全自主堵板操作機器人系統設計

陳嘉杰, 余 冰, 吳 玉, 董俊杰, 韓 哲, 段星光

(1.中廣核研究院有限公司, 深圳 518000； 2.北京理工大學機電學院, 北京 100081)

為了解決核電環境下的工作和輻射暴露問題[1-2]，近年來，許多機器人被應用在核電站。機器人的應用不僅可以降低人工防護設備和管理成本，還可以降低工作人員的輻射劑量和勞動強度。例如，先鋒機器人公司(RedZonerobotcompany)擁有6個自由度(DOFs)手臂，是一輛電動履帶式車輛，用于再處理核事故[3]；抗輻射機器人RaBOT(JAERI機器人公司)是一個雙臂移動機器人，配備了7個電荷耦合裝置(CCD)攝像頭[4]，它可以在105Sv(劑量當量)的輻射場下工作，完成開關閥、樣品采集；PackBot機器人(美國iRobot公司)的目的是檢測工作狀態，分析并記錄參數[5]，此外，還可提供自調傾卸功能、自恢復通信和全球定位系統(GPS)定位；跨世界反應堆容器檢測系統(TWS)(法國阿?，m公司)包括機器人、超聲相控陣模塊和分析系統，是反應堆壓力容器的通用檢測工具。此外，其他機器人也被用于核電站的復雜環境中[6-8]。

在核電廠的維護期間，蒸汽發生器內部的入口和出口是用堵板堵住的，且堵板是按照40°傾斜角來擺放的，這樣做是為了保護維護人員并確保其他蒸汽發生器的正常工作?，F在，蒸汽發生器入口和出口的密封件使用橡膠充氣膠囊和鋁制擋板。鋁制擋板分為3部分，方便攜帶，并附有14個螺栓以便與蒸汽發生器連接。工作人員從孔洞將鋁制擋板逐一送入蒸汽發生器，并且將橡膠充氣囊裝在蒸汽發生器的入口處。這樣，工作人員就可以使用安裝攝像機的長緊固工具將螺栓從孔洞中緊固。此過程花費大量時間來操作螺栓，并且工作人員還將長時間暴露于放射性環境(輻射劑量率為100 rad / h)中[9-10]。綜上所述，中外相關研究在特殊環境下自動化機器人系統已經取得了較好的成果。但考慮到核環境下的特殊性，比一般的環境更為復雜，定位難度更大；并且操作空間受限，開發設計一種核輻射環境下機器人全自動操作系統刻不容緩，且具有一定的挑戰性。

基于此，提出一種基于視覺引導的全自主堵板操作機器人系統作為蒸汽發生器內部螺栓操作工具，針對螺栓位置在堵板上分布不均勻、相鄰兩個螺栓之間的夾角不相同的問題，采用攝像機獲取螺栓位置，采用兩個機器人末端來抓取堵板和擰螺栓，以期降低勞動強度和照射時間，可靠、自動完成操作。

1 機器人系統

1.1 機器人總體設計思路

根據功能需求，將全自主堵板操作機器人系統分為操作機器人和末端執行器。如圖1所示，機器人作為系統載體完成了蒸汽發生器中螺栓的固定。由于工作空間的限制，機器人的機械結構緊湊，質量輕，安裝快捷，安全可靠。考慮到螺栓的緊固作用，操作機器人使用了典型六旋轉關節結構。因此，機器人由6個關節，前3個關節調整工具位置，另3個關節確定工具姿態。

圖1 堵板操作機器人系統Fig.1 The blocking plate operates the robot system

首先根據分析機器人的工作位置與姿態需求，決定其需要的自由度數，借鑒相關工業抓取機器人決定其整體的機構運動方式。然后通過包絡法來初步分析其工作空間，確定大臂與小臂的長度。最后按照負載大小從末端向前一關節進行所需驅動力矩計算，選好電機與減速器型號后對整體進行詳細結構設計。設計好一個關節之后再計算設計下一個關節，從而在計算所需驅動力矩時可得到較為準確的結果。機器人本體如圖2所示。

