一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置及方法

1.本发明涉及核电站自动化检修技术领域，特别是一种一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置及方法。


背景技术：

2.核电作为一种安全、可靠、清洁、高效的电力能源，是我国能源发展的战略重点。随着我国核电产业的迅猛发展和核电市场的扩大，提高核设施的安全性与可靠性，尽量降低操作人员的受辐射剂量，改善操作人员的工作环境，是我国核电行业一个亟待解决的课题。由于核电站内很多维修区域属于高放射性的特殊环境，或者因为部件布置密集，很多区域人员不可到达，世界各国针对核电站高放射性设备的检查、维修、清洗及缺陷修复工作，开发出了大量智能化、自动化、人员远距离控制的高端专用机器人工具，已经形成了核电机器人产业，大大提高了核电站运行的可靠性和经济性。
3.在核电站大修期间，需对蒸汽发生器内部进行检修。由于蒸汽发生器通过主管道与反应堆压力容器直接相连，为防止蒸汽发生器一次侧异物通过主管道进入压力容器对堆芯燃料产生破坏，需要对一回路主管道进行临时封堵，此工况下用于封堵的堵板称为低水位堵板。在核电站首次检修及大修期间，蒸汽发生器的检修工作是在堆水池储水时进行，一方面，为防止蒸汽发生器一次侧异物通过主管道进入压力容器对堆芯燃料产生破坏，另一方面，出于承受水压和密封需要，再一方面，为防止一回路水从蒸汽发生器的人孔溢出，需要对一回路主管道进行临时封堵，此工况下用于封堵的堵板称为高水位堵板。低水位堵板和高水位堵板并称一次侧堵板。
4.公告号为cn210677611的专利文献公开了一种一次侧堵板装拆机器人，用于执行堵板作业。所述堵板作业包含以下两类：1、一次侧堵板装拆机器人夹持一次侧堵板通过水室(水室位于蒸汽发生器的下端)下端的人孔送入水室内部，并将一次侧堵板安装在相应的孔位上，最后通过人孔退出水室内部；2、一次侧堵板装拆机器人通过水室下端的人孔伸入水室内部，并在相应的孔位上拆除一次侧堵板，最后夹持一次侧堵板通过人孔退出水室内部。所述一次侧堵板装拆机器人包括移动小车、第一移动机构、竖直升降机构、摆动驱动机构、第二移动机构及末端执行机构。第一移动机构安装在移动小车上。竖直升降机构与第一移动机构关联，其被第一移动机构带动做水平往复直线运动。摆动驱动机构分别与竖直升降机构及第二移动机构关联，其被竖直升降机构带动做竖直升降运动，并带动第二移动机构做弧形轨迹摆动。末端执行机构与第二移动机构关联，其被第二移动机构带动做往复直线运动。
5.所述一次侧堵板装拆机器人在工作时，操作人员在水室外操控拆装机器人的动作即可实现一次侧堵板的拆装，无需钻入水室内操作，减轻了操作人员的劳动强度，有效避免了操作人员受到核辐射。
6.所述一次侧堵板装拆机器人在安装/拆卸低水位组合堵板时，需要控制移动小车将拆装机器人移动到水室的人孔下方，再执行后续的操作。所述一次侧堵板装拆机器人在
安装/拆卸高水位堵板时，需要控制移动小车将拆装机器人移动到水室的第二人孔下方，再执行后续的操作。
7.所述一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业(所述堵板作业包括安装/拆卸低水位组合堵板和安装/拆卸高水位组合堵板)时，末端执行机构需要完全伸入人孔或第二人孔中。但是，由于末端执行机构的尺寸仅略小于蒸汽发生器的人孔孔径和第二人孔孔径，因此，对于一次侧堵板装拆机器人的工作位置要求较高，只有确定了一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业时的工作位置，才能方便后续作业。另外，由于核电站的蒸汽发生器的尺寸和形状各有不同，因此，对于所述一次侧堵板装拆机器人的泛用性提出了较高要求。
8.综上所述，设计相应的定位装置和方法，使得一次侧堵板装拆机器人面向不同尺寸和形状的蒸汽发生器执行堵板作业时，都能够便捷、快速、准确的标定工作位置，就显得非常有必要。


技术实现要素：

9.本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置及方法，它解决了一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业时，无法有效的确定工作位置的问题。
