專(zhuān)利名稱(chēng)：一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利涉及一種核電站用微小型作業(yè)機(jī)器人，主要用于核電站反應(yīng)堆水池、乏燃料水池和反應(yīng)堆堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件在大修期間的檢查、維修和異物搜索、打撈工作。
背景技術(shù)：
ROV (Remote Operated Vehicle)即水下機(jī)器人,是一種能夠在淺水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，作業(yè)的工具機(jī)器人，主要用于對(duì)江河湖海水資源的開(kāi)發(fā)和利用，以及近海資源的探測(cè)、利用。目前，世界上的ROV種類(lèi)已達(dá)幾十種甚至上百種，形式多樣，分為大、中、小型，其中大型主要用于近海油氣田的開(kāi)發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、打撈和軍事等方面；中小型主要用于江河湖泊捕魚(yú)業(yè)以及水質(zhì)觀測(cè)等民用領(lǐng)域。公知的ROV系統(tǒng)的組成從結(jié)構(gòu)上可以劃分為水面指控系統(tǒng)和水下潛體部分，水面指控系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、操控系統(tǒng)、跟蹤定位系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、與水下的通信接口、動(dòng)力源、臍帶電纜及收放系統(tǒng)。水下潛航體主要包括水密耐壓殼 體和動(dòng)力推進(jìn)、探測(cè)識(shí)別與傳感、通訊與導(dǎo)航、電子控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等分系統(tǒng)。雖然目前世界上ROV的形式多種多樣，但很少有用于相對(duì)特殊的極端環(huán)境下(如核反應(yīng)堆芯水池)。極端環(huán)境下的ROV的設(shè)計(jì)不僅要求掌握一般的ROV技術(shù)，還要考慮極端環(huán)境對(duì)ROV的特殊要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新型R0V，可用于反應(yīng)堆堆芯，反應(yīng)堆水池，乏燃料水池等水下環(huán)境的異物搜索和打撈，以及反應(yīng)堆堆芯部件、水池的缺陷檢查，將降低核電站檢修、維護(hù)成本，提高核電站的自主化程度。本發(fā)明除了要解決一般性的水下機(jī)器人的常見(jiàn)問(wèn)題，還要考慮核使用環(huán)境下需要解決的技術(shù)問(wèn)題核環(huán)境下控制系統(tǒng)的耐輻照問(wèn)題，高輻照環(huán)境下的攝像問(wèn)題，高輻照和硼酸環(huán)境下的動(dòng)靜密封問(wèn)題。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的所采用的技術(shù)方案是一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，包括岸上控制系統(tǒng)和機(jī)器人本體(4)兩部分。其特征在于所述機(jī)器人本體(4)由岸上的供電設(shè)備通過(guò)臍帶電纜(38)供電和控制，臍帶電纜(38)通過(guò)水密接頭和控制艙(12)相連接。所有零部件均掛接在支撐框架(9)上，其中浮力塊(8)提供本體主要的浮力作用，安裝在框架(9 )上部，水平推進(jìn)器(15)(17)水平掛接在框架(9 )的兩側(cè)且其推進(jìn)軸線所組成的平面通過(guò)本體(4)重心；垂直推進(jìn)器(10) (16)豎直掛接在框架(9)的兩側(cè)的中部且其推進(jìn)軸線所組成的平面通過(guò)本體(4)重心；聲納(7)安裝在浮力塊的頂部，360度掃描周邊環(huán)境，進(jìn)行導(dǎo)航任務(wù)，控制艙(12)安裝在框架(9)的中后部，控制艙(12)由內(nèi)艙和外艙組成，內(nèi)艙主要安裝了水下控制系統(tǒng)(6)，外艙主要安裝有后視攝像頭(14)和后視照明燈(13)，框架(9)的底部中央安裝有水下機(jī)械手(11);機(jī)器人本體(4)的前部裝有前視攝像機(jī)系統(tǒng)和深度計(jì)(21)。所述前視攝像機(jī)系統(tǒng)由水下云臺(tái)(18)，耐輻射攝像管(19)和水下燈(20)組成，并能進(jìn)行俯仰和左右擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行多方位觀測(cè)并為機(jī)械手(11)作業(yè)進(jìn)行導(dǎo)航。
