CN107731329A - 控制棒导向筒开口销检测机器人及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制棒导向筒开口销检测机器人及定位方法，它包括车本体、垂直升降机构、探头组件、视频定位机构以及三自由度定位机构，三自由度定位机构包括θ轴驱动机构、Y轴驱动机构和X轴驱动机构，垂直升降机构安装于X轴驱动机构上，θ轴驱动机构安装于垂直升降机构上，探头组件安装于θ轴驱动机构上，X轴驱动机构的驱动方向和Y轴驱动方向相垂直且均与车本体上端面相平行，θ轴驱动机构带动探头组件旋转，垂直升降机构垂直车本体上端面。能够克服有限视觉空间影响，实现精确定位，并提供一定的柔性，自适应定位误差和安装误差，且探头晶片与开口销接触压力恒定，有利于超声波检查的可重复性。

Description

控制棒导向筒开口销检测机器人及定位方法

技术领域

本发明涉及核电设备检测领域，特别涉及一种控制棒导向筒开口销检测机器人及定位方法。

背景技术

控制棒导向筒开口销位于核电站反应堆上部堆内构件内，其作用是为控制棒导向筒提供定位和横向支承，是核电机组功率调节和应急停堆时控制棒能否按要求下落的重要影响因素。国外核电站多次出现开口销失效现象，其后果体现在两个方面，其一是控制棒导向筒错位，进而影响控制棒下落时间，其二是断裂的开口销部件作为异物进入核电站一回路中循环，会损伤其他重要设备，影响核电设备的完整性。因此有必要对控制棒导向筒开口销实施在役检查，以监测其运行过程中的质量状态，提高核电站的可靠性、安全性、完整性。

在役检查一般在核电机组大修过程中进行。大修时，上部堆内构件组件整体被存放在构件水池内。为进行开口销关键区域的超声波检查，需将一种扁形探头***开口销凹槽中，凹槽在安装状态宽度在2.696mm～2.896mm之间，而探头组件宽度在2.4mm左右，水下定位精度要求较高。而且开口销端部凹入上栅格板底面37.75mm，这对开口销端面的观察和定位带来了很大难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现超声波探头组件三自由度高精度定位和垂直升降，以在堆内构件下方实施控制棒导向筒开口销超声波检查的控制棒导向筒开口销检测机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种控制棒导向筒开口销检测机器人，它包括车本体、垂直升降机构、探头组件、视频定位机构以及安装于所述车本体上的三自由度定位机构，所述三自由度定位机构包括θ轴驱动机构、安装于所述车本体上的Y轴驱动机构和安装于所述Y轴驱动机构上的X轴驱动机构，所述垂直升降机构安装于所述X轴驱动机构上，所述θ轴驱动机构安装于所述垂直升降机构上，所述探头组件安装于所述θ轴驱动机构上，所述X轴驱动机构的驱动方向和Y轴驱动方向相垂直且均与所述车本体上端面相平行，所述θ轴驱动机构带动所述探头组件旋转，所述垂直升降机构垂直所述车本体上端面。

优化的，所述车本体包括罩体、安装于所述罩体其中相对的两个侧壁上的两个车轮组件、密封安装于所述罩体内且与所述车轮组件相连接的传动组件。

优化的，每个所述车轮组件包括主动同步带轮、从动同步带轮以及连接于所述主动同步带轮和从动同步带轮上的双面齿同步带。

优化的，所述Y轴驱动机构包括设于所述车本体上端面上的Y轴导轨、与所述Y轴导轨相平行设置的Y轴丝杆组件、滑动连接于所述Y轴导轨上且与所述Y轴丝杆组件相连接的Y轴底座以及驱动所述Y轴丝杆组件移动的Y轴电机，所述Y轴电机的输出轴与所述Y轴丝杆组件的丝杆相平行或同轴设置。

进一步地，所述X轴驱动机构包括固定于所述Y轴底座上且与所述Y轴导轨相垂直设置的X轴导轨、安装于所述Y轴底座上且与所述X轴导轨相平行设置的X轴丝杆组件、滑动连接于所述X轴导轨上且与所述X轴丝杆组件的螺母相固定连接的X轴底座以及用于驱动所述X轴丝杆组件转动的X轴电机。