10.本发明的技术方案是：一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置，包括底座、盘式电机、激光测距传感器和竖向转动机构；底座下端四角处设有万向轮；盘式电机安装在底座上，并可做水平面上的转动；激光测距传感器通过竖向转动机构安装在盘式电机的上端，其在竖向转动机构的驱动下做竖直平面内的转动。
11.本发明进一步的技术方案是：竖向转动机构包括基座、输出轴、输入轴、手柄、转台、齿轮a和齿轮b；基座上端设有凹坑，基座侧壁上设有连通至凹坑的轴孔以及环绕轴孔呈环形分布的多个角度锁定槽；输出轴水平布置活动安装在凹坑内部，其两端支承在凹坑的两侧壁上；输入轴水平布置活动安装在基座上，其一端通过设在基座上的轴孔伸入凹坑中，另一端通过设在基座上的轴孔伸出在基座外部，其上设有沿轴向延伸的导向棱；手柄上设有贯通其两侧表面的插孔和连通至插孔的导向槽；手柄通过插孔活动插装在输入轴位于基座外部的一端上，手柄上的导向槽与输入轴上的导向棱相配合，以实现手柄与输入轴之间的径向定位；手柄朝向基座的一侧表面上设有用于与角度锁定槽相互插接的凸棱；手柄沿输入轴移动进而使其上的凸棱插入或退出角度锁定槽，当手柄插入角度锁定槽时，输入轴锁定在基座上，当手柄退出角度锁定槽时，输入轴相对于基座可转动；转台通过输出轴可转动安装在基座上端的凹坑中，其上端设有用于安装激光测距传感器的台面；齿轮a固定安装在输出轴上，并位于凹坑中的转台与凹坑侧壁之间；齿轮b固定安装在输入轴上，并位于凹坑中的转台与凹坑侧壁之间，并与齿轮a啮合。
12.本发明的技术方案是：一次侧堵板装拆机器人定位方法，应用于上述的一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置，用于标定一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业时的工作位置，一次侧堵板装拆机器人处在工作位置时，具有相对更大的活动范围和操作空间；所述堵板作业包含以下两类：1、一次侧堵板装拆机器人夹持一次侧堵板通过水室下端的人孔送入水室内部，并将一次侧堵板安装在相应的孔位上，最后通过人孔退出水室内部；2、一次侧堵板装拆机器人通过水室下端的人孔伸入水室内部，并在相应的孔位上拆
除一次侧堵板，最后夹持一次侧堵板通过人孔退出水室内部；所述水室包括壳体；壳体内部设有内腔；壳体下端设有连通至内腔的人孔，人孔在靠近壳体外侧一端的孔口处设有环形平面；定位方法如下：s01，调整辅助定位装置的摆放朝向：a、将辅助定位装置摆放在水室外侧的地面上，设定激光测距传感器所在的位置为点x，打开激光测距传感器以发出射线，通过盘式电机调整射线的朝向，通过竖向转动机构调整射线的角度，调整朝向时，射线相对于水平面所成的角度不会发生变化，调整角度时，射线扫过的平面为竖直平面；通过调节朝向和角度，使射线打在环形平面的外边缘上，形成点a，再单独调整朝向，使射线打在环形平面的另一侧外边缘上，形成点b，记录单独调整朝向时射线转动的角度∠axb；b、建立平面演算模型，在线段xa长度、线段xb长度、∠axb为已知量的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形abx中的线段ab长度；c、在线段ab长度已知的前提下，标识出线段ab的中点d，则线段ad长度和线段bd长度均为线段ab长度的1/2；过点x做线段ab的垂线，垂足为点e，以下分为三种情况计算∠bxe；c1、当垂足点e落在线段ab外侧相对靠近点a的一侧时，通过等式1计算出线段ae长度；等式1：(xb)
2-(ab ae)2=(xa)
2-(ae)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段ae长度；在线段ae长度、线段xa长度、∠xea为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形aex中的∠exa；将∠exa与∠axb相加，即得到∠bxe；c2、当垂足点e落在线段ab外侧相对靠近点b的一侧时，通过等式2计算出线段be长度；等式2：(xa)
2-(ab be)2=(xb)
2-(be)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段be长度；在线段be长度、线段xb长度、∠xea为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形bex中的∠exb；将∠exb与∠axb相加，即得到∠bxe；c3、当垂足点e落在线段ab上时，则通过等式3计算出线段be长度；等式3：(xb)
