核反应堆压力容器检测机械手控制系统的制作方法

1.本发明属于机械手控制设备技术领域，涉及一种控制系统，特别是涉及一种核反应堆压力容器检测机械手控制系统。


背景技术：

2.反应堆压力容器(reactor pressure vessel,rpv)是用来固定、支承和包容核燃料及所有堆内构件的重要部件，不同于其他核安全1级设备需要更换，在核电厂整个寿命期间，反应堆压力容器都无法进行更换，因此，其质量是保证核动力系统正常、安全运行的关键。反应堆压力容器上的多个焊缝是检查时候的重点对象，其状况关系着整个反应堆压力容器的健康状况。核反应压力容器专用机器人属于核电机器人，相比于一般的工业机器人，有很多特殊的技术要求，这些技术一直是各国核电机器人研究的重点。但是，现有机械手控制系统存在软硬件集成封闭、功能单一、智能化不足等问题。
3.因此，如何提供一种核反应堆压力容器检测机械手控制系统，以解决现有技术存在软硬件集成封闭、功能单一、智能化不足等缺陷，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种核反应堆压力容器检测机械手控制系统，用于解决现有技术存在软硬件集成封闭、功能单一、智能化不足的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种核反应堆压力容器检测机械手控制系统，包括：机械手；远程控制端，用于给定所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统的工作参数和任务路径，控制机械手关节位置电机，同时产生指令信号；及本地控制端，包括位于位置控制层的运动控制器、位于速度控制层的主控芯片及位于电流控制层的驱动器；其中，所述运动控制器用于根据所述任务路径规划运动路径，控制机械手关节的位置，接收所述机械手的位置反馈，同时产生速度指令信号；所述主控芯片用于解码机械手关节处的旋转变压器，控制机械手关节的速度环，接收所述机械手的速度反馈，并接收上位机发送的控制指令，产生电流环控制指令，并监控所述驱动器的工作状态；所述驱动器用于驱动所述机械手，并对所述机械手进行电流控制，接收所述机械手的电流反馈。
6.于本发明的一实施例中，位于位置控制层的运动控制器与位于速度控制层的主控芯片之间的通讯方式采用io控制信号、模拟信号、总线三者结合的方式；其中，io控制信号的通讯方式包含电流层和速度控制层工作状态的监控、固高控制器的使能指令；模拟信号的通讯方式接收位置控制层速度指令；总线的通讯方式在位置控制层需要机械手关节的绝对位置时，通过rs422总线返回关节的绝对位置。
7.于本发明的一实施例中，位于速度控制层的主控芯片及与位于电流控制层的驱动器之间的通讯方式采用io控制信号、模拟信号、总线三者结合的方式；其中，io控制信号的
通讯方式完成线性放大器的使能、接收线性放大器失效信号；模拟信号的通讯方式由速度控制层的pid控制器产生电流控制的模拟信号；总线的通讯方式获取驱动器中线性放大器错误类型。
8.于本发明的一实施例中，所述运动控制器为所述远程控制端提供控制所述机械手的运动接口和与所述驱动器的连接接口。
9.于本发明的一实施例中，所述驱动器包括pwm驱动器和线性放大器驱动器；当机械手在调试运行是，采用pwm驱动器进行驱动；当机械手携带端部效应器进行作业时，采用线性放大器进行驱动。
10.于本发明的一实施例中，所述主控芯片包括：旋转解码模块，用于对机械手关节位置处的旋转变压器进行解码；控制模块，用于控制机械手的关节速度环，并通过所述关节速度环产生电流指令；位置层接口模块，用于接收位置控制层所述运动控制器发送的位置指令；电流层接口模块，用于将所述关节速度环产生电流指令进行d/a转换后的模拟量输入线性放大器的控制电机，对线性放大器的使能信息进行控制，并接收线性放大器的故障信号。
11.于本发明的一实施例中，所述旋转解码模块对机械手的关节电机做位置闭环控制，通过关节电机的双旋转变压器获取电机转子位置测量值和关键轴转动位置，并反馈其差值，使机械手的关节电机控制模块输出的模拟量对电机进行控制，分别对应关节电机的正向最大速度和反向最大速度。
12.于本发明的一实施例中，所述位置层接口模块将差分信号转换为单端信号，并将所述单端信号经过16位的a/d转换转变为数字量；同时扩张8位输入数字接口和8位输出数字接口作为信息交换，以使光耦隔离。