更进一步地，所述X轴电机与所述X轴丝杆组件的丝杆相垂直设置且两者通过锥齿轮组相传动连接，所述X轴电机与所述Y轴电机相平行设置，所述X轴底座具有延伸部，所述延伸部上设有用于安装所述锥齿轮组的X轴框体，所述X轴电机固定安装于所述X轴框体上。

优化的，所述垂直升降机构包括垂直所述车本体上端面设置的竖向安装板、安装于所述竖向安装板其中一个侧面上且伸缩方向垂直所述车本体上端面设置的竖向气缸，安装有所述竖向气缸的侧面为第一侧面，所述垂直升降机构还包括安装于所述第一侧面上且与所述竖向气缸的伸缩方向相平行设置的竖向导轨、滑动连接于所述竖向导轨上且与所述竖向气缸的活塞杆相固定连接的竖向底座。

优化的，视频定位机构包括安装于所述车本体上的粗定位部以及安装于所述垂直升降机构上的精定位部，所述精定位部安装于竖向安装板上且与所述第一侧面相对的侧面上。粗定位部包视频旋转座、安装于可以转动的视频旋转座上的水平摄像头，所述精定位部为竖向设置的竖向摄像头，竖向摄像头的拍摄方向朝上。

优化的，所述探头组件包括探头晶片、用于固定所述探头晶片的晶片固定架、底板以及连接于所述底板和所述晶片固定架之间的第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述晶片固定架之间还设有第二缓冲组件，所述第二缓冲组件包括与所述第一缓冲组件相连接的中板、套设于所述中板上的筒体以及固定于所述筒体内部的弹性橡胶，所述晶片固定架固定插设于所述弹性橡胶内且与所述中板间存在间隙，所述探头晶片与所述晶片固定架高出所述第二缓冲组件部分的高度大于开口销凹槽最深处至上栅格板下端面的距离，该距离为压缩距离。

本发明还提供了一种检测开口销的定位方法，其包括以下步骤：

(一).利用水平摄像头观察水下环境，并控制检测机器人移动至待检测开口销下方附近。

(二)建立竖向摄像头坐标系，以竖向摄像头中心为原点，以平行于X轴方向为X方向，以平行于Y轴方向为Y方向，探头组件中心与竖向摄像头中心相对位置固定，△X为0，△Y为固定值，且探头组件初始方向与摄像头坐标系X方向平行；

(三).利用竖向摄像头拍摄开口销端面图像，提取开口销中心的相对摄像头的坐标和凹槽角度，利用机器人的X/Y定位机构，将竖向摄像头运动至开口销中心对齐，探头组件由θ轴电机驱动旋转至凹槽角度；

(四).定位机构Y轴移动△Y，这样探头组件完全定位在开口销下方，可由垂直升降机构升入开口销凹槽。优化的，所述探头组件包括探头晶片、用于固定所述探头晶片的晶片固定架、底板以及连接于所述底板和所述晶片固定架之间的第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述晶片固定架之间还设有第二缓冲组件，所述第二缓冲组件包括与所述第一缓冲组件相连接的中板、套设于所述中板上的筒体以及固定于所述筒体内部的弹性橡胶，所述晶片固定架固定插设于所述弹性橡胶内且与所述中板间存在间隙，所述探头晶片与所述晶片固定架高出所述第二缓冲组件部分的高度大于开口销凹槽最深处至上栅格板下端面的距离，该距离为压缩距离。

本发明的有益效果在于：能够克服有限视觉空间影响，实现精确定位，并提供一定的柔性，自适应定位误差和安装误差，且探头晶片与开口销接触压力恒定，有利于超声波检查的可重复性。

附图说明

附图1为检测机器人工作环境示意图；

附图2为探头晶片***开口销时的检测机器人的立体视图；

附图3为缓冲限位机构的结构示意图；

附图4为探头晶片***开口销时的探头组件的立体视图；

附图5为探头组件的剖视图；

附图6为探头组件的剖视图；

附图7为探头组件贴紧开口销凹槽后，探头组件盖板与上栅格板底面距离3mm。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：

