工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核環(huán)境遙操縱機器人及自動化技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說是涉及一種工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，其中央是一個外面纏繞著線圈的環(huán)形真空室；在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。全托卡馬克裝置的內(nèi)部艙體一般被稱為核聚變反應(yīng)艙，作為當代核能源產(chǎn)生和制備的核心載體，其內(nèi)部環(huán)境屬于一種典型極端環(huán)境，一方面具有強輻射、高溫、強磁場以及高真空等物理特點，另一方面，反應(yīng)艙內(nèi)部設(shè)備眾多，管道錯綜復(fù)雜，通道狹隘，工作空間小，再加上艙內(nèi)的某些部件會受到放射性和有毒物質(zhì)的污染，即使在設(shè)備的維護保養(yǎng)期間維護人員也不能或不宜直接對反應(yīng)艙內(nèi)部相關(guān)部件進行操作，因此需要借助于艙外遙操縱手段，通過一種智能型機電設(shè)備替代人類進入艙內(nèi)完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。為了應(yīng)對反應(yīng)艙內(nèi)部的惡劣環(huán)境，保證核聚變反應(yīng)堆的正常工作秩序，需要研制一種面向核聚變反應(yīng)艙環(huán)境的視覺觀測機構(gòu)，用來執(zhí)行反應(yīng)艙內(nèi)部件的日常觀測、偵察和巡檢等對各種狀態(tài)信息的采集、處理、表示和識別等任務(wù)，監(jiān)視核聚變反應(yīng)堆的具體工作情況，以便為異常情況出現(xiàn)時采取相應(yīng)的決策提供依據(jù)。
[0003]目前國內(nèi)外對于工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的公開報道為數(shù)不多。荷蘭愛思唯爾(Elsevier)科學(xué)出版公司出版的《聚變工程與設(shè)計》(Fus1n Engineering andDesign，83 (2008)，pp: 1833 - 1836.)中公開了一種 Articulated Inspect1n Arm (ΑΙΑ)機器人，屬是一種為實現(xiàn)核聚變艙中視覺觀測的懸空式機器人行走機構(gòu)，在其行走機構(gòu)中采用五個關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計，每個關(guān)節(jié)處分別有一個俯仰自由度和一個偏轉(zhuǎn)自由度，偏轉(zhuǎn)運動由安裝在模塊內(nèi)的驅(qū)動電機提供，俯仰運動由平行四邊形桿內(nèi)的螺旋千斤頂處的電機提供，各電機輸出軸的運動通過鋼索傳遞至大角度回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)索輪處，帶動機器人各模段之間產(chǎn)生相對回轉(zhuǎn)運動，該機器人可在核聚變艙物理實驗的間歇期內(nèi)進入艙內(nèi)移動，對真空室第一壁進行近距離視覺觀測，監(jiān)測全托卡馬克裝置在運行期間真空室內(nèi)的工作情況；但由于該機器人采用懸臂式結(jié)構(gòu)，一方面其動力驅(qū)動裝置分別集成在各機械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部，增加了機器人關(guān)節(jié)臂的重量，加大了機器人末端支撐裝置的承載負擔，使得機器人總體尺寸不宜過長，從而限制了機器人在核聚變艙內(nèi)的進行視覺探測的活動范圍；另一方面由于該機器人各關(guān)節(jié)行走機構(gòu)的回轉(zhuǎn)運動需要各自驅(qū)動裝置同步協(xié)調(diào)控制，步態(tài)軌跡較難精準規(guī)劃，且受機械臂自重的干擾，機器人前端探測裝置在運行過程中容易出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的定位精度和運動穩(wěn)定性。