13.于本发明的一实施例中，所述主控芯片还包括：电源模块，用于为所述主控芯片提供内核电源。
14.于本发明的一实施例中，所述远程控制端和所述本地控制端通过tcp/ip进行通信。
15.如上所述，本发明所述的核反应堆压力容器检测机械手控制系统，具有以下有益效果：
16.第一，本发明可使工作人员处于远离(距离≥50m)核反应堆的核安全岛内对机器人进行远程控制，主要完成：作业任务种类的选择、模拟作业路径、机器人状态的实时监测、机器人运动指令的下达；
17.第二，通过本发明工作人员可以在作业区域附近对机器人简单的位置、速度控制，用于调试机器人；
18.第三，远程控制端具备优秀的用户交互接口，完成机器人模型的显示、监测，任务模拟，文件处理等任务；
19.第四，本地控制端可完成基本的运动控制，完成运动控制、机器人状态显示、作业日志的记录等工；
20.第五，当机械手正式作业为水下环境，此时机械手的动力电流应很稳定，不能使用pwm驱动器来驱动；本控制系统采用pwm驱动和线性放大器驱动两种驱动方式并存，可针对不同使用环境进行最佳驱动控制方式切换；
21.第六，机器人工作区域为核反应堆的压力反应容器内，其内部为含有强烈放射性
的水环境，此环境下机器人本体及内部部件应具备很好的抗辐射能力。
附图说明
22.图1显示为本发明的应用场景示意图。
23.图2显示为本发明的核反应堆压力容器检测机械手控制系统于一实施例中的原理结构示意。
24.图3显示为本发明的机械手关节电机的控制流程示意图。
25.图4显示为本发明的8轴运动控制器与相应端子板的连接示意图。
26.图5显示为本发明的速度控制层的主控芯片的结构示意图。
27.图6显示为本发明的机械手各关节旋变解码方式示意图。
28.元件标号说明
[0029]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
核反应堆压力容器检测机
[0030]
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械手控制系统
[0031]
21
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远程控制端
[0032]
22
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本地控制端
[0033]
23
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机械手
[0034]
221
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运动控制器
[0035]
222
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主控芯片
[0036]
223
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驱动器
[0037]
231
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pwm驱动器
[0038]
232
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
线性放大器驱动器
具体实施方式
[0039]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0041]
本实施例提供一种核反应堆压力容器检测机械手控制系统，包括：
[0042]
机械手；
[0043]
远程控制端，用于给定所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统的工作参数和任务路径，控制机械手关节位置电机，同时产生指令信号；及
[0044]
本地控制端，包括位于位置控制层的运动控制器、位于速度控制层的主控芯片及位于电流控制层的驱动器；
[0045]
其中，所述运动控制器用于根据所述任务路径规划运动路径，控制机械手关节的
位置，接收所述机械手的位置反馈，同时产生速度指令信号；
[0046]
