核反应堆水下异物打捞机器人系统分析与实验研究

摘要

由于核电站中存在辐照剂量高、结构环境复杂、水体腐蚀性强等问题，核电站作业中操作人员会不可避免地受到核辐射照射，对操作人员的生命安全带来极大威胁。采用机器人进行作业可以降低操作人员受照剂量和劳动强度，并提高核电站的检修水平和事故处理效率，因此在核电站中使用机器人代替操作人员已成为业界共识。本研究在国家863计划“核反应堆专用机器人技术与应用”(2011AA040201)的子项目“核电站多功能水下爬行机器人研发”的支持下，借鉴国内外核电站救援与异物清理机器人的技术与经验，针对核电站特殊服役环境下作业机器人亟待解决的共性关键技术和专用技术进行深入研究，旨在通过对人机交互技术、辐射环境下图像处理与识别系统开发技术和放射性防污、去污技术的研究，开发复合式驱动机构、水下视频系统和多功能机械手，研制出核反应堆水下异物打捞机器人并进行工程示范应用。该机器人的设计目的是在核反应堆水池和堆芯环境中进行异物搜索与异物打捞，避免螺栓、螺母等小型异物进入核电站设备，以解决目前人工进行异物拾取效率低下且对操作人员带来辐射伤害等问题，保障核电站安全顺畅运行。
　　本文的主要研究内容如下：
　　1.针对D-H法则建立机器人坐标系的局限性，提出建立在D-H法则基础上的改进D-H方法，阐述构建方法并对其使用方法进行描述。
　　2.核反应堆水下异物打捞机器人机械本体由四自由度机械手和六轮轮式移动平
　　台组成。采用改进D-H方法对机械手进行建模，计算其正运动学方程和逆运动学方程，并求解机械手的雅可比矩阵及奇异位形。在对轮式移动平台运动学分析的基础上，结合机械手运动学模型，进行核反应堆水下异物打捞机器人整体的运动学分析。
　　3.对于核反应堆水下异物打捞机器人机械手这一完整约束系统，采用欧拉-拉格朗日方法进行动力学分析，并对核反应堆水下异物打捞机器人轮式移动平台这一非完整约束系统，采用牛顿-欧拉方法进行动力学分析。在此基础上，分析水动力对系统的影响，将水阻力、附加质量力及浮力与之前建立的动力学模型相融合，建立了核反应堆水下异物打捞机器人整体的动力学方程。
　　4.分别在直角坐标空间和关节空间中，研究核反应堆水下异物打捞机器人的抓取策略，并建立了两种空间中，核反应堆水下异物打捞机器人异物抓取计算公式，通过理论计算仿真与工程样机实验的方式对抓取策略进行验证。
　　5.研制出由核反应堆水下异物打捞机器人本体、远程控制系统硬件和远程控制系统软件三部分组成的第三代核反应堆水下异物打捞机器人工程样机，针对核反应堆水下异物打捞机器人设计指标和总体工作任务的要求，对机器人的各项设计指标和抓取策略进行了实验验证，并进行了异物抓取实验验证。结果表明，研制的核反应堆水下异物打捞机器人工程样机满足项目任务书中的各项设计指标，实现了核反应堆水池异物打捞的设计目标。

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 核电站救援与异物清理机器人发展现状

1.3 核电站救援与异物清理机器人关键技术

1.4 本文主要研究内容

第二章 核反应堆水下异物打捞机器人运动学分析

2.1 引言

2.2 改进D-H方法建立核反应堆水下异物打捞机器人机械手坐标系

2.3 核反应堆水下异物打捞机器人机械手运动学方程

2.4 核反应堆水下异物打捞机器人机械手的微分运动及雅可比矩阵

2.5 核反应堆水下异物打捞机器人机械手奇异位形

2.6 核反应堆水下异物打捞机器人机械手运动学仿真

2.7 核反应堆水下异物打捞机器人轮式移动平台运动学方程

2.8 核反应堆水下异物打捞机器人运动学方程

2.9 本章小结

第三章 核反应堆水下异物打捞机器人动力学分析

3.1 引言

3.2 机械系统的欧拉-拉格朗日动力学方程

3.3 机械系统欧拉-拉格朗日动力学方程的简化

3.4 核反应堆水下异物打捞机器人机械手欧拉-拉格朗日动力学方程

3.5 核反应堆水下异物打捞机器人轮式移动平台牛顿-欧拉动力学方程

3.6 核反应堆水下异物打捞机器人水动力学方程

3.7 核反应堆水下异物打捞机器人动力学方程

3.8 本章小结

第四章 核反应堆水下异物打捞机器人抓取策略

4.1 引言

4.2 直角坐标空间轨迹规划

4.3 核反应堆水下异物打捞机器人直角坐标空间轨迹规划

4.4 关节空间轨迹规划

4.5 核反应堆水下异物打捞机器人关节空间轨迹规划

4.6 本章小结

第五章 核反应堆水下异物打捞机器人实验研究

5.1 引言

5.2 核反应堆水下异物打捞机器人设计指标和工作任务

5.3 核反应堆水下异物打捞机器人总体设计

5.4 核反应堆水下异物打捞机器人本体设计

5.5 核反应堆水下异物打捞机器人远程控制系统硬件设计

5.6 核反应堆水下异物打捞机器人远程控制系统软件设计

5.7 核反应堆水下异物打捞机器人实验验证

5.8 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