CN109047987A - 一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，涉及核电水池水下修复作业。控制系统划分为三层：规划层、控制层和执行层；所述规划层通过数据计算进行运动规划和焊接轨迹规划，形成命令发送给控制层；所述控制层从规划层接收命令并向执行层发送命令；所述执行层接收来自控制层的命令并通过控制执行器运动来执行命令。本发明适用于水下焊接作业。

Description

一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统

技术领域

本发明涉及核电水池水下修复作业。

背景技术

近年来，机器人在水下作业中得到了广泛的应用，如海洋探测、海底抓取、水下作业。特别是水下焊接(UWV)机器人可以用于核电站乏燃料池(SFP)的日常检查和紧急维护。由于SFP的壁面偶尔出现裂纹，因此开发一种用于防止核泄漏裂纹的焊接机器人具有重要意义。然而，对SFP的相关研究资料有限。

迄今为止，已经开发了各种在SFP进行水下检查的UWV。Odakura和Kometani 开发了一种水下机器人(ROV)，通过在壁表面上的吸附来对核心内构件进行裂纹尺寸测量。Cho等设计了用于视觉检测的韩国电力机器人视觉测试系统 (KeproVt)，该系统由水下机器人、基于视觉处理器的测量单元、主控站和伺服控制站组成。Nawaz等人介绍了一种正在开发的水下移动传感器网络，用于监测废物存储池和构建池内部结构的图像。Mazumdar等设计了一种四自由度水下机器人，用于核动力管道系统的直接检测，它无匹配传感器、结构紧凑，并且是高度可操作的。然而，上面提到的所有水下机器人只能完成检查任务，但不能完成维护任务。因此，这些水下机器人不适合于紧急维修，例如SFP的裂纹焊接和废物清除。

为了实现水下维修，Lee等开发了一种5自由度水下机械臂，用于检测和清除反应堆容器中的松动部件。然而，机械臂具有有限的运动范围，因为它被固定在容器的底部。张等设计了一种携带机械臂的六轮水下机器人，用于在核反应堆容器底部自由地移除松散部件。但是，它不能处理侧壁上的裂纹。

综上所述，上述所有的水下机器人仍然缺乏裂纹焊接的能力，并且缺少稳定性和准确性。此外，这些水下机器人通过远程操作进行检查和维护，从而导致高成本和低效率。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于核电水池修复作业的一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，包括控制系统和执行器，所述控制系统为人机协同控制的控制系统，划分为三层：规划层、控制层和执行层；

所述规划层与人交互或不与人交互，通过数据计算进行运动规划和焊接轨迹规划，形成命令发送给控制层；此外，规划层可以同时处理来自人类的命令。在一些复杂的情况下，例如不能准确地识别焊缝金属，UWV可以通过人的远程操作来操作。由于HMC2S，UWV可以完成自动检测和焊接，与以前完全依赖于远程操作的UVS相比，大大提高了效率。

所述控制层从规划层接收命令并向执行层发送命令；

所述执行层接收来自控制层的命令并通过控制执行器运动来执行命令；

所述执行器包括推进器和三自由度机械臂。

所述控制系统，包括水下控制单元和地面控制单元，两个控制单元通过承载电力线和光纤的脐带电缆连接；

所述水下控制单元包括基于ARM的单片机，水下控制单元还与传感器相连，采用基于ARM的单片机对传感器数据进行预处理，并通过脐带电缆与地面控制单元进行通信，上传预处理后的数据；同时，水下控制单元也可以脱离水上控制单元独立运算处理数据，执行自主运动和焊接；

所述地面控制单元包括工业计算机、显示器、鼠标、键盘和操作手柄，地面控制单元与人交互，利用工业计算机完成数据计算和处理被输入的指令，最终完成运动规划和焊接轨迹规划的数据计算，形成命令；

在本发明的一种实施方式中，所述传感器包括：两个高度计、一个压力传感器、一个姿态航向参考系统、两个摄像头和两个水下灯。

所述执行层为水下焊接机器人。

所述水下焊接机器人包括八个成矢量分布的水下推进器。其中机器人上层垂直安装四个推进器，通过调节推进器的正反转以实现机器人的升沉、横倾、纵倾；下层成角度水平安装四个推进器，通过调节推进器正反转以实现机器人的进退、侧移、摇艏。

所述水下推进器由螺旋桨、水润滑轴承、齿轮减速器和无刷直流电机组成。

水下焊接机器人可通过驱动配置来实现任意姿态运动。水下焊接机器人可通过推进器的反向推力实现核电站乏燃料池侧壁稳定贴附。

所述水下焊接机器人包括三自由度机械臂；所述三自由度机械臂由三组直线导轨X轴导轨8、Y轴导轨9、Z轴导轨11构成，以执行任意裂纹形状的轨迹跟踪；所述三组直线导轨X轴导轨8、Y轴导轨9、Z轴导轨11两两互相垂直。在 Z轴直线导轨上安装有焊接系统，包括送丝机10和焊枪12。

