（机械电子工程专业论文）细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统的研究.pdf

上 海 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文 摘要 核电是和平利用核能的典范，蒸汽发生器是核电厂的关键设备， “ 细小工业 管道群管束间狭窄空间检测机器人系统 ( 简称管间机器人系统) 的 研究” 是应蒸 汽发生器传热管自 动化检查的需要而开展的， 本项目 是国家自 然科学基金重点资 助项目 “ 面向管道检测的多微机器人移动、 控制、协调及集成技术” ( 编号: 6 9 8 8 9 5 0 1 ) 的子课题。 本文对用于蒸汽发生器传热管外表面检测的机器人技术进 行了有益的、 积极的探索， 成功研制了一套面向蒸汽发生器传热管检测的管间机 器人样机系统。 管道机器人是特种机器人技术研究的一个热点， 目 前管道机器人的研究工作 主要集中在管内机器人上， 管外机器人的研制由于没有管道内封闭圆柱面的导向 或支撑作用而显得更加困难。 目 前国内尚无自 主研制的用于蒸汽发生器传热管检 测的实用化机器人问 世， 传热管的日 常检查维护工作主要还是由 人工来完成。 传 热管管束间隙非常狭窄， 这使得传热管管间的检查工作异常困难， 工人工作环境 恶劣，劳动强度很大。 本文首先介绍了 压水堆核电厂的工作流程、 蒸汽发生器的结构、 作用及在役 检查， 对面向管道检测的机器人的国内 外研究状况进行了调研， 分析了实现蒸汽 发生器传热管束外表面自 动化检查的机器人的基本性能要求， 提出了针对实际工 况的管间机器人系统方案。 微型摄像头的横向移动是实现管束间检查的关键。 本文提出了用伸缩模块将 装载微型摄像头的小车送入每排管束间隙中检查的方法， 研制了伸缩模块， 实现 了 检查 装置的 横向 移 动功能。 对 柔性 钢带 进 行了 受 力 分析， 建 立了 管间 小 车 着 地 前柔性钢带的挠曲线微分方程，并将其线性化后求出了挠曲线微分方程的通解， 对管间小车的着地点位置和运动状态变化过程进行了理论分析。 通过研究，本文提出了3 - c s r并联平台式机器人结构形式，建立了3 - c s r 并联机构模型， 用矢量代数方法对其进行了运动学位姿正反解分析， 推导出了求 解的方程组，给出了样例计算结果。提出了 用微小型 3 - c s r并联机构来调整微 型摄像头位姿的方法。对 s ma双程驱动器进行了分析比较，研制了用偏动式 s m a双程驱动器驱动的微小型3 - c s r并联机构， 设计了偏动式s ma双程驱动 器， 确定了s m a弹簧和偏压弹簧的参数，实现了 微型摄像头的位姿调整，扩大 了视频检查的范围。 管间机器人自身位置的确定是其正常工作的基础。本文提出了采用定位模 块， 借助传热管外表面实现管间机器人在蒸汽发生器中定位的方法。 研制了一套 主要由一个丝杆螺母机构、 两个对称的滑杆曲柄机构和两个对称的平行四边形机 构组成的定位模块， 高效可靠地实现了机器人的定位。 用全微分法对定位模块的 细小工业管道群管束间狭窄空间 检测机器人系统的 研究 误差进行了 分析， 给出了 机构的 位置误差与原动件位置误差和构件长度误差的关 系，为构件的公差确定提供了理论依据。 本管间机器人的控制系统由两级计算机组成. 上位p c机履行显示监控功能。 上、下位机间通过r s - 2 3 2 c总线串行通信。下位机系统由a t 8 9 c 5 1 型单片机和 外围的逻辑、 驱动电 路组成， 包括单片机单元、 通信接口单元、 步进电机控制单 元、 直流电机控制单元、 并联机构控制单元、 光隔与驱动单元和位置检测信号处 理单元。 对纵向移动平台在每个管子中心距行程上的速度模糊控制系统进行了研 究。 针对缺陷检测， 本文对管间机器人的视频检查系统进行了研究， 提出了一种 根据管间视频检查图像对各区域进行评价的灰色评价方法， 给出了评价样例。 该 评价方法定性与定量分析相结合， 以定量分析评价为主， 把评价人员提供的分散 信息归纳成确切的 评价值， 能吸收各类基层信息做出高层次系统综合， 比常用的 求和、 求平均值法更符合客观实际， 并根据该评价原理用v b编制了 灰色评价程 序。 在以上各项研究工作的基础上， 研制了一套面向蒸汽发生器传热管检测的管 间机器人实验系统， 在蒸汽发生器传热管和管板的模拟平台 上用该样机进行了 管 间的自 动化检查的实验，达到了 研究目 标。 最后根据实验结果将本管间机器人样机与国内 外同类研究进行了对比， 对本 文的研究工作和创新点进行了总结，并对后续研究进行了展望。 本管间机器人中有特色的三项技术己申请国家专利。 