圖2 機器人本體Fig.2 Robot

1.2 機器人運動方案設計

機器人的自由度為6，一般工業機器人可以分為大臂、小臂、手腕3個部分。其中大臂和小臂主要用于定位，手腕部分通常有3個自由度用于空間姿態的調整。手臂和手腕之間是相互影響的，即位置和姿態之間存在相互關系，兩者相互影響。不同于普通的抓取(一般抓取負載不會太大，此次負載要求25 kg)，由于操作空間受限，而且負載要求較大，因此要有較好的穩定性和一定的剛度要求。

1.3 機器人系統工作流程

首先懸掛在蒸汽發生器里面的操作機器人使用抓取工具安裝堵板，由于堵板的安裝偏差，堵板的每個螺栓位置對機器人都是不確定的。圖像識別系統通過對安裝在機器人手臂上的攝像機圖像進行處理，使攝像機與阻擋板表面保持恒定的距離，從而獲得螺栓中心坐標值。然后將中心坐標進行轉換，并將轉換后的中心坐標傳遞給模板操作機器人，最后操作機器人將末端快換成扭矩扳手完成對螺栓的擰緊操作。

2 末端機構設計

2.1 抓取機構設計

因為作業要求，操作機器人要將堵板搬運到指定位置，在此過程中，機器人需要一個穩定、可靠、緊湊的抓取機構。磁性吸盤具有小巧、輕便、載荷大等特點，對于當前環境具有很高的適合性，又由于需要進行末端的快換，所以設計定位銷保證定位，用磁吸來保證與其他零件的連接。抓取機構和快換裝置裝配體如圖3所示。

圖3 抓取機構和快換裝置裝配體Fig.3 Grab mechanism and quick change device assembly

抓取機構的設計原則是輕便、穩定、緊湊，所以采用對稱的設計原則將電器接口設計在中心的位置，定位銷在不產生干涉的前提下緊挨著電器接口分布在其兩側。因為在抓取堵板時需要很好的穩定性，所以將磁吸放在了整個機構的最外端，防止堵板轉動而掉落。抓取機構如圖4所示。整個機構分為兩層，上面一層是用于快換的磁性吸盤，下面一層是用于抓取的磁性吸盤。快換裝置如圖5所示。磁吸的作用主要是通電后吸附住與他連接零件，整個系統一共4個磁吸，快換裝置和抓取機構各有2個。磁吸如圖6所示，堵板抓取裝配圖如圖7所示。

圖4 抓取機構Fig.4 Grab mechanism

圖5 快換裝置Fig.5 Quick change device

圖6 磁吸Fig.6 Magnet

圖7 堵板抓取裝配圖Fig.7 Block plate grab assembly

2.2 擰緊機構設計

圖像識別系統完成對螺栓的定位得到螺栓的位置后，就需要擰緊機構完成對螺栓的固定操作。此機構設計時考慮到機器人的工作空間受限，所以機構的設計整體沿著機器人法蘭盤的軸線，通過伺服電機加減速器給機構提供扭矩，使用皮帶輪傳遞扭矩，最后使用類內六角裝置完成螺栓的固定。螺栓擰緊機構如圖8所示。

圖8 擰緊機構Fig.8 Device of tighten

3 螺栓自主識別

圖像識別系統的目的是采集圖像、定位螺栓位置。首先要分割出螺栓所在區域，然后在螺栓所在區域找到螺栓。目標識別過程的核心是決策算法的研究，如人眼在識別物體過程中主要依靠人的主觀經驗進行分析判斷，而研究目標識別算法的目的就是模擬人腦通過研究獲取圖像后的該決策過程，自動識別目標。螺栓識別算法流程如圖9所示。根據流程得到螺栓上表面輪廓，也就是得到曲線上所有像素點的坐標，就可以求出圓心點像素坐標和圓半徑。螺栓識別結果如圖10所示。