所述的岸上控制系統(tǒng)，如圖4和圖5所示所示，包括主控計(jì)算機(jī)(2)和前視攝像機(jī)控制系統(tǒng)(39)。所述主控計(jì)算機(jī)，如圖4所示，包括電源開(kāi)關(guān)按鈕(22)，機(jī)器人供電電壓顯示屏(23)，機(jī)器人上升下潛控制桿(24)，機(jī)械手控制桿(25)，輸入鍵盤(pán)(26)，主顯示屏(27)，USB數(shù)據(jù)接口(28)，后照明燈控制旋鈕(29)，行進(jìn)速度控制旋鈕(30)，水平運(yùn)動(dòng)控制桿(31)。所述前視攝像機(jī)控制系統(tǒng)，如圖5所示包括系統(tǒng)電源(32)，聚焦旋鈕(33)，縮放旋鈕(34)，左水下燈開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)旋鈕(35)，右水下燈開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)旋鈕(36)以及云臺(tái)位置控制按鈕(37)。所述的控制艙(12)分為內(nèi)艙和外艙兩部分，內(nèi)艙安裝水下控制系統(tǒng)(6)，外艙安裝后視攝像頭(14)和后視照明燈(13)，內(nèi)艙的控制系統(tǒng)的核輻射屏蔽措施主要有兩個(gè)方面一是內(nèi)艙外壁材料采用較厚的不銹鋼材料，二是在內(nèi)艙內(nèi)壁上安裝一層鉛屏蔽層，且為了保證內(nèi)艙的可靠性，采用了軸向和端面兩道密封措施，并使用綜合性能比較好的在輻照環(huán)境下不容易發(fā)生硬化的三元乙丙橡膠O型密封圈；外艙由玻璃外罩密封。所述的前視攝像系統(tǒng)的攝像管(19)為可變焦黑白耐輻照攝像機(jī)，分辨率為550線，水下云臺(tái)轉(zhuǎn)速為6° /S，俯仰范圍為±15°，左右擺動(dòng)范圍為±30°，配置兩個(gè)水下燈
(20)功率各為100w。所述后視攝像頭(14)為定焦攝像機(jī)，且固定在外艙蓋上，，分辨率為570線，配備5個(gè)LED低功率燈珠(13)，功率為2w /個(gè)。 所述的控制艙(12)分為內(nèi)艙和外艙，內(nèi)艙安裝檢測(cè)機(jī)器人姿態(tài)的三軸陀螺儀
(2)、加速度計(jì)，水下控制電路板，外艙安裝一個(gè)后視攝像頭(14)和5個(gè)輔助照明LED燈。所述的機(jī)械手(11)安裝在機(jī)器人本體(4)的底部并與底部支撐板成20°，為單自由度小型夾持式機(jī)械手，夾持能力為5kg，其前端手部為模塊化設(shè)計(jì)，可更換其他功能的夾爪和吸塵器等。所述的水平推進(jìn)器(15) (17)和垂直推進(jìn)器(10) (16)所采用的密封方式為靜密封+磁耦合傳動(dòng)方式，將原動(dòng)電機(jī)封裝在推進(jìn)器筒內(nèi)，并通過(guò)磁耦合的方式驅(qū)動(dòng)外部螺旋槳葉片。所述的水上主控計(jì)算機(jī)(I)為工程塑料儀器箱，其底部還安裝有直流電源。所述的臍帶電纜(38)為8芯零浮力電纜，能在水中保持漂浮狀態(tài)，其中兩根導(dǎo)線是負(fù)責(zé)電源供電，一對(duì)雙絞線負(fù)責(zé)岸上和水下的通訊，一對(duì)同軸電纜負(fù)責(zé)傳輸后視攝像頭
(14)的視頻圖像，另一對(duì)雙絞線傳輸聲納信號(hào)。本發(fā)明的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在I.本發(fā)明的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在能夠在高核輻照環(huán)境下進(jìn)行潛水巡航觀察、狹窄區(qū)域安全監(jiān)測(cè)、偵查、搜索以及異物打撈等功能，體積小，操作靈活，可實(shí)時(shí)觀測(cè)反應(yīng)堆水池，乏燃料水池等的狀態(tài)。2.本發(fā)明所述水下機(jī)器人配備了不同功能的傳感器，為操作人員提供了豐富的信息數(shù)據(jù)。3.本發(fā)明所述水下機(jī)器人配備了前后視攝像頭，能夠很好地觀測(cè)周?chē)蚯闆r，并通過(guò)前視攝像機(jī)和機(jī)械手的配合完成簡(jiǎn)單的異物打撈的工作。
4.本發(fā)明所述水下機(jī)器人具有較大的負(fù)載能力，能夠在機(jī)器人上加裝其他作業(yè)工具來(lái)擴(kuò)展器功能。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2和圖3是本發(fā)明的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明的主控計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明前視攝像機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明是一種核電站用微小型水下作業(yè)帶纜機(jī)器人，由水下機(jī)器人本體和岸上控制系統(tǒng)組成，兩者通過(guò)芯臍帶纜連接。如圖2和圖3所示，水下機(jī)器人本體由推進(jìn)器，前視攝像機(jī)，后視攝像機(jī)，三軸陀螺儀，加速度計(jì)，三軸磁強(qiáng)計(jì)，溫度計(jì)，深度計(jì)，照明燈，電纜，控制艙，控制電路板，機(jī)械手，支撐框架，浮力塊和聲納組成。