关键词:机器人;蒸汽发生器;定位机构;并联机构; 形状记忆合金;灰色评价系统 上 海 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p e a c e f u l u t i l i z a t i o n o f n u c l e a r e n e r g y i s t o g e n e r a t e e l e c t r i c p o w e r . b e i n g v i t a l t o n u c l e a r p o w e r p l a n t s , t h e s t e a m g e n e r a t o r s i n p r e s s u r i z e d w a t e r r e a c t o r p l a n t s a r e e x t r e m e l y d i f f i c u lt t o m a i n t a i n . t h e r e s e a r c h o f r o b o t i c s y s t e m f o r t h e i n s p e c t i o n o f n a r r o w s p a c e s b e t w e e n s m a l l i n d u s t r i a l p ip e b u n d l e s w a s c a r r i e d o u t t o m e e t t h e d e m a n d s o f t h e a u t o m a t i c i n s p e c t i o n o f t h e h e a t e x c h a n g e p ip e s i n s t e a m g e n e r a t o r s . a s a p o rt i o n o f a m a j o r p r o j e c t s u p p o rt e d b y n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h in a , t h i s p r o j e c t h a s d o n e s o m e f u n d a m e n t a l r e s e a r c h o n t h e k e y t e c h n o l o g i e s f o r t h e r o b o t i c in s p e c t i o n o f t h e o u t e r s u r f a c e o f p i p e b u n d l e i n s t e a m g e n e r a t o r s , a n d a n e x p e r i m e n t a l i n - b u n d l e r o b o t i c s y s t e m h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d t h e r e s e a r c h o f p ip e r o b o t s i s c u r r e n t l y a h o t i s s u e o f s p e c i a l ro b o t ic s t e c h n o l o g i e s . r o b o t s o u t s i d e p i p e s a r e m o r e d i f f i c u lt t o d e v e l o p d u e t o t h e l a c k o f t h e g u i d a n c e a n d s u p p o r t f r o m t h e i n n e r p i p e s u r f a c e . a t p re s e n t , i n c h i n a , m o s t o f t h e r o u t i n e c h e c k o n h e a t e x c h a n g e p i p e s i n s t e a m g e n e r a t o r s i s s t i l l b e i n g d o n e b y m a n p o w e r . i t s v e ry h a r d t o a c c e s s t h e g a p b e t w e e n a n y t w o r o w s o f p i p e s b e c a u s e o f t h e n a r r o w d i s t a n c e . t h e re f o r e , t h e i n s p e c t i o n t a s k o f t h e o u t e r s u r f a c e o f t h e p i p e s i s r e a l l y d i f f i c u l t t o a c c o m p l i s h . t h i s d i s s e rt a t i o n i n t r o d u c e s fi r s t l y t h e w o r k i n g p r o c e s s o f p r e s s u r i z e d w a t e r r e a c t o r p l a n t s , t h e s t r u c t u r e , f u n c t i o n a n d i n - s e r v i c e i n s p e c t i o n o f s t e a m g e n e r a t o r s , a n d t h e f o r e i g n a n d d o m e s t i c s t a t e o f t h e a rt i n p i p e r o b o t s h