用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人技术，特别涉及用于核电站安全壳内进行环境监测的小型机器人。
【背景技术】
[0002]自第一座核电机组运行以来，全球已发生了多次核事故，特别严重的有1986年前苏联的切尔诺贝利事故，以及2011年日本的福岛核事故，均造成了极其重大的人员伤亡和财产损失，引起了人类对于核安全的高度忧虑。依据“防患于未然”的原则，核电站的监测和预警是核电站安全中最重要的一环，特别是在当前，很多核电站经过长时间的运行后，设备的老化、磨损问题已越来越严重。
[0003]按照纵深防御的原则，目前的核电站在核燃料和外部空气之间设置了四道屏障，安全壳即为第四道也是最后一道屏障，如图1所示。一旦压力容器及其管道破漏，放射性物质将被包容在安全壳内，不至于外漏。通过监测安全壳内的环境状态，包括辐射剂量、氢气浓度、烟雾、氢气浓度、温度、湿度、气压，可获知核电站的安全状态，当发生事故时，可及早应对，避免造成巨大影响。
[0004]利用机器人代替人进入核电站进行安全性监测和预警，有如下好处:(I)及早发现问题，赢得抢修时间，至少可以有充分的时间关断核反应堆，尽可能减轻事故产生的后果；(2)极大地减少工作人员所受的核辐射，保证人员安全；(3)利用监测机器人携带视频监控相机或其他先进的设备，可以提供最直接的监测结果，与间接监测手段(如通过温度、湿度、辐射量等)获得的结果相比，更加直观、准确。
[0005]目前的核工业机器人主要用于日常作业，包含蒸汽发生器、反应堆容器的检查、安装、维修，以及退役反应堆的封存、掩埋或拆卸，放射性废物处理等作业；部分机器人可用于核事故处理与救援等，即利用轮式、履带式移动机器人，携带操作设备，进入事故现场，开展事故处理与救援相关工作。而监测机器人的研宄相对滞后。比较典型的是西班牙研制的可用于检测柱状容器(如蒸汽发生器)和大直径管道的爬壁机器人Robicen，目前已有3代产品。Robicen机器人由4个能适应弧形壁面的真空吸盘提供吸附力，通过机体上两个气缸的同步或不同步伸缩，完成机器人的直线和转弯运动(Br1nes L, Bustamante P,Serna M A.Robicen: A Wall-Climbing Pneumatic Robot for Inspect1n in NuclearPower Plants [J].Robotics and Computer-1ntegrated Manufacturing.1994，11 (4): 287-292.)。该研究团队还研制了用于沸水反应堆清水墙检查的小型自主机器人MonoCaRob，该机器人沿着专门布置于管道间的导轨运动，利用携带的摄像机和其他传感器进行常规检查(Savall Jj Avello A, Br1nes L Two Compact Robots for RemoteInspect1n of Hazardous Areas in Nuclear Power Plants[C].1EEE Internat1nalConference on Robotics and Automat1n, Detroit, MI，USA，1999: 1993-1998.)。英国核电公司于20世纪90年代在Magnox核电站反应堆压力容器上使用了两种类型的远距离爬行小车Nero (Luk B Lj Collie A A, White T.NERO: A Teloperated Wall ClimbingVehicle for Assisting Inspect1n of a Nuclear Reactor Pressure Vessel[C].ASMEInternat1nal Computers Engineering Conference, 1993.)。Choi 等人设计了对蒸汽发生器的给水管道进行监测的机器人(Choi C，Park B, Jung S.The Design and Analysisof a Feeder Pipe Inspect1n Robot With an Automatic Pipe Tracking System[J].1EEE/ASME Transact1ns on Mechatronics.2010，15(5): 736-745).在现有文献中，尚未查阅到针对核电站安全壳内环境进行全面检测的机器人系统。
[0006]专利申请方面，申请号为2012101719639的专利提出了一种基于核辐射的核电站机器人定位方法，未对所采用的机器人转置进行论述；申请号为2014102136542的专利公开了一种用于核电站蒸汽发生器二次侧进行清洁度检测的爬壁机器人及其人检测核电站蒸汽发生器二次侧的方法，该机器人吸附于核电站蒸汽发生器二次侧的筒体内壁上，不具备同时适应多种不同形状表面爬壁的能力，特别是不同面间过渡的能力。