[0004]中國專利申請CN102233575A公開的一種用于核輻射環(huán)境下的小型應(yīng)急救援及探測機器人，其行走機構(gòu)采用履帶式底盤，驅(qū)動電機放置在底盤中部，通過鏈條驅(qū)動履帶運行，底盤前端設(shè)有四自由度機械手，伽馬相機及成像系統(tǒng)位于機器人后部，可以對核環(huán)境下的輻射強度和方位進行探測，并通過機器人機械臂進行應(yīng)急處理；該機器人的行走機構(gòu)雖然具備一定的通過能力，可用于核聚變艙外圍的一些非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，但仍然無法在幾何構(gòu)造條件苛刻的核聚變艙內(nèi)部空間運行，限制了其使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)及控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中懸臂式方案所造成的對核聚變艙內(nèi)部空間探測范圍及定位精度有限并且運行不穩(wěn)定等缺陷，使其運動軌跡可遍及整個核聚變艙底部的大雙環(huán)形槽道，運動步態(tài)類似蠕蟲行走，運行穩(wěn)定性好且控制簡單，搭載視覺觀測云臺實現(xiàn)對核聚變艙內(nèi)部空間三個自由度的全方位視覺信息采集，以期降低機器人行走機構(gòu)本體對承載能力的要求，改善核環(huán)境遙操縱機器人平臺對核聚變艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)化特定環(huán)境的運動適應(yīng)性。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點是:由前體節(jié)側(cè)向定位模塊與后體節(jié)側(cè)向定位模塊在中體節(jié)軸向運動模塊的兩端對稱設(shè)置構(gòu)成行走機構(gòu)；
[0008]所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:電驅(qū)動子模塊固裝于承載子模塊的內(nèi)部，并有具有相同的結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)側(cè)對開支撐子模塊和外側(cè)對開支撐子模塊對稱設(shè)置于所述電驅(qū)動子模塊的左右兩側(cè)；所述內(nèi)側(cè)對開支撐子模塊和外側(cè)對開支撐子模塊的一端分別固聯(lián)于電驅(qū)動子模塊的左右兩側(cè)設(shè)定位置處，另一端分別沿所述電驅(qū)動子模塊的左右側(cè)向可伸縮運動并以所述承載子模塊為導(dǎo)軌；在所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊的頂部，位于中央設(shè)置前體節(jié)熱控裝置，位于側(cè)部設(shè)置前體節(jié)配重系統(tǒng)，所述前體節(jié)配重系統(tǒng)處在前體節(jié)側(cè)向定位模塊中外側(cè)對開支撐子模塊的上方；在所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊上、位于其前部設(shè)置有視覺觀測云臺；
[0009]所述后體節(jié)側(cè)向定位模塊與所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊具有相同的結(jié)構(gòu)形式；在所述后體節(jié)側(cè)向定位模塊的頂部，位于中央設(shè)置后體節(jié)熱控裝置，位于側(cè)部設(shè)置后體節(jié)配重系統(tǒng)，所述后體節(jié)配重系統(tǒng)處在所述后體節(jié)側(cè)向定位模塊中外側(cè)對開支撐子模塊的上方；
[0010]所述中體節(jié)軸向運動模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:前節(jié)段子模塊固裝于殼體子模塊的內(nèi)部；所述前節(jié)段子模塊和后節(jié)段子模塊在殼體子模塊的內(nèi)部相聯(lián)并且相互間沿前后方向可相對運動，形成可伸縮的中體節(jié)軸向運動模塊，所述后節(jié)段子模塊突出于所述中體節(jié)軸向運動模塊的尾部端面；在所述中體節(jié)軸向運動模塊的頂部，位于中央設(shè)置中體節(jié)熱控裝置；
[0011]在所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊與中體節(jié)軸向運動模塊之間以前雙萬向節(jié)相聯(lián)接，在所述后體節(jié)側(cè)向定位模塊與中體節(jié)軸向運動模塊之間以后雙萬向節(jié)相聯(lián)接。
