核退役機器人自主拆解作業規劃

楊 瑞，張秋菊，張元昕

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122）

0 引言

自從上世紀九十年代啟動軍用核設施退役和放射性廢物治理以來,我國在核設施退役治理以及歷史遺留放射性廢物處理方面取得了一定的成績。由于相當一部分退役工作難點集中在輻射水平高、空間受限的工作場所,因此國內外研究者在利用機器人進行核設施的退役工作上做了大量的研究并取得了一些成果。代表性的有VUJE公司為捷克A-1核電站退役工作研發的MT-80型機器人,適用于高輻射環境內的退役任務,主要包括拆卸設備、切割管道、回收廢物等[1]。此外,還有德國的EMSM系列,美國的SAMSIN,法國的MA23-SD系列等[2,3]。在國內,西南科技大學的特殊環境技術四川省重點實驗室成立了特殊環境機器人實驗室,在核環境下的偵測、核退役機器人的研究上取得了一定的成果。

機器人進入到設備室內開展核設施退役工作時,由于遠程遙操作存在時延影響,工作效率低,因此需要對機器人規劃出一種自主作業的算法,根據作業環境與作業對象的特征,高效合理地開展作業[4]。戰茜[5]等提出一種移動機器人的自主抓取作業方法,可以使機器人自適應的生成自主作業路徑和位姿。趙加龍[6]等提出機器人末端路徑點算法生成了機器人的環切路徑,完成了隧道切割的仿真。肖治琥[7]提出了一種自主作業算法,并應用到了深水機械手的控制中,實現了自主作業。但其中一些規劃算法比較復雜,應用到核退役場所仍有一定的局限性,因此仍需做進一步的研究。

針對核設備室內退役工程,實現對內部不同特征管道的有效拆解,通過伸縮筒+機器人實現定位和拆解,并且基于該機器人,對管道拆解作業進行分析,提出了自主拆解作業規劃的策略和自適應管道切割算法。通過該算法,可以生成機器人拆解管道的系列定位點與切割軌跡,實現自主作業,同時也極大地提高了作業效率。

1 機器人運動學模型

本文研究的自主拆解作業機器人為自主設計的、第5軸為平移關節的6自由度串聯式機械臂,平移關節變化范圍為0～120mm。機器人基座固定在伸縮筒上,腕部搭載有雙目相機,賦予了機器人視覺感知功能。根據機器人機械結構,采用D-H參數法[8]建立各關節坐標系,確定各關節初始位置。考慮到機器人的作業類型,將機器人第5軸平移關節作為外部軸單獨控制,所以機器人為5個旋轉軸聯動+1個外部平移軸。機器人運動學模型如圖1所示。

圖1 機器人運動學模型

2 自主拆解作業規劃

本文所研究的機器人自主拆解作業規劃是用于核設備室內管道的退役工程,因此,首先對設備室內退役工作的環境與任務需求進行分析。

2.1 退役工作環境與任務需求分析

機器人遠程控制拆解可分為垂直接近和水平接近兩種接近路徑[9]。本文研究中的設備室是處于地下無窺視窗的密閉屏蔽室。拆解的對象為設備室內部有強放射性的圓柱形不銹鋼管道,絕大多數管道直徑在32mm以下,一般不大于57mm。伸縮筒搭載機器人從設備室頂部蓋板口下方的無障礙通道進入,由垂直方向接近進行拆解,拆解工具為鋸片切割機,鋸片直徑為100mm,如圖3所示。由于機器人的操作端位于150米外,時延大,效率低,因此,需要對機器人進行自主拆解作業規劃。

圖2 鋸片切割機模型圖

2.2 自主拆解作業策略

為實現高效的機器人自主拆解作業規劃,本文提出一種自主拆解作業策略,以設備室內管道為拆解對象,將拆解作業規劃為四個子任務,如圖3所示。

圖3 自主拆解作業策略框圖

機器人在進入設備室后調整姿態,利用雙目相機自主搜尋作業環境、作業對象,獲取其位置信息,然后通過自主定位算法生成定位點,并根據作業環境約束條件規劃出機器人任務空間內一條無碰撞的到達路徑；到達定位點后根據切割對象的特征信息,生成自適應切割路徑和姿態,切割完成后,自動返回起始點。

1）在自主搜尋時,機器人以特定的位姿和軌跡對當前周圍環境信息進行探測,為避免作業時與其他管道發生碰撞,作業對象選取當前距離機器人最近的管道,并獲取其位置和姿態,進行坐標轉換。過程如圖4所示。

圖4 自主搜尋

2）在自主定位時,機器人通過所獲取的管道位姿,通過算法生成管道附近的作業點,首先通過伸縮筒調整機器人整體高度對齊管道,然后以直線路徑徑直靠近到達定位點,提取管道的幾何特征。過程如圖5所示。

圖5 自主定位

3）在自適應切割時,為保證機器人能夠完整的對管道進行切割,通過后文提出的自適應管道切割算法完成作業。過程如圖6所示。

圖6 自動切割

4）切割完成后,機器人按照自主定位時的路徑自動返回起始點,將第一個工作點沿管道方向平移一定距離,作為第二次切割作業點,如此反復循環。由于機器人每次都是從初始點到達切割作業點,避免了單次切割作業點之間的轉移,因此可以有效的避免碰撞發生。

2.3 自適應管道切割規劃算法

針對機器人管道切割的實際工況,本文還提出了一種自適應管道切割規劃算法（Adaptive Pipe Cutting Planning）,下文簡稱為APCP算法。該算法可實現對不同管道生成適合的作業軌跡。