a s a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d t h e b a s i c p e r f o r m a n c e d e m a n d s o n i n - b u n d l e r o b o t h a s b e e n a n a l y z e d a n d a s y s t e m a t i c s c h e m e b a s e d o n s p e c i f i e d c o n d i t i o n s h a s b e e n p ro p o s e d . b e c a u s e t h e l o n g e s t d i s t a n c e o f i n s p e c t i o n m o v e m e n t i n t h e g a p s i s m u c h l o n g e r t h a n t h e w i d t h o f t h e r o b o t , a fl e x i b l e m o d u l e h as b e e n d e v e l o p e d t o p u s h a m i c r o v e h i c l e c a r ry i n g a m i c r o c a m e r a i n t o t h e g a p s a n d r e t r a c t i t fr o m t h e g a p s . t h e d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n o f t h e d e fl e c t i o n c u r v e o f t h e fl e x i b l e s t e e l b e l t b e f o r e t h e l a n d i n g o f t h e m i c r o v e h i c l e w as s e t u p . a ft e r p r o p e r s im p l i f i c a t i o n a n d l i n e a r i z a t i o n , t h e d e fl e c t i o n e q u a t i o n h a s b e e n o b t a i n e d . t h e l a n d i n g p o s i t io n a n d t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h e p o s e o f t h e m i c r o v e h i c l e h a v e a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d a n o v e l m e c h a n i s m , 3 - c s r p a r a l l e l p l a t f o r m r o b o t i c m e c h a n i s m h a s b e e n p r o p o s e d . i t s m o d e l h a s b e e n s e t u p a n d a r i t h m e t i c v e c t o r m e t h o d w a s u s e d t o a n a l y z e t h e p o s i t i o n a n d p o s e o f t h e m e c h a n i s m i n d i r e c t a n d i n d i r e c t k i n e m a t i c s . a m i c r o 3 - c s r p a r a l l e l m e c h a n i s m a c t u a t e d b y b i as t w o w a y s ma a c t u a t o r s w as d e v e l o p e d t o i i i 细小工业管道群管束间 狭窄空间检测机器 人系 统的 研究 a d j u s t t h e p o s e o f t h e m i c r o c a m e r a , t h u s e ff e c t i v e ly e x p a n d in g t h e i n s p e c t i o n s c o p e . a p o s i t i o n i n g m o d u l e i s u s e d t o e ffic i e n t l y l o c a t e t h e i n - b u n d l e r o b o t . t h e m o d u l e i s c o m p o s e d o f s e v e r a l b a s i c m e c h a n i s m s , a n d i t t a k e s a d v a n t a g e o f t h e p i p e s t o p e r f o r m i t s f u n c t i o n . t o t