所述主控芯片用于解码机械手关节处的旋转变压器，控制机械手关节的速度环，接收所述机械手的速度反馈，并接收上位机发送的控制指令，产生电流环控制指令，并监控所述驱动器的工作状态；
[0047]
所述驱动器用于驱动所述机械手，并对所述机械手进行电流控制，接收所述机械手的电流反馈。
[0048]
以下将结合图示对本实施例所提供的核反应堆压力容器检测机械手控制系统进行详细描述。本实施例所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统应用于如图1所示的场景，用于核电厂换料大修期间针对核反应压力容器的焊缝检测任务的需求。在这种模式下，操作人员置于闭环之外，不需要持续监视机器人工作，只需要保证输入指令的正确性；另外，在执行端的开发时，可以加入执行端的本地智能处理，屏蔽来自操作人员的误操作。
[0049]
请参阅图2，显示为核反应堆压力容器检测机械手控制系统于一实施例中的原理结构示意。如图2所示，所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统2包括远程控制端21、本地控制端22、机械手23。考虑到本项目焊缝检测机器人的使用特点及需求特点，所述本地控制端22包括位于位置控制层的运动控制器221、位于速度控制层的主控芯片222及位于电流控制层的驱动器223。
[0050]
在本实施例中，位于位置控制层的运动控制器21与位于速度控制层的主控芯片22之间的通讯方式采用io控制信号、模拟信号、总线三者结合的方式；其中，io控制信号的通讯方式包含电流层和速度控制层工作状态的监控、固高控制器的使能指令；模拟信号的通讯方式接收位置控制层速度指令；总线的通讯方式在位置控制层需要机械手关节的绝对位置时，通过rs422总线返回关节的绝对位置。
[0051]
在本实施例中，位于速度控制层的主控芯片22及与位于电流控制层的驱动器23之间的通讯方式采用io控制信号、模拟信号、总线三者结合的方式；其中，io控制信号的通讯方式完成线性放大器的使能、接收线性放大器失效信号；模拟信号的通讯方式由速度控制层的pid控制器产生电流控制的模拟信号；总线的通讯方式获取驱动器中线性放大器错误类型。
[0052]
在本实施例中，所述远程控制端21用于给定所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统的工作参数和任务路径，控制机械手关节位置电机，同时产生指令信号。
[0053]
在本实施例中，所述远程控制端21是操作者的操作端，是系统主要的人机交互端。
[0054]
在控制任务划分中，远程控制端承担任务级轨迹规划。在反应堆压力容器中，存在柱面坐标系、球面坐标系、机器人关节坐标系、世界坐标系等多个坐标系，用户操控机器人运动时，通常是指定机器人按照某个坐标系中某个方向运动。远程控制端将需要按照不同的坐标系运动，转化为到机器人关节空间中的控制量。当用户指定沿世界坐标系方向进行位置移动时，远程控制端通过机器人的逆运动学解法，求得关节空间中的等效位置，并对本地控制端进行控制；当用户指定速度运动时，远程控制端需要利用雅可比矩阵，将速度进行相应的转化。
[0055]
远程控制端作为用户交互端，允许用户选取所要进行的扫查任务，并以三维方式呈现机器人以及反应堆压力容器，使用户能够进行任务轨迹的检验，避免发生碰撞、姿态误差过大等情况。在用户确认任务扫查轨迹正确后，远程控制端生成相应的运动指令，控制本
地控制端运动。
[0056]
机器人进行不同位置焊缝扫查，所使用的焊缝无损检测设备——端部效应器有一定差别，且机器人的运动配置参数也不同。远程控制端自动根据用户选取的任务，更换相应的端部效应器模型，并载入不同的控制参数。
[0057]
在机器人运动过程中，用户需要通过远程控制端监控机器人的状态，比如末端位置、末端速度、各关节电机扭矩。远程控制端提供机器人状态的直观反映。当机器人处于安全工作区域以外，或者关节速度超限，或者由于机器人碰撞等造成关节扭矩超限时，远程操作端提示机器人的异常报警状态。
[0058]
由于反应堆压力容器的安全级别要求很高，需要对机器人的操作进行记录，包括每一次自动扫查、手动操作、机器人状态信息、异常报警信息。远程控制端将这些信息以日志文件的形式记录，作为反应堆压力容器检修的日志记录。
[0059]