如图2所示，控制棒导向筒开口销检测机器人包括车本体1、垂直升降机构、探头组件、视频定位机构以及安装于所述车本体1上的三自由度定位机构，所述三自由度定位机构包括θ轴驱动机构、安装于所述车本体1上的Y轴驱动机构和安装于所述Y轴驱动机构上的X轴驱动机构，所述垂直升降机构安装于所述X轴驱动机构上，所述θ轴驱动机构安装于所述垂直升降机构上，所述探头组件安装于所述θ轴驱动机构上，所述X轴驱动机构的驱动方向和Y轴驱动方向相垂直且均与所述车本体1上端面相平行，所述θ轴驱动机构带动所述探头组件旋转，所述垂直升降机构垂直所述车本体1上端面。

所述车本体1包括罩体、安装于所述罩体其中相对的两个侧壁上的两个车轮组件、密封安装于所述罩体内且与所述车轮组件相连接的传动组件，密封罩体采用不锈钢材料制成，不锈钢的拼接面间具有密封圈，并且密封罩体内通有惰性气体，使密封罩体内的压力大于罩外压力。

每个所述车轮组件包括主动同步带轮2、从动同步带轮3以及连接于所述主动同步带轮2和从动同步带轮3上的双面齿同步带4。

所述Y轴驱动机构包括设于所述车本体1上端面上的Y轴导轨5、与所述Y轴导轨5相平行设置的Y轴丝杆组件6、滑动连接于所述Y轴导轨5上且与所述Y轴丝杆组件6相连接的Y轴底座7以及驱动所述Y轴丝杆组件6移动的Y轴电机8，所述Y轴电机8的输出轴与所述Y轴丝杆组件6的丝杆相平行或同轴设置。

所述X轴驱动机构包括固定于所述Y轴底座7上且与所述Y轴导轨5相垂直设置的X轴导轨9、安装于所述Y轴底座7上且与所述X轴导轨9相平行设置的X轴丝杆组件10、滑动连接于所述X轴导轨9上且与所述X轴丝杆组件10的螺母相固定连接的X轴底座13以及用于驱动所述X轴丝杆组件10转动的X轴电机12。

所述X轴电机12与所述X轴丝杆组件10的丝杆相垂直设置且两者通过锥齿轮组11相传动连接，所述X轴电机12与所述Y轴电机8相平行设置，所述X轴底座13具有延伸部，所述延伸部上设有用于安装所述锥齿轮组11的X轴框体14，所述X轴电机12固定安装于所述X轴框体14上。

所述垂直升降机构包括垂直所述车本体1上端面设置的竖向安装板15、安装于所述竖向安装板15其中一个侧面上且伸缩方向垂直所述车本体1上端面设置的竖向气缸16，安装有所述竖向气缸16的侧面为第一侧面，所述垂直升降机构还包括安装于所述第一侧面上且与所述竖向气缸16的伸缩方向相平行设置的竖向导轨17、滑动连接于所述竖向导轨17上且与所述竖向气缸16的活塞杆相固定连接的竖向底座18。

所述θ轴驱动机构包括θ轴电机19以及连接于所述探头组件与所述θ轴电机19之间的连接件。所述竖向底座18具有与车本体1上端面相平行的翼板20，所述θ轴电机19安装于所述翼板20上。

所述垂直升降机构还包括连接于所述第一侧面上端部的缓冲限位机构。所述缓冲限位机构包括与所述竖向安装板15上端部相固定连接的定板21、穿设于所述定板21内的缓冲杆22、固定于所述缓冲杆22下端部上且位于竖向底座18的滑块23的行进路径上的滑板24以及连接于所述滑板24与所述定板21之间且穿设于所述缓冲杆22上的压簧25。

如图4、5、6所示，探头组件70包括探头晶片71、用于固定所述探头晶片71的晶片固定架72、底板78、连接于所述底板78和所述晶片固定架72之间的第一缓冲组件以及设于所述第一缓冲组件与所述晶片固定架72之间的第二缓冲组件。

所述第二缓冲组件包括与所述第一缓冲组件相连接的中板75、套设于所述中板75上的筒体74、固定于所述筒体74内部的弹性橡胶圈79以及封盖于所述筒体74上且套设于所述晶片固定架72上的盖板73，所述晶片固定架72固定插设于所述弹性橡胶圈79内且与所述中板75间存在间隙，所述探头晶片71与所述晶片固定架72高出所述第二缓冲组件部分的高度大于开口销721凹槽最深处至上栅格板722下端面的距离，该距离为压缩距离，所述压缩距离1～5mm。所述晶片固定架72下端部具有沿径向向外延伸的卡环716，所述弹性橡胶圈79中部开设有贯通的通孔，所述通孔内壁设有与所述卡环716相匹配的卡槽，所述卡环716卡设于所述卡槽内。所述卡板呈跑道状，其具有两相平行的直边及连接于两直边之间的的弧形边。当探头晶片71需要适应性旋转使，弹性橡胶圈79随晶片固定架72旋转变形，并在完成检测后复位。