圖9 螺栓識別算法流程圖Fig.9 Flow of bolt identification algorithm

圖10 螺栓識別結果Fig.10 Bolt identification results

4 標定算法

根據系統的功能需求，特別是穩定性以及精度要求，采用九點法進行手眼標定，以得到相機坐標系和機器人坐標系的轉換關系，如圖11所示。

圖11 坐標系轉換關系Fig.11 Transformation relation of coordinate system

九點標定法就是通過9個同源點建立相機和機械手之間的坐標變換關系。同源點就是空間中同一個點在不同坐標系下的不同表示。

算法的步驟就是讓機器人分別觸碰得到這9個點在機器人坐標系下的坐標，然后還要計算得到這9個點在相機坐標系下的坐標，這樣得到了9組對應的坐標。具體算法如下。

首先要得到相機坐標系和機器人坐標系之間的關系，即

(1)

式(1)中：(xr，yr)、(xc，yc)分別表示機器人坐標系下和相機坐標系下的(x，y)坐標值；R為最終齊次矩陣的旋轉矩陣；P為最終齊次矩陣的位移矩陣。

將式(1)轉換為

(2)

通過式(2)可得知至少需要3個點才能求出轉換的矩陣，但實際使用了9個點，這是因為雖然3個點就能得到轉換矩陣，但是越多點求解，最后的矩陣精度就越高。當然這不是越多點求解越好，當點越多計算量也就越大，所以需要根據實際情況選擇點數。

5 機器人末端功能測試

5.1 抓取堵板實驗

為驗證抓取末端的可行性和穩定性，進行抓取堵板的實驗驗證。但因為沒有相應的核輻射環境，所以實驗中只進行末端功能測試，將手持抓取末端進行式樣。因為堵板被分成了3塊，所以每次堵板只需要抓取1/3的堵板即可，每塊堵板凈重25 kg，長865 mm，寬292 mm，抓取末端凈重1.25 kg，長240 mm，寬45 mm，高60 mm。

測試過程如圖12所示。單個磁吸的吸附力是25 kg，現有2個磁吸，抓取力一共50 kg，單片堵板凈重25 kg，該抓取手抓有吸附力的冗余。

圖12 抓取堵板實驗Fig.12 Experiment of grab the plugging plate

實驗證明該結構機構簡潔，定位快速，具有良好的魯棒性，能夠達到抓取的目的。

5.2 擰螺栓實驗

實驗中，以堵板操作機器人作為平臺，擰緊機構凈重2.5 kg，長240 mm，寬130 mm，高320 mm。工業相機使用BASLER相機，型號acA2440-20gc，分辨率為2 448×2 048，水平垂直像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm。

在進行機器人標定時，先要固定好機器人與相機的相對位置，然后進行機器人標定。若兩者的相對位置發生變化，則要重新標定。

利用上文提到的標定算法計算得到齊次轉換矩陣T為

采集多幅圖像后進行定位圓心實驗驗證，進行螺栓擰緊測試，如圖13所示。從圖像中提取螺栓中心坐標值，這一步對整個機器人系統起著決定性的作用。在實驗過程中，光線對螺栓中心坐標值的獲取有影響，特別是在無光線的夜晚。由于蒸汽發生器內部的光線不夠，所以在攝像機周圍安裝LED光源，可以提供足夠的光線來改善視覺系統。該相機是防輻射的，可以在真實環境中測試。為了測試螺栓中心值提取的效率，在機器人移動到一定位置后，對圖像進行捕獲并提取中心值，重復提取約10次。結果表明，每次都能得到中心坐標值，并且擰緊螺栓。在未來，將嘗試在輻照環境下的實驗來驗證全自主堵板操作機器人系統。

圖13 擰螺栓實驗Fig.13 Experiment of fasten bolt

6 結論

提出了一種基于視覺引導的蒸汽發生器全自主堵板操作機器人系統。該系統分為操作機器人和末端執行器。為實現較高的定位精度和安全運行，選擇合理的硬件配置，研究圓心定位算法，優化螺栓運行。提出了全自動的控制方法，以提高自動運行和人工干預。此外，還研究了在該過程中提取螺栓中心坐標值的識別算法。最后通過定位精度實驗驗證了機器人系統的有效性。由于場地的限制，實驗沒有在核環境下進行，存在一定的局限性，下一步計劃在核環境下進行實驗，以驗證實驗結果的可靠性。