远程控制端位于安全岛内，距离本地控制端较远，核电站的通信环境恶劣，因而需要选取可靠的通信方式完成两者之间的通信。远程控制端向本地控制端发送运动控制指令，本地控制端也持续向远程控制端报告机器人的状态信息。两者之间采用了tcp/ip通信方式，以在远程控制端21和本地控制端22之间建立可靠的通信连接。
[0060]
在本实施例中，所述本地控制端22包括运动控制器221、主控芯片222及驱动器223。请参阅图3，显示为机械手关节电机的控制流程。如图3所示，本地控制端22是机械运动的直接控制者，位于机器人本体附近，承担主要的运动控制任务。本地控制端22完成机械的位置环、速度环、电流环控制。
[0061]
在本实施例中，所述运动控制器221用于根据所述任务路径规划运动路径，控制机械手关节的位置，接收所述机械手的位置反馈，同时产生速度指令信号。所述运动控制器为所述远程控制端提供控制所述机械手的运动接口和与所述驱动器的连接接口。
[0062]
具体地，所述运动控制器221采用嵌入式多轴运动控制器，在其基础上进行开发位置控制层软件，一方面承担运动控制中的位置控制任务，另一方面，作为本地控制端的上层，为用户提供直接控制机器人运动的接口。该运动控制器支持8轴运动控制，对应实施例机器人本体的六关节机器人，和控制摄像头的附加轴以及用于无损检测的超声扫查器，gt2-800-acc2端子板是与八轴运动控制器配套的硬件接线口，可以方便地实现运动控制器与下位机驱动器的连接。请参阅图4，显示为8轴运动控制器与相应端子板的连接示意图。如图4所示，嵌入式多轴运动控制器的1-7轴输出模拟量，通过图6中cn1-cn7通道输出，用作机械手的1-6关节和摄像头的位置控制量；8轴输出脉冲量，用作外部轴电机的位置控制量，8轴输出的脉冲控制量直接转至速度层电路板的脉冲输出接口，连接至端部效应器，作为端部效应器的激励脉冲信。
[0063]
所述主控芯片222用于解码机械手关节处的旋转变压器，控制机械手关节的速度环，接收所述机械手的速度反馈，并接收上位机发送的控制指令，产生电流环控制指令，并监控所述驱动器的工作状态。速度控制层采用fgpa作为主控芯片，用于完成机器人关节旋转变压器的解码、机器人关节速度环的控制、监控驱动控制器的工作状态并上报给位置层。速度控制层的主控芯片的结构示意图如图5所示。所述主控芯片222包括电源模块、旋转解码模块、控制模块、位置层接口模块(即上位机接口模块)、电流层接口模块(即下位机接口模块)。
[0064]
所述电源模块用于为所述主控芯片提供内核电源。
[0065]
具体地，电源模块产生多路直流电源，首先由24伏直流电源产生 5v和
±
12v直流电源。 5v直流电源采用hzd10c-48s05w隔离电源模块，
±
12v直流电源采用hzd10c-48d15w隔离电源模块，电源模块的输入电压范围为18v到72v。3.3v、1.2v和2.5v的直流电源由ldo电路产生。3.3v的电源由tps75733ktt产生，电流1a，供电给fpga的io口电源。1.2v的电源由芯片ld1117s12tr产生，电流0.5a，供电给fpga的内核电源。2.5v的直流电源由芯片lm1117s25芯片产生，供电给fpga的pll模块。
[0066]
所述旋转解码模块用于对机械手关节位置处的旋转变压器进行解码。
[0067]
所述旋转解码模块对机械手六个关节的12个旋转变压器进行解码。关节端的旋转变压器用于位置控制层的位置控制，fpga读取绝对位置的同时，关节端旋变产生的a,b,z增量信号送到位置控制层，电机端的旋转变压器用于速度环的控制。对机械手关节位置的旋变解码采用旋转变压器解码器芯片ad2s1210，解码分辨率16位，具有-40℃～125℃的工业级产品。ad2s1210和dsp的接口采用spi接口的方式，和fpga之间的通讯只有4根线，布线更方便。
[0068]
请参阅图6，显示为机械手各关节旋变解码方式示意图。如图6所示，所述旋转解码模块对机械手的关节电机做位置闭环控制，通过关节电机的双旋转变压器获取电机转子位置测量值和关键轴转动位置，并反馈其差值，使机械手的关节电机控制模块输出的模拟量对电机进行控制，分别对应关节电机的正向最大速度和反向最大速度。
[0069]
所述控制模块(即fpga模块)用于控制机械手的关节速度环，并通过所述关节速度环产生电流指令。