所述中板75下端面具有向下延伸的延伸柱714以及由延伸柱714下端部沿延伸柱714的径向向外延伸的环形板715，所述第一缓冲组件包括多个同时穿设于所述环形板715与所述底板78内的导向柱76、套设于每个所述导向柱76上且位于所述环形板715与所述底板78之间的支撑弹簧77，所述导向柱76两端设有防止其从环形板715和底板78上脱落的螺帽717。

如图4所示，当探头组件顶端接触开口销721端面时，如有一定的定位偏差或安装误差，探头组件可以靠弹性橡胶圈79和支撑弹簧77发生形变自动调整姿态；当探头组件顶端接触到开口销721凹槽顶端后，驱动探头上下移动的垂直升降机构(气缸等机构均可实现，非本发明重点，在此不做赘述)继续上升，直至盖板73与上栅格板722接触，支撑弹簧77和弹性橡胶圈79开始压缩。此时，探头组件与开口销721接触压力为支撑弹簧77和弹性橡胶圈79总共产生1～5mm的形变的弹力，并保持不变，最佳取3mm。本探头组件具有一定的柔性，自适应定位误差和安装误差，且无需附加检测压力的设备就能实现超声探头与开口销721接触压力恒定在所需范围内，有利于超声波检查的可重复性。

视频定位机构包括安装于所述车本体1上的粗定位部以及安装于所述垂直升降机构上的精定位部，所述精定位部安装于竖向安装板15上且与所述第一侧面相对的侧面上。粗定位部包视频旋转座26、安装于可以转动的视频旋转座26上的水平摄像头27，所述精定位部为竖向设置的竖向摄像头28，竖向摄像头28的拍摄方向朝上，其镜头内设有环形灯以消除不同深度造成的阴影、克服水下环境对摄像效果的影响。

车本体1上设有向车外侧延伸的副板29，副板29上设有用于收集各部件的线缆的收线夹30。

以上所述气缸的控制箱排气阀前加溢流阀，使气缸始终正压，实现气缸的深水中的防水。

检测机器人的定位方法采用手眼协调技术和视觉定位技术。建立竖向摄像头坐标系，以竖向摄像头中心为原点，以平行于X轴方向为X方向，以平行于Y轴方向为Y方向，探头组件中心与竖向摄像头中心相对位置固定，△X为0，△Y为固定值，且探头组件初始方向与摄像头坐标系X方向平行，利用竖向摄像头拍摄开口销端面图像，提取开口销中心的相对摄像头的坐标和凹槽角度，利用机器人的X/Y定位机构，将竖向摄像头运动至开口销中心对齐，探头组件由θ轴电机驱动旋转至凹槽角度。此过程可多次测量以实现精确定位。最后，定位机构Y轴移动△Y，这样探头组件完全定位在开口销下方，可由垂直升降机构升入开口销凹槽。当探头组件顶端接触开口销721端面时，如有一定的定位偏差或安装误差，探头组件可以靠弹性橡胶圈和支撑弹簧发生形变自动调整姿态；当探头组件顶端接触到开口销凹槽顶端后，升降机构继续上升，直至盖板与上栅格板722接触，弹性橡胶圈和支撑弹簧开始压缩。此时，探头组件与开口销接触压力为弹性橡胶圈产生3mm形变的弹力，并保持不变。

上述实施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士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。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：它包括车本体、垂直升降机构、探头组件、视频定位机构以及安装于所述车本体上的三自由度定位机构，所述三自由度定位机构包括θ轴驱动机构、安装于所述车本体上的Y轴驱动机构和安装于所述Y轴驱动机构上的X轴驱动机构，所述垂直升降机构安装于所述X轴驱动机构上，所述θ轴驱动机构安装于所述垂直升降机构上，所述探头组件安装于所述θ轴驱动机构上，所述X轴驱动机构的驱动方向和Y轴驱动方向相垂直且均与所述车本体上端面相平行，所述θ轴驱动机构带动所述探头组件旋转，所述垂直升降机构垂直所述车本体上端面。