[0007]现有技术没有专门针对核电站安全壳内环境进行全面检测的机器人系统，以往的用于核电站内部的机器人也主要采用有线连接、进程操作的方式，限制了机器人的运动能力和监测范围。
【实用新型内容】
[0008]本实用新型公开一种用于核电站安全壳内核辐射、氢气浓度、气压、温度、湿度进行实时、动态监测的爬壁机器人，通过在安全壳内不同设备的表面上，以及不同表面之间进行攀爬，实现局部区域及全局区域的环境监测，解决现有技术中运动能力不强以及监测范围有限的技术问题。
[0009]本实用新型为解决上述技术问题而设计的这种用于核电站安全壳内环境监测小型爬壁机器人包括着地的两个腿足以及由该两个腿足架起来的第一主体和第二主体，所述第一主体和第二主体分别与两个腿足的顶端铰接，第一主体与第二主体之间铰接连接，所述两个腿足均包括腿杆部、足端部以及设置于足端的吸附部，该小型爬壁机器人还包括设置于腿杆部与足端部之间用于控制腿杆部水平旋转的第一驱动机构，设置于一支腿足顶端与第一主体之间用于控制第一主体俯仰运动的第二驱动机构，设置于第一主体与第二主体之间控制第一主体或第二主体俯仰运动的第三驱动机构以及设置于另外一支腿足顶端与第二主体之间控制第二主体俯仰运动的第四驱动机构，该小型爬壁机器人还进一步包括设置于第一主体、第二主体或两个腿足上的探测部以及控制机器人各部工作的控制部。所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构以及第四驱动机构均为直接控制相应关节的舵机，所述吸附部包括设置于足端的真空吸盘以及连接所述真空吸盘的气泵。
[0010]本实用新型进一步改进在于:所述探测部包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部、用于预警突发事件的事故预警监测部以及用于探测障碍物的辅助运动探测部。所述环境常规检测部包括分别连接于所述控制部的温度监测单元、湿度监测单元以及视觉监测单元；所述事故预警监测部包括分别连接于所述控制部的火灾监测单元、气体泄漏监测单元以及地震监测单元；所述辅助运动探测部包括距离测量单元，所述距离测量单元为超声波测距传感器。
[0011]本实用新型更进一步改进在于:所述控制部包括主控单元，分别连接该主控单元的无线通讯单元以及电源模块，所述主控单元为嵌入式的控制器。
[0012]本实用新型中的小型爬壁机器人携带辐射探测、有害气体探测、烟雾、火焰、气压、温度、湿度等多个传感器，可对核电站内的环境进行全方位的探测；机器人本体具备OTOF的运动能力、两端采用真空吸盘，能稳定、可靠地吸附在不同表面上，并能够在不同表面间进行攀爬行走；采用模块化、一体化设计方法，使得机器人的集成度高，机构紧凑、质量轻、体积小；控制系统采用上位机与嵌入式控制相结合的方式，使人的操作意图能够快速、有效地在机器人上得到响应；进一步运用远程操作时采用无线+有线的方式，克服了安全壳对通信信息的屏蔽，使得安全壳外的操作员能够对安全壳内的机器人进行实时、有效控制，该机器人尺寸小于240 mmX 140 mmX98 mm，质量小于1.4 kg ;爬行速度大于60 mm/s。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型小型爬壁机器人总体方案示意图。图2是本实用新型小型爬壁机器人的立体示意图。图3是本实用新型小型爬壁机器人的各关节运动方式示意图。图4是本实用新型小型爬壁机器人控制部的示意图。图5是本实用新型上下位机控制方式示意图。图6是本实用新型在核电站安全壳内工作的示意图。
【具体实施方式】
[0014]结合【附图说明】本实用新型的具体实施例。
[0015]由图1至图5中可知，本实用新型用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人包括着地的两个腿足10以及由该两个腿足10架起来的第一主体20和第二主体30，所述第一主体20和第二主体30分别与两个腿足10的顶端铰接，第一主体20与第二主体30之间铰接连接，所述两个腿足10均包括腿杆部11、足端部12以及设置于足端的吸附部13，所述吸附部13包括设置于足端的真空吸盘131以及连接所述真空吸盘131的气泵132，该小型爬壁机器人还包括设置于腿杆部11与足端部12之间用于控制腿杆部11水平旋转的第一驱动机构40，设置于一支腿足10顶端与第一主体20之间用于控制第一主体20俯仰运动的第二驱动机构50，设置于第一主体20与第二主体30之间控制第一主体20或第二主体30俯仰运动的第三驱动机构60以及设置于另外一支腿足10顶端与第二主体30之间控制第二主体30俯仰运动的第四驱动机构70，该小型爬壁机器人还进一步包括设置于第一主体20、第二主体30或两个腿足10上的探测部80以及控制机器人各部工作的控制部90 ;所述第一驱动机构40、第二驱动机构50、第三驱动机构60以及第四驱动机