在控制艙的兩側(cè)水平安裝有推進(jìn)器，且機(jī)器人本體重心在推進(jìn)器安裝軸線組成的平面上，可控制機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。兩推進(jìn)器都給正向電壓，機(jī)器人前進(jìn)；都給反向電壓，機(jī)器人后退，一個(gè)給正向電壓，一個(gè)給反向電壓，機(jī)器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)的速度通過(guò)調(diào)節(jié)給推進(jìn)器的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人本體中部?jī)蓚?cè)安裝有推進(jìn)器，且其安裝軸線所組成的平面通過(guò)機(jī)器人的重心，可控制機(jī)器人的垂直升降運(yùn)動(dòng)以及對(duì)機(jī)器人的橫滾姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。兩推進(jìn)器都給正向電壓，機(jī)器人上升，都給反向電壓，機(jī)器人下沉，一個(gè)給正向電壓，一個(gè)給反向電壓，可以產(chǎn)生橫滾運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)機(jī)器人的橫滾姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)以矯正姿態(tài)傳感器采集來(lái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)?？刂婆摲譃閮?nèi)艙和外艙，內(nèi)艙安裝水下控制系統(tǒng)，外艙安裝后視攝像頭用于和輔助LED燈并用透明玻璃罩密封，主要用于后視避障，LED燈為后視攝像頭提供照明；前視攝像系統(tǒng)和控制艙都安裝在兩側(cè)支撐框架上，機(jī)械手與支撐框架底部成20°夾角安裝，可以?shī)A到與框架底部平齊的物體，不會(huì)出現(xiàn)夾取死區(qū)，并且可以將機(jī)械手的手部換成其他功能的夾爪或吸塵器，實(shí)現(xiàn)特殊功能；前視攝像系統(tǒng)由耐輻照攝像管、照明燈和水下云臺(tái)組成，云臺(tái)有兩個(gè)自由度，可以進(jìn)行俯仰和左右擺動(dòng)，其擺動(dòng)幅度均為±15°，能對(duì)攝像管的觀測(cè)方向進(jìn)行調(diào)整，觀察前方不同區(qū)域的狀況。在框架的前部右側(cè)裝有深度計(jì)和溫度計(jì)，艙內(nèi)艙裝有嵌入式航姿系統(tǒng)，機(jī)器人頂部裝有聲納，可以通過(guò)聲納，深度計(jì)和嵌入式航姿系統(tǒng)得到水下機(jī)器人的位置和姿態(tài)信息，通過(guò)溫度計(jì)可以得到水下的溫度信息。臍帶電纜采用具有屏蔽層的零浮力的芯導(dǎo)線，其中一對(duì)導(dǎo)線負(fù)責(zé)水下機(jī)器人的供電，一對(duì)雙絞線負(fù)責(zé)岸上控制系統(tǒng)和水下機(jī)器人本體的通訊，一對(duì)同軸電纜將后視攝像頭拍攝的圖像傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)的主屏幕上。
權(quán)利要求
1.一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，包括岸上控制系統(tǒng)和機(jī)器人本體(4)兩部分。其特征在于所述機(jī)器人本體(4)由岸上的供電設(shè)備通過(guò)臍帶電纜(38)供電和控制，臍帶電纜(38 )通過(guò)水密接頭和控制艙(12 )相連接。所有零部件均掛接在支撐框架(9 )上，其中浮力塊(8)提供本體主要的浮力作用，安裝在框架(9)上部，水平推進(jìn)器(15) (17)水平掛接在框架(9)的兩側(cè)且其推進(jìn)軸線所組成的平面通過(guò)本體(4)重心；垂直推進(jìn)器(10) (16)豎直掛接在框架(9 )的兩側(cè)的中部且其推進(jìn)軸線所組成的平面通過(guò)本體(4 )重心；聲納(7 )安裝在浮力塊的頂部，360度掃描周邊環(huán)境，進(jìn)行導(dǎo)航任務(wù)，控制艙(12)安裝在框架(9)的中后部，控制艙(12)由內(nèi)艙和外艙組成，內(nèi)艙主要安裝了水下控制系統(tǒng)(6)，外艙主要安裝有后視攝像頭(14)和后視照明燈(13)，框架(9)的底部中央安裝有水下機(jī)械手(11);機(jī)器人本體(4 )的前部裝有前視攝像機(jī)系統(tǒng)和深度計(jì)(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述前視攝像機(jī)系統(tǒng)由水下云臺(tái)(18)，耐輻射攝像管(19)和水下燈(20)組成，并能進(jìn)行俯仰和左右擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行多方位觀測(cè)并為機(jī)械手(11)作業(yè)進(jìn)行導(dǎo)航。