基于模糊逻辑的核电站检修机器人运动控制分析

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1、华北电力大学硕士学位论文售合_崔参日!弓旨二月勺‘落二.J.「刁课题的研究背景核电站是核能利用的一个重要方面，受到了世界各国的重视。现在全世界核能发电量占总发电量的17%。然而核电站有很多操作过程都带有放射性，核辐射对人体的伤害是致命的。在核工业早期，由于检修、保养和事故过程中人员操作不当，或由于核环境中核物质放射性剂量过高造成的人身伤亡事故不断发生。因此远距离操作技术是核工业不可缺少的工具，是核工业的生命线，而智能机器人则是核工业梦寐以求实现的目标。最近几年，由于世界上放射性废物与日俱增，严重影响了当代全球安全和环境，核电站多年使用被污染的设备，维

2、修和更换各国废弃的核装置，这些操作引起了各国核工业界的高度重视，得到的共识是大力发展用于核工业的机器人。在这种形势下，国外核工业机器人已有了新的长足进展，了解和分析国外核环境下机器人研究现状和进展，对我国核机器人的发展将大有裨益。核电站有很多操作过程都带有放射性，直接进行操作的工作人员的工作环境比较恶劣。如果人类长期工作在强放射性辐射的环境中或者发生核泄漏，极易引起如白内障、失明、生长迟缓、脑损伤甚至出现癌变等致命性的疾病【‘一3]。在20世纪50一60年代，随着遥控技术的逐渐成熟，不少国家研制了远距离控制的电随动机械手。这种机械手的主从臂之间用相距

3、100多米的多芯电缆联接，用计算机进行控制。这样可使操作人员完全脱离工作环境恶劣的现场，使一些带有强放射性的操作更加安全可靠。这种机械手的出现为核电站的远距离维修和操作、故障排除等作了大量的工作，取得了不少成功的经验。核电站检修机器人是一种灵活，能操作各种检修工具，对危险环境有着极好的应变能力，有这样的两个特点卜61:(l)适应不同的环境和高可靠性。机器臂在核电站内进行工作时，大部分是操作放射性较.高的物质，一日.发/}:故.障，不仅本身受到放射性污染，而且还会导致污染范囚勿‘一大。所以必须保证核电站检修机器人有一很强的环境适应能力和很.司的可“.粗

4、性，使’己在工作时不会发生故障。(2)适用性强。核电站内的设备很多，各种管道错综复杂，通道狭隘，工作空间小。因此要求核电站检修机器人能顺利通过各种障碍物和狭隘的通道，并且最好能根据需要操作不同的设备。2课题的研究现状国外对核电站检修机器人的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重华北电力大学硕十学位论文量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。这里简要介绍一下国外在这一领域的发展状况:(l)美国先进核工业公司在1989年研制了第一台用来对核电站中的蒸汽发生器(SteamGenerator)一次侧水室进行检查和维修

5、作业的COBRA机械臂。它有四个转动关节，每个关节由一个高速电机和一个谐波减速器所组成。因为COBRA机械臂是用在空间及入口均较狭小的半球形水室中工作，为适应相应的环境，COBRA机械臂本体实现了重量轻且半模块化。COBRA机械臂重量小于68kg，举力大于45kg，机械本体展开后全长为1828mm。机械臂拆成两部分，根部和导轨联接后，先进入水室，再把机臂的两部分通过锁紧装置连接起来，然后整个机械臂一起滑到导轨末端。在导轨末端，机械臂的根部与底座平台通过一系列的凸轮锁紧装置锁在一起，这样就可以执行检查与维修作业了[，]。(2)德国HanaWalisch

6、ine公司生产的检修机械臂Telbot。该检修机械臂将底盘悬挂在水室外面，以此来固定。它有六个旋转关节和一个驱动系统，所有的线缆、电机、减速器，编码器都放置在底座里，臂部关节的运动是通过底部驱动系统通过一组同心管和斜齿轮传输的。由于臂部没有驱动电路，所有关节旋转范围均可大于360度，上臂结构简洁轻巧，机械臂的主要部件没有进入水室，深入水室的部分可以添加防腐辐射保护[6](3)韩国原子能研究院先进机器人研究室在2003年成功研制了可用于核工业的蒸汽发生器检修机械臂，其机械本体分为机械手、底盘、入孔导引装置三部分，该机械手的控制和安装均在蒸汽发生器外部进

7、行。机械手的底盘与入孔固定后自动保持水平，在臂体上携带了小型数码相机，可以进行如传热管检修等相关作业时的仿真模型。该机械手的最大负载为15kg，总重84k梦一’0，。其他已经开发成熟的系统还有:美国的ORML基于机器人的放射性储罐清理系统，反应堆用双臂操作器，利用机器人监控切尔诺贝利核电站中的废墟，日本研制的极限作业机器人以及用于在核电站发生紧急事故时对人员抢救的求援机器人，加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手，OCRoboticS公司设i卜的用于核反应堆的紧总管道替换作业的蛇形臂机器人，印度研;}jlJ成功的“舞土”，叮以到高辐

8、射环境里去监测检查和排除事故隐患的机器人等。我国对开发和利用核工业机器人给予了高度重视，已列入国家高技术“8