构70均为直接控制相应关节的舵机。
[0016]电站安全壳内环境监测机器人系统研宄的目标是能够实现在核电站内部运动和监测核电站内部环境的功能。根据功能将核电站安全壳内环境监测机器人系统划分为三个分系统:机械系统、传感监测系统、控制系统。这三个分系统通过接口结合为一体，相互协调配合。
[0017]机械系统依照机器人对运动能力的要求，采用腿足吸附式行走机构，本体有5个旋转关节，每个旋转关节由舵机驱动，本体具备5自由度操作能力；机器人两端为吸盘，采用壁面适应性强且吸附力大的真空吸盘吸附方式，通过吸盘与接触面的吸附实现攀爬和行走。本实用新型中所述第一驱动机构40控制两个腿足上的踝关节，第二驱动机构50以及第四驱动机构70控制腿足与两个主体之间的肩关节，而第三驱动机构60则控制两个主体之间的中间关节。上述配置使得机器人能够实现地面行走、转弯、越障、多面跨越等运动，本实用新型的运动方式包括翻越式行进:以一个腿足吸附地面(或墙壁或物体表面)，两个肩关节(绕Y轴的3个关节)配合进行180度翻转(中间关节可以参与翻转或不参与翻转)，而实现翻转式的行进运动。扭转式行进:则一个腿足吸附地面，着地端腿足上的踝关节扭转，另一腿足着地后也进行扭转，踝关节绕Z轴的2个自由度，可以交替动作，驱动机器人本体呈扭转式行进，这种方式与翻越式相比运动速度快而且稳定，所需的运动空间小。正常行进:以一个腿足吸附地面，两个肩关节和中间关节俯仰运动，驱动机器人主体行进。运动完成后足部吸盘吸附在相应位置，吸附稳定后进行下一步运动。运动中，伴随机器人双足的移动，双足底部的吸盘交替吸附、释放。
[0018]驱动力矩对于机器人稳定可靠运动极其重要，通过分析运动过程中使得关节驱动力矩最大的步态，开展理论计算和Adams仿真，以确定关节驱动力矩。工况包括:1)行走时一吸盘吸附地面，第二驱动机构50以及第四驱动机构70做抬腿运动(肩关节力矩分析)；2)—吸盘吸附于墙壁，多关节配合翻转运动(肩关节力矩分析);3)—吸盘吸附于墙壁，第一驱动机构40扭转运动(踝关节力矩分析)。最后确定，行走时踝关节需提供最大力矩为9.7kg.cm，翻越时踝关节需提供最大力矩为10 kg.cm，在墙壁上扭转运动时踝关节需提供最大力矩为10.2 kg.cm。因此，关节最大力矩需求为10.2 kg.cm。考虑余量后选择额定扭矩为17 kg.cm的舵机。
[0019]所述探测部80包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部81、用于预警突发事件的事故预警监测部82以及用于探测障碍物的辅助运动探测部83。所述环境常规检测部81包括分别连接于所述控制部90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82包括分别连接于所述控制部90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83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。传感系统的功能主要包含三方面:(1)核电站环境的常规监测。常规监测主要包括内部的温度、湿度、视觉；(2)核电站突发状况预警。突发状况包括火灾，地震以及有害气体泄露等；(3)机器人的运动控制，在机器人的肩部布置了超声波测距传感器，可以测量机器人距离前方障碍物的距离，为运动控制提供依据。因此，在硬件系统中配置了相对应的传感器和摄像头。传感系统硬件方面包括温湿度传感器、震动传感器、火焰传感器、有害气体传感器等用于对周围环境的监测，其中温湿度传感器为模拟量传感器，实时显示环境的温度以及湿度，震动传感器、火焰传感器、有害气体传感器为数字量传感器，当核电站内部发生火灾、地震或有害气体泄露时及时预警。
[0020]所述控制部90包括主控单元91，分别连接该主控单元91的无线通讯单元92以及电源模块93，所述主控单元91为嵌入式的控制器。控制系统是机器人的神经中枢，选择采用两级主从式的控制系统实现远程控制。即采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能，主从两级采用无线的方式通讯。
[0021]核电站安全壳内环境监测机器人工作于核电站内部，操作人员通过远程控制系统进行控制，远程控制系统主要由上位机即远程控制平台和下位机即嵌入式控制平台两个部分组成。其中上位机为普通PC，包括人机界面和操作终端，负责运动控制参数的设定、运动方式的选择、运动的控制、核电站环境监测内容显示等。下位机为嵌入式控制系统(控制部90)，与运动机构和传感系统连接，负责接收上位机发送的控制命令、参数，并实现对应操作，同时接收传感器反馈的环境信息以及机器人的运动状态并向上位机发送。上位机与下位机之间通过无线通讯模块形成无线互联。
[0022]安全壳可以抵御地震、龙卷风和喷气式飞机冲击等外力的撞击。反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100cm，内表面加有0.6cm的钢衬，可以抗御来自内部或外界的飞出物，防止放射性物质进入环境。如此厚的安全壳，对于无线通信的屏蔽作用非常巨大，安全壳外与安全壳内的无线通信几乎被隔绝，在现有技术水平下，基于无线通信的遥操作方式几乎不可行，因此，本实用新型采用有线+无线的通信体制(如图6所示)，即在安全壳内安装无线通信路由器，在安全壳内的设备可采用无线通信，而该设备采用有线的形式连接到安全壳外，以克服由于安全壳的强大屏蔽能力使得无线通信设备无法正常工作。
[0023]以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:该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)，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)。
2.根据权利要求1所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于: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)0
3.根据权利要求1所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述探测部(80)包括用于探测周围环境情况的环境常规检测部(81)、用于预警突发事件的事故预警监测部(82)以及用于探测障碍物的辅助运动探测部(83)。
4.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述环境常规检测部(81)包括分别连接于所述控制部(90)的温度监测单元、湿度监测单元以及视觉监测单元。
5.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述事故预警监测部(82)包括分别连接于所述控制部(90)的火灾监测单元、气体泄漏监测单元以及地震监测单元。
6.根据权利要求3所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述辅助运动探测部(83)包括距离测量单元。
7.根据权利要求6所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述距离测量单元为超声波测距传感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述控制部(90)包括主控单元(91)，分别连接该主控单元(91)的无线通讯单元(92)以及电源模块(93)。
9.根据权利要求8所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述主控单元(91)为嵌入式的控制器。
10.根据权利要求1至7中任一项所述用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人，其特征在于:所述第一驱动机构(40)、第二驱动机构(50)、第三驱动机构(60)以及第四驱动机构(70)均为直接控制相应关节的舵机。
【专利摘要】一种用于核电站安全壳内环境监测的小型爬壁机器人包括两个腿足（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），该小型爬壁机器人还包括控制腿杆部（11）水平旋转的第一驱动机构（40），用于控制第一主体（20）和第二主体（30）的第二驱动机构（50）至第四驱动机构（70），进一步包括探测部（80）以及控制部（90）。本实用新型中的小型爬壁机器人携带多个传感器，可进行全方位的探测；集成度高，机构紧凑，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。
【IPC分类】G05D1-02
【公开号】CN204576263
【申请号】CN201520245772
【发明人】徐文福, 关达, 黄志雄, 王洪涛
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月22日