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述的岸上控制系統(tǒng)，如圖4和圖5所示所示，包括主控計(jì)算機(jī)(2)和前視攝像機(jī)控制系統(tǒng)(39)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述主控計(jì)算機(jī)，如圖4所示，包括電源開(kāi)關(guān)按鈕(22)，機(jī)器人供電電壓顯示屏(23)，機(jī)器人上升下潛控制桿(24)，機(jī)械手控制桿(25)，輸入鍵盤(pán)(26)，主顯示屏(27)，USB數(shù)據(jù)接口(28)，后照明燈控制旋鈕(29 )，行進(jìn)速度控制旋鈕(30 )，水平運(yùn)動(dòng)控制桿(31)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述前視攝像機(jī)控制系統(tǒng)，如圖5所示包括系統(tǒng)電源(32)，聚焦旋鈕(33)，縮放旋鈕(34)，左水下燈開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)旋鈕(35)，右水下燈開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)旋鈕(36)以及云臺(tái)位置控制按鈕(37)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述的控制艙(12)分為內(nèi)艙和外艙兩部分，內(nèi)艙安裝水下控制系統(tǒng)(6)，外艙安裝后視攝像頭(14)和后視照明燈(13)，內(nèi)艙的控制系統(tǒng)的核輻射屏蔽措施主要有兩個(gè)方面一是內(nèi)艙外壁材料采用較厚的不銹鋼材料，二是在內(nèi)艙內(nèi)壁上安裝一層鉛屏蔽層，且為了保證內(nèi)艙的可靠性，采用了軸向和端面兩道密封措施，并使用綜合性能比較好的在輻照環(huán)境下不容易發(fā)生硬化的三兀乙丙橡膠O型密封圈；外艙由玻璃外罩密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述的前視攝像系統(tǒng)的攝像管(19)為可變焦黑白耐輻照攝像機(jī)，分辨率為550線，水下云臺(tái)轉(zhuǎn)速為6° /S，俯仰范圍為±15°，左右擺動(dòng)范圍為±30°，配置兩個(gè)水下燈(20)功率各為100w。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述后視攝像頭(14)為定焦攝像機(jī)，且固定在外艙蓋上，，分辨率為570線，配備5個(gè)LED低功率燈珠(13)，功率為2w /個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述的控制艙(12)分為內(nèi)艙和外艙，內(nèi)艙安裝檢測(cè)機(jī)器人姿態(tài)的嵌入式航姿系統(tǒng)(2)，水下控制電路板，外艙安裝一個(gè)后視攝像頭(14)和5個(gè)輔助照明LED燈(13)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，其特征在于所述的機(jī)械手(11)安裝在機(jī)器人本體(4)的底部并與底部支撐板成20°，為單自由度小型夾持式機(jī)械手，夾持能力為5kg，其前端手部為 模塊化設(shè)計(jì)，可更換其他功能的夾爪和吸塵器等。
全文摘要
一種核電站微小型作業(yè)水下機(jī)器人，它包括水下機(jī)器人本體和岸上控制系統(tǒng)兩部分，其中本體的水平和垂直方向上分別安裝有兩枚推進(jìn)器，前部右側(cè)安裝深度計(jì)，前方底部安裝機(jī)械手，頂部安裝聲納，控制艙安裝在本體中后部，外艙通過(guò)透明玻璃罩密封，安裝有后視攝像頭和輔助照明LED燈，本體前部安裝有前視攝像系統(tǒng)，由可變焦耐輻照攝像管，云臺(tái)和照明燈組成，視頻圖像和控制信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜傳至岸上控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制桿、機(jī)械手控制鍵、鍵盤(pán)、主顯示屏、速度調(diào)節(jié)旋鈕組成。本發(fā)明用在核電站堆芯池，乏燃料池和構(gòu)件池的監(jiān)測(cè)和簡(jiǎn)單的異物打撈工作。
文檔編號(hào)B63C11/52GK102951275SQ20121044598
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者丑武勝, 方斌, 馬鑫, 郭曉旗 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)