[0012]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述視覺觀測云臺設(shè)置為并聯(lián)式視覺觀測云臺，其結(jié)構(gòu)設(shè)置為:
[0013]在所述第一矩形頂板的頂面前沿位置處固定設(shè)置“L”形總支座，視覺采集探頭安裝在探頭支座中，所述探頭支座通過三自由度冗余球面并聯(lián)機構(gòu)聯(lián)接于所述“L”形總支座；所述三自由度冗余球面并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:在所述“L”形總支座的前端固裝設(shè)置定平臺，在所述定平臺的前端面上沿周向均布安裝三個電機支座，在各電機支座上分別固裝有真空伺服減速電機；三個真空伺服減速電機的輸出軸分別與對應(yīng)位置上的第一弧形連桿的第一近端凸臺固聯(lián)，三個第一弧形連桿的第一遠端凸臺分別與對應(yīng)位置上的第二弧形連桿的第二近端凸臺通過第一微型軸承支承的軸系轉(zhuǎn)動連接，三個第二弧形連桿的第二遠端凸臺分別與對應(yīng)位置上的小支座通過第二微型軸承支承的軸系轉(zhuǎn)動連接；三個小支座沿周向均布固裝于動平臺，所述探頭支座固裝于所述動平臺上；所述動平臺與定平臺同軸正對；在所述動平臺與定平臺之間設(shè)置中心冗余支鏈，所述中心冗余支鏈由第一直連桿、第二直連桿以及第三直連桿構(gòu)成，所述第一直連桿的一端固聯(lián)于定平臺的中心，另一端與第二直連桿構(gòu)成滑動副連接，所述第三直連桿的一端固聯(lián)于動平臺的中心，另一端通過中心球面鉸鏈與第二直連桿相聯(lián)；所述三個第一弧形連桿的中心、三個第二弧形連桿的中心均與所述中心球面鉸鏈的球心重合；
[0014]以第一矩形底板為底面，以所述第一矩形頂板為頂面，在所述第一矩形底板和第一矩形頂板之間以前側(cè)板為前端面、以后側(cè)板為后端面，以內(nèi)斜板為左端面，以外斜板為右端面形成前體節(jié)矩形框架。
[0015]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于:
[0016]所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊中承載子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:
[0017]在所述前體節(jié)矩形框架的外部，位于所述內(nèi)斜板上設(shè)置有內(nèi)滾球支承裝置，位于所述外斜板上設(shè)置有外滾球支承裝置，以所述內(nèi)滾球支承裝置和外滾球支承裝置作為所述前體節(jié)矩形框架在左端面和右端面上的支撐件；在所述前體節(jié)矩形框架的外部，位于所述第一矩形底板上設(shè)置有萬向腳輪，以所述萬向腳輪作為所述前體節(jié)矩形框架在底面的支撐件；所述內(nèi)滾球支承裝置是以核聚變艙中大雙環(huán)形槽道的內(nèi)環(huán)壁為支撐面；所述外滾球支承裝置是以所述核聚變艙中大雙環(huán)形槽道的外環(huán)壁為支撐面；
[0018]所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊中電驅(qū)動子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:
[0019]在所述前體節(jié)矩形框架的內(nèi)部，位于所述第一矩形底板上并處在同軸線的位置上依次設(shè)置對開支撐子模塊固定支座、第一電機支座、第一軸承支座和第二軸承支座；在所述第一電機支座上固定安裝第一真空伺服減速電機，所述第一真空伺服減速電機的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與第一中心滾珠絲桿相聯(lián)接；所述第一中心滾珠絲桿為階梯軸，所述階梯軸的兩端分別通過第一雙列角接觸球軸承和第一深溝球軸承支承于所述第一軸承支座和第二軸承支座之間，第一螺套以滾動螺旋配合套裝在所述第一中心滾珠絲桿的螺紋軸段上；第一移動平板固裝于所述第一螺套上；設(shè)置第一移動平板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，是在所述第一中心滾珠絲桿的兩側(cè)平行設(shè)置第一導(dǎo)向桿，所述第一導(dǎo)向桿的一端固裝于第一軸承支座上，另一端通過第一套筒固裝于第二軸承支座上，所述第一移動平板利用第一直線軸承支承在所述第一導(dǎo)向桿上，使所述第一移動平板在所述第一螺套的帶動下可以在第一導(dǎo)向桿上軸向移動；在所述第一矩形底板上、位于所述第一中心滾珠絲桿的正下方設(shè)置有第一光電開關(guān)，所述第一光電開關(guān)位于第一軸承支座和第二軸承支座之間設(shè)定位置處；