有一体式导轨槽，包括不在同一平面的两个导轨槽，二者的导轨方向互相垂直，所述X轴导轨8、Y轴导轨9分别设置在这两个导轨槽内，所述Z轴导轨11 焊接在一体式导轨槽上，其方向垂直于X轴导轨8方向，也垂直于Y轴导轨9 方向。X轴导轨上安装有焊接系统，具体连接方式是：Z轴导轨上设置有导轨槽，所述焊接系统安装在导轨槽上。

所述焊接系统包括送丝机10和焊枪12，所述送丝机由一个直流电机和一对滚轮组成，送丝机结构尺寸小，可以安装在焊枪上，保证送丝速度的稳定性。

本发明与现有技术相比，存在如下特点：

本发明通过人机协同控制策略，实现人机交互控制。

本发明采用八个推进器矢量布局，增强机器人的运动灵活性。该种布局方法可使机器人实现进退、侧移、潜伏、横摇、纵倾、摇艏6自由度的全姿态运动，使机器人通过纵倾或横摇贴在池壁壁面。

本发明通过内部搭载三自由度机械臂，使机器人工作时具有很高的稳定性，同时也扩大了机械臂的工作空间，可实现任意形状任意长度焊缝的焊接作业。

本发明通过两个高度计，一个姿态传感器，一个深度计，两个水下灯和两个摄像头的合理布局，使机器人在有限水域内能够被准确的确定位置和姿态，从而提高焊接作业的精度。

附图说明

图1是本发明的三自由度机械臂结构示意图，其中，8为X轴导轨、9为Y 轴导轨、11为Z轴导轨，10为送丝机，12为焊枪；

图2本发明的机器人主体部分立体结构示意图，3为推进器。

图3是本发明机器人主体部分的俯视图与仰视图，结合图2展示八个推进器的布局，13-20为推进器。

具体实施方式

一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，为了尽量减少人为干预，采用人机协同控制策略(HMC2S)来大大提高效率。HMC2S将UWV系统划分为三层：包括控制系统和执行器，所述控制系统为人机协同控制的控制系统，划分为三层：规划层、控制层和执行层；

所述规划层是顶层，可以与人交互，通过数据计算进行运动规划和焊接轨迹规划，形成命令发送给控制层；

所述控制层是从规划层接收命令并向执行层发送命令的中间层；

所述执行层是HMC2S中的底层，接收来自控制层的命令并通过控制执行器运动来执行命令；

所述执行器包括推进器和三自由度机械臂。

所述控制系统，包括水下控制单元和地面控制单元，两个控制单元通过承载电力线和光纤的脐带电缆连接；

所述水下控制单元包括基于ARM的单片机，水下控制单元还与传感器相连，采用基于ARM的单片机对传感器数据进行预处理，并通过脐带电缆与地面控制单元进行通信，上传预处理后的数据；同时，水下控制单元也可以脱离水上控制单元独立运算处理数据，执行自主运动和焊接。因此，即使通信受到干扰，机器人仍能在紧急情况下自主完成裂纹焊接。

所述地面控制单元包括工业计算机、显示器、键盘、鼠标和操作手柄，地面控制单元与人交互，利用工业计算机等完成数据计算和处理被输入的指令，最终完成运动规划和焊接轨迹规划的数据计算，形成命令。

所述传感器包括：两个高度计、一个压力传感器、一个姿态航向参考系统、两个摄像头和两个水下灯。

所述执行层为水下焊接机器人。

所述水下焊接机器人包括八个成矢量分布的水下推进器。其中机器人上层垂直安装四个推进器(推进器13-16)，通过调节推进器的正反转以实现机器人的升沉、横倾、纵倾；下层成角度水平安装四个推进器(推进器17-20)，通过调节推进器正反转以实现机器人的进退、侧移、摇艏。

所述水下推进器由螺旋桨、水润滑轴承、齿轮减速器和无刷直流电机组成。

水下焊接机器人可通过驱动配置来实现任意姿态运动。水下焊接机器人可通过推进器的反向推力实现核电站乏燃料池侧壁稳定贴附。

所述水下焊接机器人包括三自由度机械臂；所述三自由度机械臂由三组直线导轨X轴导轨8、Y轴导轨9、Z轴导轨11构成，以执行任意裂纹形状的轨迹跟踪；所述三组直线导轨X轴导轨8、Y轴导轨9、Z轴导轨11两两互相垂直。在 Z轴直线导轨上安装有焊接系统，包括送丝机10和焊枪12。

有一体式导轨槽，包括不在同一平面的两个导轨槽，二者的导轨方向互相垂直，所述X轴导轨8、Y轴导轨9分别设置在这两个导轨槽内，所述Z轴导轨11 焊接在一体式导轨槽上，其方向垂直于X轴导轨8方向，也垂直于Y轴导轨9 方向。X轴导轨上安装有焊接系统，具体连接方式是：Z轴导轨上设置有导轨槽，所述焊接系统安装在导轨槽上。