a l d i ff e r e n t i a l m e t h o d w a s a p p l i e d t o a n a l y z e t h e e r r o r o f t h e p o s i t i o n i n g m o d u l e , a n d t h e p o s i t i o n in g e r r o r e q u a t i o n h a s b e e n c o n c l u d e d , t h u s p r o v i d i n g t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d i s tri b u t i o n o f p a rt s t o l e r a n c e . t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e in - b u n d l e r o b o t c o n s i s t s o f t w o l e v e l s o f c o m p u t e r s . t h e f i r s t l e v e l i s a p e r s o n a l c o m p u t e r , w h i c h p e r f o r m s t h e f u n c t i o n o f m o n i t o r a n d d i s p l a y . s e r i a l c o m m u n i c a t i o n i s r e a l i z e d v i a r s - 2 3 2 c b u s b e t w e e n t h e t w o l e v e l s . t h e s e c o n d l e v e l c o n t a i n s a t 8 9 c 5 1 c o m p u t e r a n d p e r i p h e r a l c i r c u i t s , i n c l u d i n g s i n g l e c h i p c o m p u t e r u n i t , c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e u n i t , s t e p p i n g m o t o r d r i v i n g c o n t r o l u n i t , d c m o t o r d r i v i n g c o n t r o l u n i t , p a r a l l e l m e c h a n i s m c o n t r o l u n i t , o p t o - c o u p l e r d r i v i n g u n i t a n d p o s i t i o n s i g n a l p r o c e s s i n g u n it . r e s e a r c h o n t h e f u z z y c o n t r o l s y s t e m o f lo n g i t u d i n a l m o b i le p l a t f o r m h a s a l s o b e e n c a r r i e d o u t t h e v i d e o i n s p e c t i o n s y s t e m o f t h e r o b o t h a s b e e n d e v e l o p e d . a g r e y e v a l u a t i o n m e t h o d w a s p u t f o r w a r d t o e v a l u a t e t h e q u a l i t i e s o f i n s p e c t e d a r e a s b y t h e a c q u i r e d i m a g e s , a n d a n e x a m p l e w a s g i v e n t o d e m o n s t r a t e t h e m e t h o d . t h i s m e t h o d , c o m b i n i n g q u a l i t a t i v e e v a l u a t i o n w i t h q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n , l a y s m a j o r e m p h a s i s o n t h e l a tt e r . b a s e d o n f u n d a m e n t a l i n f o r m a t i o n , t h e m e t h o d c a n d r a w h i g h e r - l e v e l c o n c l u s i o n a n d g e t e x a c t v a l u e s f r o m d i s t r i b u t i v e s c o r e s p r o v i d e d b