核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、核能作為目前唯一能夠達(dá)到工業(yè)應(yīng)用且可以大規(guī)模替代化石燃料的新清潔能源方式，得到了全球多個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注和利用。盡管核電站的安全可靠性很高，但在過去已經(jīng)發(fā)生的多次核事故使人類遭受了重大損失。因此核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人作為一種可以替代工作人員進(jìn)入核輻照環(huán)境下進(jìn)行巡檢和應(yīng)急處理任務(wù)的重要履行者具有非常重要的社會(huì)意義和價(jià)值。本文主線就是面向核電站巡檢與應(yīng)急處理的實(shí)際應(yīng)用問題，針對(duì)核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人在實(shí)際作業(yè)時(shí)可緊密串聯(lián)的室內(nèi)定位技術(shù)

2、、穩(wěn)定攀爬樓梯方法與雙移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)時(shí)的冗余度解析等相關(guān)問題進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　本文首先根據(jù)核電站本身的特點(diǎn)以及核電站內(nèi)巡檢與應(yīng)急處理任務(wù)的特殊性，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并研制了一款核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、小型四自由度機(jī)械臂和多款末端夾持工具以及遙操作控制箱等。該機(jī)器人整體系統(tǒng)體積小、重量輕，能夠進(jìn)入狹窄區(qū)域執(zhí)行巡檢和應(yīng)急處理任務(wù)，采用模塊化、總線化、多層次的機(jī)器人電子控制系統(tǒng)架構(gòu)，

3、利用通信傳輸級(jí)、控制級(jí)和裝置級(jí)三層的控制體系架構(gòu)，很好的減少了各個(gè)層級(jí)之間的相互影響，提高了整個(gè)系統(tǒng)的層次性，各層級(jí)之間實(shí)現(xiàn)模塊化，消除各個(gè)模塊之間的耦合，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外針對(duì)于核輻照環(huán)境下對(duì)機(jī)器人本身的性能影響，提出了機(jī)械阻擋、硬件冗余和系統(tǒng)糾錯(cuò)等三種核防護(hù)設(shè)計(jì)方案，有效地延長(zhǎng)了機(jī)器人在不同程度核輻射環(huán)境下的工作時(shí)間。該核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人系統(tǒng)也作為后續(xù)內(nèi)容的研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　針對(duì)于核電站內(nèi)核輻射環(huán)境下機(jī)器人的

4、室內(nèi)定位，基于機(jī)器人在SE(2)空間中的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律提出了一種適用于核環(huán)境下的效率更高、能耗更低的自定位誤差校驗(yàn)修正方法。在確定機(jī)器人航位推算動(dòng)態(tài)分布范圍的基礎(chǔ)上，通過多次實(shí)驗(yàn)定性的描述隨機(jī)干擾噪聲，并提出基于既定誤差的離散卡爾曼濾波對(duì)航位推算誤差進(jìn)行修正，然后利用機(jī)器人的動(dòng)態(tài)分布對(duì)修正后的誤差進(jìn)行再校驗(yàn)，使機(jī)器人的自定位誤差降到最小。同時(shí)基于此方法提出了機(jī)器人在SE(2)空間中的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，包括閾值的選擇準(zhǔn)則、效率與安全機(jī)制和局部路

5、徑優(yōu)化機(jī)制，增加機(jī)器人在SE(2)空間中運(yùn)動(dòng)的高效性。
　　針對(duì)機(jī)器人在核電站內(nèi)巡檢與應(yīng)急處理任務(wù)的爬樓需求，在對(duì)機(jī)器人的爬樓能力分析的基礎(chǔ)上，提出了平面穩(wěn)定度表征機(jī)器人在爬樓靜態(tài)過程中的穩(wěn)定性，并對(duì)機(jī)器人在隨機(jī)偏移下的爬樓進(jìn)行可行性分析。針對(duì)于機(jī)器人在不同爬樓過程中的爬樓進(jìn)程狀態(tài)，提取機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反饋電流變化特征序列作為特征參數(shù)，進(jìn)而提出了基于多分類支持向量機(jī)的爬樓狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，提前預(yù)測(cè)機(jī)器人在爬樓過程中的爬樓

6、進(jìn)程狀態(tài)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)爬樓過程中質(zhì)心變化率提出了垂直穩(wěn)定度，并以垂直穩(wěn)定度為準(zhǔn)則針對(duì)爬樓過程提出了多模式切換控制方法，包括模糊控制和異步開環(huán)控制，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的樓梯攀爬。
　　針對(duì)雙機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的實(shí)際需要，提出了多冗余度雙移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的空間運(yùn)動(dòng)解析。將多冗余度機(jī)械臂與機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)作為整體控制，提出了整個(gè)移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的自由度分配方案，有效地提高了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力。結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械臂的運(yùn)