摄像头10开始工作，同时监视与录像机31开始工作，监视和记录水下视频数据。启动远程遥控器30的水下照明旋钮，根据环境需要调节水下照明光照强度，水下照明装置11开始工作。启动远程遥控器30的云台旋转按钮，俯仰云台34载动水下摄像头10和水下照明装置11，进行俯仰运动，扩大监视和目视检测范围，启动远程遥控器30的俯仰云台锁定按钮，则俯仰云台34锁定在固定位置。当要抓取异物时，启动机械手指旋钮，手指开合控制电机14启动，机械手指13张开，启动机械手臂伸缩旋钮，机械手臂控制电机12启动，机械手伸出，俯仰云台34协同运动，当机械手指13指靠近异物时，再启动机械手指旋钮，机械手指13闭合，夹紧异物，启动机械手臂旋钮，机械手指13缩回，完成异物抓取。当需要手动运动控制时，通过速度调节旋钮，分别调节四个推进器的推进力以调节机器人本体33的运行速度，通过方向控制旋钮，分别调节推进器的推进力方向以调节机器人本体的运动方向。当需要手动控制时，切换模式选择按钮将运动模式切换的手动模式。当机器人本体密封失效导致漏水时，远程遥控器30上的一个电流表显示漏水报警，当***漏电产生短路时，远程遥控器30上的另一个电流表显示漏电报警，操作者可根据报警显示确认***故障，以快速切断电源，保护***。

Claims (5)

1.一种耐辐照水下监测机器人，它包括主控制器(32)、远程控制器(30)、监视与录像机(31)、机器人本体(33)、俯仰云台(34)、水下照明装置(11)、水下摄像头(10)、机械手(35)以及姿态传感器(37)，监视与录像机(31)是水下摄像头(10)视频数据采集的后处理部分，显示和录制水下摄像头(10)的视频信息；其特征在于：主控制器(32)采用CAN总线分布式控制方式，主控制器(32)的所有控制指令以及信号数据通过CAN总线与远程控制器(30)进行交互，实现***功能；远程控制器(30)通过CAN总线传输控制指令给主控制器(32)，再由主控制器(32)分别传输给监视与录像机(31)、机器人本体(33)、俯仰云台(34)、水下照明(11)、水下摄像头(10)、机械手(35)；姿态传感器(37)采集机器人本体(33)、俯仰云台(34)、水下照明(11)、水下摄像头(10)和机械手(35)的信息传输给主控制器(32)。

2.根据权利要求1所述的一种耐辐照水下监测机器人，其特征在于：所述的机器人本体(33)包括后下舱(4)、后上舱(7)、前左舱(24)、前右舱(25)、水平面左推进器(16)、水平面右推进器(17)、竖直面右推进器(19)、竖直面左推进器(20)、底座(1)、基础框架(6)；底座(1)上固定有两个间隔竖直放置的基础框架(6)，后下舱(4)和位于后下舱(4)上部的后上舱(7)外部沿其周向均分别间隔设有两周凸缘(36)，前左舱(24)和与前左舱(24)在同一水平面上的前右舱(25)外部沿其周向均分别设有一周凸缘(36)，后下舱(4)、后上舱(7)、前左舱(24)、前右舱(25)上的凸缘(36)与基础框架(6)的侧壁固定连接；水平面左推进器(16)和水平面右推进器(17)位于后下舱(4)和后上舱(7)之间、且两者位于同一个水平面上，水平面左推进器(16)、水平面右推进器(17)分别与两个基础框架(6)之间固定连接；竖直面左推进器(20)位于前左舱(24)与后上舱(7)之间，竖直面右推进器(19)位于前右舱(25)与后上舱(7)之间，且竖直面右推进器(19)和竖直面左推进器(20)在同一个竖直平面上，竖直面右推进器(19)、竖直面左推进器(20)分别与两个基础框架(6)之间固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种耐辐照水下监测机器人，其特征在于：所述的前左舱(24)内设有具有旋转自由度的俯仰云台(34)，俯仰云台(34)包括云台底座(38)、俯仰云台变速机构(21)和俯仰云台驱动电机(23)，驱动变速机构(21)为齿轮变速机构，俯仰云台驱动电机(23)通过齿轮驱动俯仰云台变速机构(21)，云台底座(38)固定在驱动变速机构(21)的齿轮上，云台底座(38)能够绕俯仰云台变速机构(21)的主轴旋转，俯仰云台驱动电机(23)位于前左舱(24)内，云台底座(38)位于前左舱(24)内外部、且与前左舱(24)壳体留有间隙；云台底座(38)外侧壁固定有水下摄像头(10)和机械手(35)，水下摄像头(10)壳体两侧壁上分别固定有一个水下照明装置(11)，机械手(35)由伸缩手臂控制电机(12)、手指开合控制电机(14)、机械手指(13)依次连接组成；后下舱(4)内设有姿态传感器(37)，姿态传感器(37)包括压力传感器(26)和罗盘(27)，压力传感器(26)和罗盘(27)分别固定在后下舱(4)内壁上；机械手(35)上的伸缩手臂控制电机(12)、手指开合控制电机(14)和机械手指(13)、俯仰云台(34)上的俯仰云台变速机构(21)和俯仰云台驱动电机(23)、水下照明装置(11)通过控制线缆均与固定在底座(1)上的集线器(9)连接，连接集线器(9)的另一端通过控制线缆与主控制器(32)连接，姿态传感器(37)的压力传感器(26)、罗盘(27)的传感信号传输线通过水密接插件(3)、(5)、(22)、(28)与主控制器(32)连接。

4.根据权利要求3所述的一种耐辐照水下监测机器人，其特征在于：所述的后下舱(4)与后上舱(7)之间通过中空机构(29)固定连接；推进器(16)、(17)、(19)、(20)分别固定在一个卡式联结件(18)上，卡式联结件(18)通过防松螺栓与基础框架上(6)连接；底座(1)上固定有配重块(2)；防撞架(15)为弧形架，防撞架(15)的底端固定在底座(1)上，防撞架(15)的另一端固定在基础框架(6)的侧壁上，且水下摄像头(10)、水下照明装置(11)和机械手(35)位于防撞架(15)的弧形内，防撞架(15)是水下摄像头(10)、水下照明装置(11)和机械手(35)的保护架，避免由于人为误操作导致水下摄像头(10)、水下照明装置(11)和机械手(35)的碰撞损坏。

5.根据权利要求4所述的一种耐辐照水下监测机器人，其特征在于：所述的基础框架(6)顶部设有吊装孔(8)；舱体的凸缘(36)与基础框架(6)之间通过防松螺栓连接；配重块(2)通过角铁及防松螺栓联结在底座(1)上，基础框架(6)通过防松螺栓固定在底座(1)上，防撞架(15)的两端均通过防松螺栓分别固定底座(1)和基础框架(6)上；水下摄像头(10)为耐辐照摄像头，具有变焦和自动对焦作用；水下照明装置(11)采用低功率高亮度LED封装而成，通过螺栓联结分别安装在水下摄像头(10)壳体两侧；具有伸缩手臂控制电机(12)、手指开合控制电机(14)机械手指(13)之间通过防松螺栓组合在一起；推进器(16)、(17)、(19)、(20)均采用15W电机，其工作电压为0-20V，转速为0-650rpm，能够产生最大推力为1.1Kg。

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