y t h e e v a l u a t i o n s t a ff , s o i t i s m o r e r a t i o n a l a n d o b j e c t i v e t h a n c o n v e n t i o n a l m e t h o d s o f s u m m a t i o n a n d a v e r a g e . t h e c o m p u t e r p r o g r a m o f g r e y e v a l u a t i o n h a s b e e n d e v e l o p e d v i a v i s u a l b a s i c . b a s e d o n t h e a b o v e r e s e a r c h , a n e x p e r i m e n t a l i n - b u n d l e r o b o t i c s y s t e m f o r t h e a u t o m a t i c i n s p e c t i o n o f t h e h e a t e x c h a n g e p i p e s o f s t e a m g e n e r a t o r s h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d . e x p e r i m e n t s h a v e b e e n c o n d u c t e d o n t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m o f s t e a m g e n e r a t o r w i t h t h e p r o t o t y p e , a n d t h e r e s u l t s in d i c a t e t h a t w h o l e r e s e a r c h w o r k h a s m e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h e p r o j e c t . f i n a l l y , a l l t h e r e s e a r c h w o r k w a s s u m m a r i z e d , a n d c o m p a r i s o n w a s m a d e b e t w e e n t h i s in - b u n d l e r o b o t a n d o t h e r s i m i la r r e s e a r c h p r o t o t y p e s a t h o m e a n d a b r o a d . f u tu r e r e s e a r c h a s p e c t s w e r e a l s o e x p e c t e d in t h e e n d . t h e a p p l ic a t i o n f o r i n t e l l e c t u a l p r o p e rt y p r o t e c t i o n o f 3 i m p o rt a n t t e c h n i q u e s o f t h i s r o b o t h a s a l r e a d y b e e n a c c e p t e d b y s t a t e i n t e l l e c t u a l p r o p e r ty o ff i c e . k e y w o r d s : r o b o t , s t e a m g e n e r a to r , p o s it i o n in g m e c h a n i s m , p a r a l le l m e c h a n is m , s h a p e me m o ry a l l o y , g r e y e v a l u a t i o n s y s t e m 细小工业管道群管束间 狭窄空间 检测机器 人系 统的研究 第1 章 绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 研究背景与意义 核电工业的发展状况 随着全球经济的发展， 世界各国对电能的需求与日俱增。 地球上石油、 天然 . 气和煤等有机燃料储量有限， 利用其发电 会给人类带来环境污染， 同时还浪费了 化工、 轻纺的宝贵原料。 水力是较为理想的自 然资源， 但大型水电站需十多年时 间 才能建成， 且水力资 源分布不均， 需建远距离输电 设施。 至于太阳能、 潮汐能、 风力及地热能发电等， 还谈不上工业规模。目 前， 利用核裂变能发电己经在工业 上 得 到了 大 规 模的 应 用 n -6 由于核燃料资源丰富， 能量密度大， 运输和贮存量小， 且核电厂具有技术先 进、 无环境污染、运行安全、发电成本低等优点， 所以核能发电越来越为人们所 重视。自1 9 5 4 年6 月世界第一座核电 机组在前苏联建成投产， 4 0 多年来世界核 能工业得到了飞速发展， 几乎走完了常规电厂1 0 0 多年的发展历程。