2-(ab-ae)2=(xa)
2-(ae)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段ae长度；将线段ab长度减去线段ae长度，即得到线段be长度；在线段be长度、线段xb长度、∠bex为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形bex中的∠bxe；d、调整射线的朝向，使射线从b点向a点转动∠bxe，从而标识出了射线相对于环形平面的垂足e点；s02、确定辅助定位装置的移动路径：单独调整射线的角度，使射线从e点向下打在地面上，形成直线m；在地面上，过直线m做垂线n，将直线m沿垂线n向靠近环形平面中心的一侧平移一个线段ed长度，得到直线s，直线s即为人孔中心线在地面上的投影线，一次侧堵板装拆机器人的工作位置即处在直线s上；s03，确定一次侧堵板装拆机器人的工作位置：驱动辅助定位装置沿直线s向靠近水室的方向移动，移动过程中通过单独调节射线角度，使射线始终打在环形平面上，同时读取激光测距传感器到环形平面的距离s，当s为1450mm时，在地面上做标记，标记位置即为一次侧堵板装拆机器人的工作位置；
上述方法中，激光测距传感器的射线形成的光点从a点移动至b点，所对应的盘式电机的转动角度为∠axb，读取盘式电机的数据即可获取∠axb。
13.本发明与现有技术相比具有如下优点：其能够便捷、快速、准确的标定一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业时的工作位置，一次侧堵板装拆机器人在工作位置执行堵板作业可获得相对更大的活动范围和操作空间，有效降低了一次侧堵板装拆机器人的操作难度，提升了一次侧堵板装拆机器人的泛用性。
14.以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
15.图1为本发明在转台未锁定时的结构示意图；图2为图1的a-a剖视图；图3为图1的b-b剖视图；图4为本发明在转台锁定时的结构示意图；图5为图4的c-c剖视图；图6为本发明定位方法s01步骤的状态图；图7为本发明定位方法s01步骤c1分步骤的状态图；图8为本发明定位方法s01步骤c2分步骤的状态图；图9为本发明定位方法s01步骤c3分步骤的状态图；图10为本发明定位方法s01步骤d分步骤的状态图；图11为本发明定位方法s02步骤的状态图。
具体实施方式
16.实施例1：如图1-5所示，一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置，包括底座1、盘式电机2、激光测距传感器3和竖向转动机构。
17.底座1下端四角处设有万向轮11。
18.盘式电机2安装在底座1上，并可做水平面上的转动。
19.激光测距传感器3通过竖向转动机构安装在盘式电机2的上端，其在竖向转动机构的驱动下做竖直平面内的转动。竖向转动机构包括基座41、输出轴42、输入轴43、手柄44、转台45、齿轮a46和齿轮b47。基座41上端设有凹坑410，基座41侧壁上设有连通至凹坑410的轴孔411以及环绕轴孔411呈环形分布的多个角度锁定槽412。输出轴42水平布置活动安装在凹坑410内部，其两端支承在凹坑410的两侧壁上。输入轴43水平布置活动安装在基座41上，其一端通过设在基座41上的轴孔411伸入凹坑中，另一端通过设在基座41上的轴孔411伸出在基座41外部，其上设有沿轴向延伸的导向棱431。手柄44上设有贯通其两侧表面的插孔和连通至插孔的导向槽。手柄44通过插孔活动插装在输入轴43位于基座41外部的一端上，手柄44上的导向槽与输入轴43上的导向棱431相配合，以实现手柄44与输入轴43之间的径向定位。手柄44朝向基座41的一侧表面上设有用于与角度锁定槽412相互插接的凸棱441。手柄44沿输入轴43移动进而使其上的凸棱441插入或退出角度锁定槽412，当手柄44插入角度
锁定槽412时，输入轴43锁定在基座41上，当手柄44退出角度锁定槽412时，输入轴43相对于基座41可转动。转台45通过输出轴42可转动安装在基座41上端的凹坑410中，其上端设有用于安装激光测距传感器3的台面。齿轮a46固定安装在输出轴42上，并位于凹坑中的转台与凹坑侧壁之间；齿轮b固定安装在输入轴上，并位于凹坑中的转台与凹坑侧壁之间，并与齿轮a啮合。
20.优选，转台45下端设有凸弧面，相应的，基座41的凹坑410底部设有与所述凸弧面相吻合的凹弧面。