1）首先對機器人獲取的圖像信息進行處理,獲取待切割管道的三維特征信息和位姿狀態。

2）計算作業起始點,為從管道的中心位置向外偏置管道半徑+預留距離。

3）根據設定的管道直徑閾值進行判斷,對于小于管道直徑閾值的管道,采用平切方式切割,大于則采用兩段式切割。

4）在依靠伸縮臂的平切式切割中,根據管道直徑確定機器人水平切割深度（管道直徑+預留值）；在兩段式切割中,根據管道直徑,由算法生成上下方兩個切割中間點,計算“半圓轉移路徑”LC,為經過管道下方中間點,起始點和上方中間點三個點的半圓,并在上下中間點進行切割。兩種方法綜合可實現對所有管道的自適應切割。

APCP算法流程框圖如圖7所示。

圖7 APCP算法流程圖

下面以直徑大于閾值的管道切割為例來說明APCP算法的原理。

1）通過圖像處理獲取管道的特征參數和位姿,示意圖如圖8所示,該模型可以表示為：

圖8 管道特征和位姿

式(1)中(x0,y0,z0)為管道切割面中心點坐標；

d為管道直徑；

θ為管道軸向相對于相機畫面水平方向的旋轉角。

圖9 a點位置示意圖

切割深度根據鋸片和管道兩個圓的幾何關系得出,幾何關系如圖10所示,切割深度為：

圖10 兩段式管道切割深度示意圖

式(3)中R表示鋸片半徑。

4）通過與管道直徑閾值比較,采用兩段式切割路徑規劃算法。如圖11(a)～圖11(f)為切割路徑規劃示意圖：機器人首先根據模型參數旋轉角θ,調整末端使鋸片與管道保持正交狀態。從作業起始點a開始,首先通過“半圓轉移路徑”到達b點,然后從底部開始切割管道,切割深度為d2,完成后回到b點,再經由“半圓轉移路徑”轉移到c點,從頂部開始切割,采用同樣的切割深度,切割完成后回到c點。

圖11 管道切割路徑規劃示意圖

至此,采用兩段式切割的APCP算法生成的切割軌跡已經完成,而對于采用平切方式切割管道,只需給出鋸片在x軸方向的切割深度即可,并加上容差值d1/3,如圖12所示。數學模型表示為：d3=d+d1+d1/3。

圖12 平切式管道切割深度示意圖

3 自主拆解作業仿真分析

仿真分析采用MATLAB Robotics toolbox對機器人建模,機器人模型如圖13所示。應用本文提出的自主拆解作業策略和APCP算法,規劃出笛卡爾空間機器人的運動軌跡和切割軌跡,以驗證自主拆解作業規劃的合理性。

圖13 機器人模型圖

1）自主搜尋

機器人以初始狀態開始,調整為搜尋狀態,起始關節角為theta_S=[0,135,-135,-90,0,0],終止關節角為theta_D=[360,135,-135,-90,0,0],通過對機器人腰部旋轉關節的控制,實現相機繞基坐標系環視一周,以獲取附近的環境信息,如圖14表示機器人的末端運行軌跡。

圖14 自主搜尋軌跡仿真圖

2）自主定位

首先根據獲取到的作業對象在設備室內的高度信息,調整伸縮筒使得機器人末端高度與管道一致。然后,假設相機獲取到最近的管道的特征參數與位姿有兩種情況,管道直徑為小于閾值的P1=[1.5,0.25,0.75,0.020,0],和管道直徑大于閾值的P2=[1.5,0.25,0.75,0.040,0]。在靠近階段所生成的a點和靠近軌跡如圖15所示。

圖15 自主定位軌跡仿真圖

3）自適應切割

在進行自適應切割時,由CPAP算法對機器人的末端運動路徑進行規劃,對于管道P1,a點坐標a=[1.46,-0.25,0.75],采用平切式切割方式切割,切割深度為d3=d+d1+d1/3=60mm。

切割過程僅需要控制機器人的伸縮臂伸出即可完成平切,生成的切割軌跡如圖16所示,機器人末端的位置變化曲線如圖17所示。

圖16 平切式切割階段軌跡仿真圖

圖17 平切時末端位置變化曲線

對于管道P2,采用兩段式切割方式切割,根據a點,由算法生成兩個中間點b=[1.5,-0.25,0.79],c=[1.5,-0.25,0.79]和“半圓轉移路徑”LC,LC圓心O坐標為[1.5,0.25,0.75],直徑為d+2d1,為經過a,b,c三點的半圓弧,如圖18(a)所示。從b點開始切割,切割深度：

相應的切割路徑如圖18(b)所示。

圖18 兩段式切割階段軌跡仿真圖

在切割完成后返回b點,經由LC路徑轉移至c點,在此過程中機器人末端的位置變化曲線如圖19所示。

圖19 b-c間末端位置變化曲線

由c點開始切割仿真效果與b點效果相同,仿真過程略。在c點處切割完成后,機器人返回到起始點再到達下一切割作業點。

通過以上仿真可以看出,針對給出的兩種不同特征的管道,本文提出的自主拆解作業策略和APCP算法,可以生成機器人的自主作業路徑,對兩種特征的管道進行不同的切割方式。實驗結果可以很好的驗證本文提出的自主拆解作業策略和APCP算法的合理性與可行性。

4 結語

本文針對自主設計的核環境下六自由度機器人在設備室內的退役拆解工作,提出了一種自主拆解作業策略和自適應管道切割算法（APCP算法）,使機器人在設備室內自主搜尋作業目標,自主定位,并根據管道的基本特征生成自適應的管道切割路徑。在MATLAB中進行的仿真分析結果表明,該策略與算法能夠可靠實現。研究結果對核環境下機器人的自主作業提供了參考意義。