所述焊接系统包括送丝机10和焊枪12，所述送丝机由一个直流电机和一对滚轮组成，送丝机结构尺寸小，可以安装在焊枪上，保证送丝速度的稳定性。

该水下焊接机器人是用于SFP的检查和焊接的，它是一个矩形形状的水池，通常为10米深，底部5米装有储藏架，以保持燃料组件从反应器中。所开发的水下焊接机器人由机器人本体和三自由度机械臂组成。机器人本体具有8个推进器，因此UWV的过驱动配置可以执行任意姿态运动并附着在SFP的壁上。在UWV 稳定地附着在壁上之后，带有焊接系统的三自由度机械臂可以进行裂纹的焊接。

由于UWV独特的动力来源，八个矢量分布的螺旋桨式推进器可实现任意姿态运动。机器人可分为上方和下方，机体上方垂直布置四个推进器，分别为推进器 13、推进器14、推进器15和推进器16，四个推进器同时正转或者反转，用以实现机器人的升沉；推进器13、14正转，15、16反转，用以实现机器人的横倾；推进器13、16正转，14、15反转，用以实现机器人的纵倾。机体下方布置四个推进器，分别为推进器17、推进器18、推进器19和推进器20。使安装平面包含机器人质心坐标点处，并且推进器电机轴方向与机器人正向呈一定角度。推进器18、19正转，17、20反转，以实现机器人的前进；推进器18、19反转，17、 20正转，以实现机器人的后退；推进器17、18正转，19、20反转，用以实现机器人的侧移；推进器17、19正转，18、20反转，用以实现机器人的摇艏。该种布局方式不但能实现机器人的六自由度全姿态运动，还能消除各个推进器在运转中产生的反作用力对机器人运动的干扰。

三自由度机械臂的结构，由三组直线导轨X轴8、Y轴9、Z轴11和直流电动机7构成，以执行任意裂纹形状的轨迹跟踪。在Z轴直线导轨上安装有焊接系统，包括送丝机10和焊枪12。由于在焊接系统工作时，UWV可以附着在SFP的壁上，三自由度机械臂可以通过调节三个互相垂直的轴运动而进行高精度焊接，精度高达0.1mm。

三自由度机械臂的工作过程为：当需要焊接系统沿着X轴运动时，机械臂的 X轴导轨在其导轨槽内滑动，机械臂的其余部分保持相对静止；同理，当需要焊接系统沿着Y轴运动时，机械臂的Y轴导轨在其导轨槽内滑动，机械臂的其余部分保持相对静止；当需要焊接系统沿着Y轴运动时，Z轴导轨与其导轨槽之间相对运动，机械臂的其余部分相对静止。

在这项工作中，我们开发了一种新型的水下机器人，该机器人不仅能用于检查，而且还可以在核电站乏燃料池进行裂纹焊接。水下焊接机器人可以实现对核电站乏燃料池池壁进行高稳定性和高精度的裂缝焊接。此外，机器人的控制系统可以实现人机交互控制策略，该控制系统包括表面远程操作单元和水下自动控制单元。由于具有矢量分布的多推进器的设计，水下焊接机器人可以完成在核电站乏燃料池的任意姿态运动。因此，机器人可以稳定地吸附在核电站乏燃料池的底部和侧面上，从而消除水流对焊枪的影响。因此，水下焊接机器人在高稳定、高精度焊接方面具有良好的性能。

Claims (6)

1.一种有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：包括控制系统和执行器，所述控制系统为人机协同控制的控制系统，划分为三层：规划层、控制层和执行层；

所述规划层与人交互或不与人交互，通过数据计算进行运动规划和焊接轨迹规划，形成命令发送给控制层；

所述控制层从规划层接收命令并向执行层发送命令；

所述执行层接收来自控制层的命令并通过控制执行器运动来执行命令；

所述执行器包括推进器和三自由度机械臂。

2.根据权利要求1所述的有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：所述水下焊接机器人控制系统包括水下控制单元和地面控制单元：

所述水下控制单元包括基于ARM的单片机，水下控制单元还与传感器相连，采用基于ARM的单片机对传感器数据进行预处理，并通过脐带电缆与地面控制单元进行通信，上传预处理后的数据；

所述地面控制单元包括工业计算机、显示器、键盘、鼠标和操作手柄，地面控制单元与人交互，利用工业计算机等完成数据计算和处理被输入的指令，最终完成运动规划和焊接轨迹规划的数据计算，形成命令。

3.根据权利要求1所述的有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：所述执行器为水下焊接机器人。

4.根据权利要求3所述的有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：所述水下焊接机器人包括八个成矢量分布的水下推进器，所述矢量分布；其中机器人上层垂直安装四个推进器；下层水平安装四个推进器。

5.根据权利要求3所述的有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：所述水下焊接机器人包括三自由度机械臂；所述三自由度机械臂由三组直线导轨X轴导轨(8)、Y轴导轨(9)、Z轴导轨(11)构成；所述三组直线导轨X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨两两之间互相垂直；在Z轴直线导轨上安装有焊接系统。

6.根据权利要求5所述的有限水域水下焊接机器人的人机协同控制系统，其特征在于：所述焊接系统包括送丝机(10)和焊枪(12)，所述送丝机由一个直流电机和一对滚轮组成，送丝机安装在焊枪上。