21.一次侧堵板装拆机器人定位方法，应用于一次侧堵板装拆机器人辅助定位装置，其用于标定一次侧堵板装拆机器人执行堵板作业时的工作位置，一次侧堵板装拆机器人处在工作位置时，具有相对更大的活动范围和操作空间。
22.所述堵板作业包含以下两类：1、一次侧堵板装拆机器人夹持一次侧堵板通过水室下端的人孔送入水室内部，并将一次侧堵板安装在相应的孔位上，最后通过人孔退出水室内部；2、一次侧堵板装拆机器人通过水室下端的人孔伸入水室内部，并在相应的孔位上拆除一次侧堵板，最后夹持一次侧堵板通过人孔退出水室内部。
23.参看图6，所述水室包括壳体；壳体内部设有内腔；壳体下端设有连通至内腔的人孔51，人孔51在靠近壳体外侧一端的孔口处设有环形平面52。
24.定位方法如下：s01，调整辅助定位装置的摆放朝向：a、将辅助定位装置摆放在水室外侧的地面上，设定激光测距传感器3所在的位置为点x，打开激光测距传感器3以发出射线，通过盘式电机2调整射线的朝向，通过竖向转动机构调整射线的角度(转动手柄44以调节激光测距传感器3发射激光的角度，调节到所需角度后，将手柄44向靠近基座41的方向推入对应的角度锁定槽412，即实现所选角度的锁定)，调整朝向时，射线相对于水平面所成的角度不会发生变化，调整角度时，射线扫过的平面为竖直平面。通过调节朝向和角度，使射线打在环形平面52的外边缘上，形成点a，再单独调整朝向，使射线打在环形平面52的另一侧外边缘上，形成点b，记录单独调整朝向时射线转动的角度∠axb；b、建立平面演算模型，在线段xa长度、线段xb长度、∠axb为已知量的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形abx中的线段ab长度；c、在线段ab长度已知的前提下，标识出线段ab的中点d，则线段ad长度和线段bd长度均为线段ab长度的1/2；过点x做线段ab的垂线，垂足为点e，以下分为三种情况计算∠bxe；c1、参看图7，当垂足点e落在线段ab外侧相对靠近点a的一侧时，通过等式1计算出线段ae长度；等式1：(xb)
2-(ab ae)2=(xa)
2-(ae)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段ae长度；在线段ae长度、线段xa长度、∠xea为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形aex中的∠exa；将∠exa与∠axb相加，即得到∠bxe；c2、参看图8，当垂足点e落在线段ab外侧相对靠近点b的一侧时，通过等式2计算出线段 be长度；等式2：(xa)
2-(ab be)2=(xb)
2-(be)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段be长度；在线段be长度、线段xb长度、∠xea为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形bex中的∠exb；将∠exb与∠axb相加，即得到∠bxe；
c3、参看图9，当垂足点e落在线段ab上时，则通过等式3计算出线段be长度；等式3：(xb)
2-(ab-ae)2=(xa)
2-(ae)2；将已知量xb、ab、xa带入等式1，即可算得线段ae长度；将线段ab长度减去线段ae长度，即得到线段be长度；在线段be长度、线段xb长度、∠bex为已知的前提下，通过余弦定理和正弦定理求解三角形bex中的∠bxe；d、参看图10，调整射线的朝向，使射线从b点向a点转动∠bxe，从而标识出了射线相对于环形平面的垂足e点。
25.s02、确定辅助定位装置的移动路径：参看图11，单独调整射线的角度，使射线从e点向下打在地面上，形成直线m；在地面上，过直线m做垂线n，将直线m沿垂线n向靠近环形平面中心的一侧平移一个线段ed长度，得到直线s，直线s即为人孔中心线在地面上的投影线，一次侧堵板装拆机器人的工作位置即处在直线s上。
26.s03，确定一次侧堵板装拆机器人的工作位置：驱动辅助定位装置沿直线s向靠近水室的方向移动，移动过程中通过单独调节射线角度，使射线始终打在环形平面上(确保打在环形平面上即可)，同时读取激光测距传感器到环形平面的距离s，当s为1450mm时，在地面上做标记，标记位置即为一次侧堵板装拆机器人的工作位置。
27.上述方法中，激光测距传感器的射线形成的光点从a点移动至b点，所对应的盘式电机的转动角度为∠axb，读取盘式电机的数据即可获取∠axb。