1 9 9 9 年底， 全世界共有3 2 个国 家和地区 共4 3 6 座核反应堆在运行， 装机容量达3 5 1 7 1 . 8 万 k w， 核发电 量约占 世界总发电 量的1 7 %， 还有3 8 座反应堆共3 1 7 1 . 8 万k w装 机容量在建造中。目 前从世界的平均水平来看， 核能已 成为继火电、 水电 后的第 三大发电能源，并与火、水电成鼎足之势。法国政府 1 9 7 4 年决定停建火电厂， 其核发电 量占 本国 发电 量己 接近8 0 %， 可见核电的生命力很强6 . 8 我国人口 众多， 人均能耗在今后几十年内 将有较大幅度的增长。 我国的常规 能源分布不均，煤炭资源主要在华北，约占全国的6 0 %，水力资源主要在西南， 约占 全国的7 0 %， 而在工业和人口 较集中的东南沿海地区， 煤和水力资源却十分 医乏， 考虑到火电存在交通运输和燃煤造成的污染以及它与化工、 轻纺争资源的 弊端，2 0 1 0 年后，核电将成为上述地区的主要能源。 我国发展核电早己列入国家规划， “ 八五”期间已 建成秦山3 0 0 mw核电 厂 和广东大亚湾 2 x 9 0 0 m w 核电厂。 “ 九五”期间我国完成建造发电总功率为 6 6 0 0 mw 的4 座核电厂，共8 套机组，即秦山二期工程2 x 6 0 0 mw级压水堆核 电厂;秦山三期工程 2 x 7 0 0 mw 级重水堆核电厂;岭澳工程 2 x 1 0 0 0 mw 级压 水堆核电厂以 及江苏连云港2 x 1 0 0 0 m w级压水堆核电 厂9 . 1 5 1 . 1 .2 压水堆核电厂工作流程 将核燃料在可控自 持裂变链式反应中产生的能量转变为电能的发电厂称为 核电厂。核电厂主要以反应堆的种类 ( 按使用的慢化剂和冷却剂分类)相区别， 有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨沸水堆、 石墨气冷堆、高温气冷堆和快中子增 上 海 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文 殖堆核电厂等。目 前大多数商业运行的核电厂是技术成熟、 经济效益较好、 安全 可靠性较高的压水堆核电厂。 压水堆核电厂由 核岛、 常规岛和核电 厂配套设施等 组成。美国西屋公司设计的非能动压水堆核电厂被公认为先进型压水堆核电厂。 压水堆核电厂简化的工作流程原理图见图1 - 1 ，从图可知压水堆核电厂工作 流程主要由两大回路构成。 核电厂的一回路是由反应堆、 蒸汽发生器、 主循环泵 ( 主泵) 、 稳压器和主管道为主体组成。 核燃料在反应堆内发生链式核裂变反应， 产生大量的热量传给冷却剂 ( 水) ，由主泵把冷却剂从堆芯卿送到蒸汽发生器， 冷却剂在蒸汽发生器的管束内放出热量后又被主泵排到反应堆， 它在反应堆内重 新加热后再哪送到蒸汽发生器中去。 这样周而复始地形成的闭式循环回路， 称为 一回路。 一回路冷却剂的热量通过蒸汽发生器传热管的管壁传给管外介质( 水) ， 使其预热、 蒸发产生蒸汽，品质合格的蒸汽被送往汽轮机， 推动汽轮机旋转， 汽 轮机再驱动发电机， 从而使发电 机发电。 在汽轮机内作过功的蒸汽称为排汽。 压 力很低 ( 一般为。 .0 0 5 mp a 左右)的排汽进入凝汽器形成凝结水。 凝结水经凝结 水泵升压后进入低压加热器。 低压加热器是用很多不锈钢钢管制成的， 从汽轮机 某一级后端抽出来的具有一定压力和温度的抽汽在低压加热器的钢管外流动。 在 钢管内流动的低压给水被蒸汽加热， 温度升高后的低压给水经除氧器除氧后又被 给水泵吸走， 排入高压加热器， 高压加热器将给水加热到需要温度后再次进入蒸 汽发生器， 重新被加热汽化。 这样周而复始地形成了 第二回路。 一、 二回路的介 质不断运行， 能量以核能热能机械能一电能的规律转换， 这就是核电厂的一 般 i 作 原 理 16-17 1 6 . 4 7几 口 、,9 x i 9 娜 t 瓜 2 9 2 . 4 七 图1 - 1 压水堆核电厂工作流程原理简图 细小工业管道群管束间 狭窄空间 检测机器 人系统的 研究 1 . 1 . 3 1 . 1 . 3 . 1 蒸汽发生器的结构、作用及在役检查 蒸汽发生器的结构和作用 蒸汽发生器 ( s t e a m g e n e r a t o r ) 是一回路主设备之一。 在一回路中， 冷却剂 从堆芯中载热出来进入蒸汽发生器 u型管内，降温后又被主循环泵吸走。而且 在二回路中， u型管放出的热量使 u型管外的二回路给水转变成蒸汽， 供汽轮 机使用。因此，蒸汽发生器是核电厂的关键设备之一 压水堆和重水堆核电厂蒸汽发生器的结构形式基本相同。 常用的蒸汽发生器 有:立式 u型管束自 然循环蒸汽发生器、 直流蒸汽发生器等。随着核电厂容量 的不断增大， 蒸汽发生器的容量和尺寸也越来越大。 表 1 - 1 所示是几种典型的蒸 汽发生器的基本数据。 表 1 - 1压水堆各发展阶段有代表性的蒸汽发生器主要参数表 今效名称.位 y m 1m er o w s 余山 核电r 典钱 二号 兔. 而 大亚仲 该电厂 w1 沪. 5wt 护闷 w w e r .1 0 0 0 类祖 使用过程中焊缝情况、 表面腐 蚀、 裂缝破损等故障诊断; 恶劣环境下管道清扫、 喷涂、 焊接、内部抛光等维护; 对埋地旧管道的修复;管内外器材运送、抢救等其他用途。 