面向核电RCV的机器人自适应机理与高效作业方法研究

The preformance of robots used in nuclear power plants is directly decided by high-efficiency and high reliability. In this proposal, the radioactive filter replacement operation in chemical and volume control system (RCV) in primary coolant circuit as background, a mobile robot is intended to develop for replacing the radioactive filter in main order to solve the problem of high reliable mobile mechanism and high efficient operation of robots used in nuclear power plants. Research contents: 1)Starting from moving mechanisms of robots used in nuclear power plants for replacing chemical and volume control system (RCV), a passive adaptive mobile platform that adapts to this environmen of filter replacement operation is proposed. According to the exchanging mechanism between the moving body and terrain, theory of passive adaptive mechanism is explored. 2)According to operation efficiency of robot, dynamic model, positioning technology and tele-presence virtual technology based on force feedback of mobile robot in 3D environment are explored on basis of point cloud under nuclear enviroment. A new visual efficient method of combining coarse positioning based on a global 3D model of the environment and accurate positioning based on local force feedback is proposed. 3)This proposal is aimed at revealing interaction theory of moving mechanism and complex terrain, and discussing the general method of robot localization and accurate operation under nuclear environment. This proposal can promote China robot used in nuclear power plants, and it has important values in the theory and application.

高效高可靠性是决定核电站机器人性能的直接因素。本项目以核电站一回路中化学和容积控制系统（RCV）的放射性过滤器更换作业为背景，拟研制一台适用于更换放射性过滤器的移动本体，重点解决核电站机器人高可靠性移动机构与高效作业方法。 研究内容：1）以核电站RCV过滤器更换机器人的作业环境入手，提出一种适应RCV过滤器更换作业环境的新型被动自适应机器人移动平台，围绕机器人移动本体与地形交互的科学问题，探索被动自适应机构机理；2）基于机器人移动平台，围绕机器人作业效率的科学问题，探索核环境下基于点云的移动机器人三维环境动态建模、定位技术、基于力反馈的临场虚拟技术，提出一种基于全局的三维环境模型粗定位与基于局部力反馈的精定位相结合的新型可视化高效作业方法。 本项目旨在揭示移动机构与复杂地形交互机理，探讨核环境下机器人定位与精确作业的共性方法，本项目可推动我国核电站机器人技术发展，具有重要的理论与应用价值。

本项目以核电站一回路中化学和容积控制系统（RCV）的放射性过滤器更换作业为背景，设计了一款基于RCV的轮-履复合被动自适应移动平台和多功能桁架机械手系统。分析了移动平台的运动过程及其被动自适应机理，建立了其移动机构的数学模型，优化了各机构参数，通过实验验证了移动平台模式转换的有效性。研究了平台及搭载机械手的位姿状态情况及机器人的转弯策略，建立了不同运动模式下的力学模型，进而建立移动机构在不同地形条件下的地面约束力模型。对移动平台系统进行能量分析，制作了移动平台样机并设计了控制系统。研制了一款可用于更换放射性过滤器滤芯的机械手，基于核环境下RCV过滤器更换作业环境，提取典型障碍信息，提出了一种基于行星轮系的桁架机械手总体设计方案，结合实际工况对执行器进行了详细设计，并对其实现机理进行了研究。利用D-H法建立机械手拨爪部分的数学模型，对其运动学、动力学做了分析，利用ADAMS对运动学、动力学进行了仿真，并提出了一种借助结构尺寸关系解决此类侧杆式拨爪运动学分析的方法。对于面向核电RCV过滤器的机械手行星轮结构各齿轮齿数进行选取，并对螺栓预紧力、太阳轮行程及啮合力进行了计算。借助ADAMS对啮合力进行仿真，仿真结果与理论结果进行对比证明了理论的准确性；制作面向核电RCV的桁架机械手样机，通过实验验证其移动、拆装及夹装性能，确定其最优运动参数。通过对核电RCV工作环境与现有地图构建方式的分析研究，综合考虑目标环境空间的复杂性、结构性，提出了基于地标的拓扑地图构建方法。以移动机器人在空间中漫游的方式获取各个可能地标的位置信息和点云信息，通过改进的RANSAC算法对获取的点云数据进行柱状化轴线提取，轴线表示位置信息。然后根据拓扑地图的节点选取与构成规则，结合移动机器人行走时的特异状态判定方法，选出各个拓扑节点。最后将地标与拓扑节点相结合，构建出完整的拓扑地图。以上研究成果对推动我国核电站机器人技术发展，具有重要的理论与应用价值。