2.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述车本体包括罩体、安装于所述罩体其中相对的两个侧壁上的两个车轮组件、密封安装于所述罩体内且与所述车轮组件相连接的传动组件。

3.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：每个所述车轮组件包括主动同步带轮、从动同步带轮以及连接于所述主动同步带轮和从动同步带轮上的双面齿同步带。

4.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述Y轴驱动机构包括设于所述车本体上端面上的Y轴导轨、与所述Y轴导轨相平行设置的Y轴丝杆组件、滑动连接于所述Y轴导轨上且与所述Y轴丝杆组件相连接的Y轴底座以及驱动所述Y轴丝杆组件移动的Y轴电机，所述Y轴电机的输出轴与所述Y轴丝杆组件的丝杆相平行或同轴设置。

5.根据权利要求4所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述X轴驱动机构包括固定于所述Y轴底座上且与所述Y轴导轨相垂直设置的X轴导轨、安装于所述Y轴底座上且与所述X轴导轨相平行设置的X轴丝杆组件、滑动连接于所述X轴导轨上且与所述X轴丝杆组件的螺母相固定连接的X轴底座以及用于驱动所述X轴丝杆组件转动的X轴电机。

6.根据权利要求5所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述X轴电机与所述X轴丝杆组件的丝杆相垂直设置且两者通过锥齿轮组相传动连接，所述X轴电机与所述Y轴电机相平行设置，所述X轴底座具有延伸部，所述延伸部上设有用于安装所述锥齿轮组的X轴框体，所述X轴电机固定安装于所述X轴框体上。

7.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述垂直升降机构包括垂直所述车本体上端面设置的竖向安装板、安装于所述竖向安装板其中一个侧面上且伸缩方向垂直所述车本体上端面设置的竖向气缸，安装有所述竖向气缸的侧面为第一侧面，所述垂直升降机构还包括安装于所述第一侧面上且与所述竖向气缸的伸缩方向相平行设置的竖向导轨、滑动连接于所述竖向导轨上且与所述竖向气缸的活塞杆相固定连接的竖向底座。

8.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：视频定位机构包括安装于所述车本体上的粗定位部以及安装于所述垂直升降机构上的精定位部，所述精定位部安装于竖向安装板上且与所述第一侧面相对的侧面上，粗定位部包视频旋转座、安装于可以转动的视频旋转座上的水平摄像头，所述精定位部为竖向设置的竖向摄像头，竖向摄像头的拍摄方向朝上。

9.根据权利要求1所述的控制棒导向筒开口销检测机器人，其特征在于：所述探头组件包括探头晶片、用于固定所述探头晶片的晶片固定架、底板以及连接于所述底板和所述晶片固定架之间的第一缓冲组件，所述第一缓冲组件与所述晶片固定架之间还设有第二缓冲组件，所述第二缓冲组件包括与所述第一缓冲组件相连接的中板、套设于所述中板上的筒体以及固定于所述筒体内部的弹性橡胶，所述晶片固定架固定插设于所述弹性橡胶内且与所述中板间存在间隙，所述探头晶片与所述晶片固定架高出所述第二缓冲组件部分的高度大于开口销凹槽最深处至上栅格板下端面的距离，该距离为压缩距离。

10.一种利用权利要求8所述的控制棒导向筒开口销检测机器人检测开口销的定位方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(一).利用水平摄像头观察水下环境，并控制检测机器人移动至待检测开口销下方附近。

(二)建立竖向摄像头坐标系，以竖向摄像头中心为原点，以平行于X轴方向为X方向，以平行于Y轴方向为Y方向，探头组件中心与竖向摄像头中心相对位置固定，△X为0，△Y为固定值，且探头组件初始方向与摄像头坐标系X方向平行；

(三).利用竖向摄像头拍摄开口销端面图像，提取开口销中心的相对摄像头的坐标和凹槽角度，利用机器人的X/Y定位机构，将竖向摄像头运动至开口销中心对齐，探头组件由θ轴电机驱动旋转至凹槽角度；

(四).定位机构Y轴移动△Y，这样探头组件完全定位在开口销下方，可由垂直升降机构升入开口销凹槽。