1 .2 . ， 管内机器人 管内机器人的工作环境大多是在细小工业管道内部或人体管道内， 作业空间 相对狭小， 必须采用新颖的驱动方式、 移动机构和驱动器。 根据移动方式的不同 可将管内机器人分成腿足式、 轮式和蠕动式等类型。 腿足式机器人的移动不连续、 振动较大，但结构较简单，有的驱动源与移动载体合二为一，微型化潜力较大。 轮式管内机器人的运动具有连续性、 平稳性， 结构较复杂，同时其研制受到了电 机和传动机构的限制， 精密零件加工困难。 蠕动是一类有利于管内微机器人实现 的移动方式， 具体实现方法较多， 其运动具有周期性， 控制较容易， 但移动速度 较慢。设计时究竟采用何种移动方式需视具体应用目 标而定 图 1 - 3 所示为日 本学者福田敏 男、 细贝英夫研制的可以通过 “ l 形无圆弧过渡的管内移动机器人 4 4 .4 5 1 。 从转弯的难易程度考虑+ l ; 型垂直管要比圆弧过渡的弯管复 杂。该机器人行走机构分别由头部 和本体两部分组成，头部和本体部 分可以 相对回转，当机器人在直管 图1 - 3轮式小管径管内移动机器人 内行走时， 本体上的电动机m1 通过减速装置带动本体上的驱动轮转动， 使机器 人沿直管行走当通过9 0 度弯管时，电动机m2 驱动头部作姿态调整，同时驱 动头部履带， 引导机器人通过弯管。 由于该机器人的应用管径较小， 所以分别采 用三台电 机来完成三种运动是受空间限制的， 该机器人巧妙之处在于使用二台电 机完成了三种运动， 结构采用了“ 一电机多驱动功能”的设计. 这样可以便结构 简单紧凑， 解决功能的实现与管道空间限制之间的矛盾。 该机器人的缺点是不可 以逆行， 只有沿前进方向的转弯功能。 该机器人的技术指标为: 适应管径(b 5 0 m m; 行走速度8 . l m m / s ; 机器人重量2 4 0 8 ; 机器人长度7 6 m m ， 该机器人成功地通过 了9 0 度 “ l 型弯管。 细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器 人系 统的 研究 靠近蒸汽发生器的手孔来操作设备， 检查人员辐照剂量较高， 劳动强度较大， 借 助c e c i l进行远距离操作可使操作者所受的放射剂量比常规技术降低7 0 %. 1 . 3研究任务与目标 根据相关资料的查阅和在上海核工业设计研究院、 核工业无损检测中心的调 研得知: 、 管板和传热管束是蒸汽发生器的关键部件， 是核电厂一回路和二回 路的边界， 工作环境非常恶劣: 、 传热管束外壁缺陷可用管道内移动的涡流或 超声探测技术来解决， 没有必要在管道外壁上移动视频探测器; 、 蒸汽发生器 二次侧的积垢大部分都聚集在管板附近， 传热管下端与管板相交处也是最容易出 现耗蚀、 凹痕、点蚀、 应力腐蚀和晶间腐蚀等缺陷的部位， 此区域是例行检查时 需重点检查的部分; 、 我国目 前还没有自 主开发的应用于蒸汽发生器管束间视 频检查的机器人，急需研制对二次侧传热管与管板相交区域检查的机器人;、 目 前我国秦山核电厂和大亚湾核电厂的蒸汽发生器都是立式平管板u形管结构， 秦山 核电 厂蒸汽发生器传热管外管径2 2 毫米， 管间 距1 5 毫米， 管子呈正方形规 则排列安装在管板上， 管束中沿管板径向的管廊宽度为1 2 0 毫米( 图1 - 3 4 , 1 - 3 5 ) , 管廊两端的筒壁上有两个正对的直径2 0 0 毫米的手孔. 传热管 中间管廊 图1 - 3 4蒸汽发生器的管间实验模拟平台立体图图1 - 3 5管间实验棋拟平台平面图 目前针对蒸汽发生器传热管管束间或其他狭窄空间内检查的机器人主要有 日 本三菱电机公司的微型链式小车、 日 本奥林帕斯公司的导管型机器人和美国福 斯特 米勒公司的c e c i l管间 机器人。这些机器人分别存在以 下问 题: 、 三 菱电机公司的小车尺寸微小， 理论上可以在横向和纵向管束间隙自由中移动， 但 是由于微型小车的能量、 控制和传感信号都是通过微细电缆传输的， 微细电缆的 存在对微型小车的运动性能造成很大的影响， 甚至可能会缠绕在管子上， 使小车 失去移动性能， 而且微小的驱动器难以提供较大的驱动力矩来驱动机器人和所携 带的传感器、 连接器等载荷，另一方面， 管板上可能存在的积垢也容易使轮子微 小的小车翻车。 、 日 本奥林帕斯公司的导管型微机器人能实现几个自由 度的弯 曲， 末端集成了传感器和操作器， 但其只能在有限的几个部位通过手动控制实现 上 海 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文 弯曲， 而且需要另外携带高压气源， 对于蒸汽发生器中 如此密集分布的 传热管束 间隙例行自 动化检查任务并不合适， 它不能检查到每处间隙， 自 动控制实现也很 困难。、美国福斯特 米勒公司的c e c i l管间机器人的机械机构和控制系统 非常复杂， 能实现管间视频检查和清洗功能， 但价格非常昂贵， 机器人工作前的 定位安装辅助时间很长 ( 需找正安装导轨) ，由于可接高压水冲洗，其结构很牢 固， 驱动器功率大，能耗也大， 系统很笨重， 对蒸汽发生器传热管与管板相交区 域的检查工作要求而言，该机器人的性能价格比太低，也不够灵活。 