[0020]所述前體節(jié)側(cè)向定位模塊中外側(cè)對開支撐子模塊和內(nèi)側(cè)對開支撐子模塊具有如下相同的結(jié)構(gòu)形式:在所述對開支撐子模塊固定支座和第一移動平板的旁側(cè)設(shè)置大平板，在所述大平板的內(nèi)側(cè)與對開支撐子模塊固定支座的相對位置處固定安裝聯(lián)接板，在所述大平板的內(nèi)側(cè)與第一移動平板的相對位置處固定安裝滑軌，所述滑軌與第一中心滾珠絲桿的軸線平行，在所述滑軌上滑動配合有滑塊；平行設(shè)置的第一上連桿和第一下連桿在一端通過第一上鉸支座、第一下鉸支座以及第一銷軸與對開支撐子模塊固定支座相鉸接；在另一端通過雙鉸支座和第四銷軸與所述滑塊相鉸接；平行設(shè)置的第二上連桿和第二下連桿在一端通過第三上鉸支座、第三下鉸支座以及第三銷軸與安裝聯(lián)接板相鉸接，在另一端通過第二上鉸支座、第二下鉸支座以及第二銷軸與第一移動平板相鉸接；在所述內(nèi)側(cè)對開支撐子模塊中，在其大平板的外側(cè)固定設(shè)置內(nèi)楔形支架，在所述內(nèi)楔形支架的外端面上設(shè)置有內(nèi)萬向撐爪；在所述外側(cè)對開支撐子模塊中，在其大平板的外側(cè)固定設(shè)置外楔形支架，在所述外楔形支架的外端面上設(shè)置外萬向撐爪；以所述內(nèi)萬向撐爪和外萬向撐爪在核聚變艙中的大雙環(huán)形槽道的內(nèi)環(huán)壁和外環(huán)壁上形成支撐為鎖止狀態(tài)，以所述內(nèi)萬向撐爪和外萬向撐爪脫離在核聚變艙中的大雙環(huán)形槽道的內(nèi)環(huán)壁和外環(huán)壁上的支撐為解鎖狀態(tài)；
[0021]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述外滾球支承裝置和內(nèi)滾球支承裝置具有如下相同的結(jié)構(gòu)形式:導(dǎo)向筒通過安裝板固定在內(nèi)斜板上，彈簧壓塊嵌裝于導(dǎo)向筒內(nèi)且與導(dǎo)向筒為滑動配合，在安裝板與彈簧壓塊之間套裝有波形彈簧，球鉸座與彈簧壓塊螺紋聯(lián)接，并有滾球與所述球鉸座球鉸配合。
[0022]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于:所述外萬向撐爪和內(nèi)萬向撐爪具有如下相同的結(jié)構(gòu)形式:撐爪頭部通過一萬向結(jié)與鉸支座相聯(lián)，所述萬向結(jié)由長銷軸、兩只結(jié)構(gòu)相同的半銷軸以及十字塊組成，所述十字塊通過長銷軸鉸接于鉸支座上，并通過兩只半銷軸沿十字塊的中心截面對稱鉸接于撐爪頭部，兩只半銷軸與長銷軸的中心線垂直交匯于十字塊的中心；所述鉸支座與所述內(nèi)側(cè)對開支撐子模塊中的內(nèi)楔形支架固聯(lián)；在所述撐爪頭部的圓弧外端面上粘貼氟橡膠層并且呈陣列式分布有壓力傳感器件。
[0023]本發(fā)明工作在核聚變艙中的視覺觀測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于:
[0024]所述中體節(jié)軸向運動模塊中的殼體子模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:
[0025]以第二矩形底板為底面，以第二矩形頂板為頂面，并在所述第二矩形底板和第二矩形頂板之間以矩形左側(cè)板和矩形右側(cè)板分別為兩側(cè)面，以矩形前側(cè)板和工字型后側(cè)板分別為兩端面形成一中體節(jié)矩形框架；
[0026]所述前節(jié)段子模塊和后節(jié)段子模塊具有如下相同的結(jié)構(gòu)形式:
[0027]在所述中節(jié)體矩形框架的內(nèi)部，位于第二矩形底板上并處在同軸線B的位置上分別設(shè)置第三軸承支座與第四軸承支座，位于第二矩形頂板上呈懸置固定設(shè)置第二電機支座，在所述第二電機支座上固定安裝第二真空伺服減速電機；第一齒輪設(shè)置在所述第二真空伺服減速電機的輸出軸上并且與第二齒輪嚙合，所述第二齒輪設(shè)置在第二中心滾珠絲桿的端部且由小圓螺母進行軸向緊固；所述第二中心滾珠絲桿為階梯軸，所述階梯軸的兩端分別通過第二雙列角接觸球軸承和第二深溝球軸承支承于所述第三軸承支座和第四軸承支座之間，第二螺套以滾動螺旋配合套裝在所述第二中心滾珠絲桿的螺紋軸段上；第二移動平板固裝于所述第二螺套上；
[0028]在所述第二移動平板的左右兩側(cè)對稱位置上分別固裝有第二直線軸承；在所述第二