本论文研究项目 “ 细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统的研 究” 得到了国家自然科学基金的资助， 研究任务可描述为: 面向蒸汽发生器传热 管管束和管板相交区域狭窄空间的机器人系统，适应在外管径2 2 毫米、管间距 1 5 毫米、管子呈正方形规则排列、中间管廊宽 1 2 0 毫米的环境下作业的管间机 器人移动、 控制、 检测技术及其集成的应用基础研究。 研究目 标是实现机器人样 机在蒸汽发生器的管间实验模拟平台上对管板上表面及传热管与管板相交区域 进行自 动化的视频检测作业。 要求该机器人样机克服国内外同类研究的不足， 能 检查到所有有关区域， 同时能确定自 身位置， 具备自 动控制和手动控制功能， 机 器人运动性能稳定， 不出 现倾覆现象， 导线不与管子缠绕， 结构简单， 使用灵活， 性价比高，与实用化的距离近。 为叙述简便起见，在后续章节中， “ 细小工业管道群管束间狭窄空间检测机 器人”简称为 “ 管间机器人” 。 1 .4本章小结 本章首先在介绍核电工业发展状况、 压水堆核电厂工作流程和蒸汽发生器的 结构、 作用以 及在役检查的基础上分析了 本课题研究的重要意义。 然后讨论了国 内外管道机器人， 尤其是面向 细小工业管道管内外作业的机器人的研究情况和典 型样机工作原理。 最后介绍了调研结果， 分析了现有的 用于蒸汽发生器传热管管 束间或其他狭窄空间内检查的机器人样机的不足， 提出了本课题研究的任务和目 标。 细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统的 研究 第2 章 管间机器人系统的组成 2 . 1总体思路 从蒸汽发生器的结构可以看出，机器人的检测装置必须进入到 u型传热管 管束间才能获得有实际意义的检查效果， 而管束区域检测所要求的检测装置横向 移动检测的最大行程比中间纵向管廊的宽度大了许多， 因此， 机器人必须具有在 各排管子间伸缩的能 力， 即能 够将检测摄像头送入到每排管束间 并撤回。 由 于摄 像头视场角大小有限， 机器人还必须具备专门的机构来调整摄像头的姿态， 从而 获得较大的检查范围。 机器人在把检测摄像头伸入到每排管束间之前， 必须先使 检测装置准确定位于相邻两排管子之间， 以免伸缩时与管子发生干涉。 而且在机 器人的任何执行元件执行任何动作之前， 机器人的 本体必须相对蒸汽发生器 即 相对传热管管束)定位在一个正确的位置，这是正常工作的基础。 基于以 上考虑， 机器人的 结构拟采用多关节机器人形式， 先让机器人通过蒸 汽 发 生 器 外 壳 上 的 手 孔 进 入 蒸 汽 发 生 器 ， 并 放 置 在 管 板 的 中 间 管 廊 中 定 位 安 装 ， 然后让各个驱动器依照一定时序动作， 实现纵向移动平台在管廊方向的纵向间歇 进给和检测摄像头横向在各排管间的来回移动， 再通过一个微小型的调整机构来 改变摄像头的姿态。 控制系统采用由p c机和单片机加外围电路组成的二级计算 机控制系统， 实现用户界面操作、 状态监视和驱动控制等功能。 检测系统由微型 c m o s 摄像头和工业监视器组成。 机器人应能实现自 动检测和定位检测功能。 2 . 2要解决的关键技术 2 .2 . ，狭窄空间内机器人的移动技术与驱动方式 机器人本体所处的工作空间是蒸汽发生器管板上的中间管廊，比较狭小， 所 要检测的管束间隙更加狭小， 这客观条件都限 制了 机器人的 驱动器和各个传动机 构的大小， 也限制了 机器人驱动力的大小， 如何实现检测装置在狭窄管束间隙中 的移动是机器人工作的关键， 必须设计合理的传动和移动方式并综合协调各驱动 机构的尺寸。 2 . 2 .2 机器人在细小管道群间的定位安装 虽然管间机器人是在结构环境下工作， 但由于蒸汽发生器的手孔和中间管廊 狭小， 而且工作环境是有辐射性的， 所以无法事先人工在蒸汽发生器内 专门 布置 任何辅助定位装置， 必须依靠机器人自 身携带的零部件实现自 身在中间管廊的定 位。因此研制新颖可靠的定位安装模块是机器人正常工作的前提。 上 海 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文 2 . 2 . 3机器人检测装置的管间横向移动 检测摄像头横向伸入到管间的最大距离超过了 4 5 0 m m，而中间管廊只有 1 2 0 m m 宽 ( 由于纵向进给和转动时不能跟管子相碰，实际上许可的伸缩模块初 始尺寸宽度只有6 5 m m左右) ，因此伸缩机构伸出时的最大长度与缩回时的初始 尺寸之比为7 ， 如何在这么小的空间内实现这么大的伸缩比是机器人的检测装置 能否在管束间横向移动的关键。 2 . 2 .4 狭窄管束间隙内摄像头的姿态调整 相邻两排传热管的间距只有1 5 m m ， 要实现摄像头姿态的改变， 则这个姿态 调整机构的宽度不能超过1 5 m m， 长度、高度也受到严格的限制，如果通过常规 的驱动器和执行机构来实现这个功能就非常困难， 必须采用特殊的驱动器和机构 来完善机器人的检查功能。 2 . 3方案的选择 2 . 3 . ，确定管间机器人自 身位置的方案 2 . 3 . 1 . 1 供选方案 管间机器人自 身位置确定的实现方案: 、 利用几个高精度的距离传感器( 超 声波传感器或光电 传感器) 来确定机器人本体的 位置， 用一套机构来调整机器人 的位置， 再利用其它装置锁定机器人的 位置; 、 根据蒸汽发生器的结构特点( 传 热管呈正方形规则排列， 管间距已知， 传热管的尺