[0070]
具体地，所述控制模块对于电机旋变生成的16位增量式编码器信号进行差分，获得速度反馈量，利用此速度值进行pid运算。
[0071]
具体地，位置控制层接口中fpga引脚中的定两个a/d分别占用4个引脚，enable信号和reset信号占用两个输入口，其余6个输入口备用，输出口1到4用来定义错误类型，输出口8用来报警信号引脚，rs232占用两个io口。扩展2路spi接口完成da转换，通用输入口接收线性放大的fault信号，通用输出使能线性放大器，同时扩展4路rs232用于和线性放大通讯。
[0072]
所述位置层接口模块(上位机接口模块)用于接收位置控制层所述运动控制器发送的位置指令，输入电压幅值为
±
10v，对应电机的最大速度。首先把差分信号转换为单端信号，经过16位的a/d转换转变为数字量；同时扩张8位输入数字接口和8位输出数字接口作为信息交换，具有光耦隔离功能。关节端的旋转变压器解码的增量信号经过单端转差分信号送到位置控制层。
[0073]
解码及速度控制层与位置控制层的接口主要包含以下信号如表1。
[0074]
表1：速度控制层与位置控制层接口信号
[0075][0076]
从ad2s1210输出的增量信号a,b,nm要经过mc3487转换为差分信号传输到固高控制器，单端转差分的电路图如图6所示。
[0077]
fpga的输出输入io口经过隔离接收和发送数字io信号，输出的电路图如图6所示，集电极开路输出。输入的电路图如图6所示。光电耦合的型号为hcpl2630s。
[0078]
a/d转换芯片采用ad公司的ad7605-4芯片，转换器和fpga的接口是spi，具有16位分辨率的转换精度。
[0079]
所述电流层接口模块(下位机接口模块)用于将所述关节速度环产生电流指令进行d/a转换后的模拟量输入线性放大器的控制电机，对线性放大器的使能信息进行控制，并接收线性放大器的故障信号。
[0080]
具体地，速度层和电流层包括pwm接口模块和trust的线性放大器接口。速度控制环产生的电流指令经过d/a转换转变为模拟量送到线性放大器控制电机电流，同时对线性放大器的enable信号进行控制，并接收线性放大器的fault信号，对每个线性放大器扩展一个rs232接口接收线性放大器报错信息。电流层接口模块的接口信号如表2所示。
[0081]
表2：速度层与电流层接口信号
[0082][0083]
电流层接口模块完成和trust线性放大器的接口，d/a转换器采用ad公司的ad5765芯片，芯片具有16位的转换分辨率，spi总线和fpga通讯。da转换后的电信号，经过由opa4277组成的单端转差分电路变成差分信号送到线性放大器，下位机的数字io信号经过光电耦合隔离，光电耦合采用hcpl2630s。为了保存pid参数、产品信息等系统参数，扩展一片串行eeprom存储器at25128器件，128kb空间，采用spi口通讯。
[0084]
所述驱动器223用于驱动所述机械手，并对所述机械手进行电流控制，接收所述机械手的电流反馈。如图2所示，所述驱动器223包括pwm驱动器223a和线性放大器驱动器223b；当机械手在调试运行是，采用pwm驱动器231进行驱动；当机械手携带端部效应器进行作业时，采用线性放大器232进行驱动。
[0085]
所述控制系统的电流层采用了pwm驱动和线性放大器驱动两种驱动方式并存。pwm驱动模式时，使用直流伺服驱动器进行驱动，驱动器固定插入于安装板上，组成驱动器模块，通过driveware软件进行配置其工作模式、状态查看、上下使能等操作。pwm脉宽调制驱动器通过调节电能的脉冲宽度来实现电流的控制，进而实现电机旋转的控制，具有高效、高
智能化、小体积、功率大等优点，是比较常见的驱动器。通过晶体管的高速通断可以实现脉冲宽度的调节。晶体管开关高速通断的频率范围一般为20k-30m，会使电流中出现高频噪声。在该系统中，焊缝的扫查具体是通过端部效应器实现的，端部效应器原理为超声检测系统，其超声信号极易受到各种噪声的干扰。pwm驱动器所产生的高频电磁噪声会严重干扰着超声检测系统，使得检测效率大大降低。因此，携带端部效应器进行焊缝无损检测时应使用线性放大器完成电流层控制，不过线性放大器的功率相比于pwm驱动较低。
[0086]
当机械手携带端部效应器进行作业时，采用线性放大器进行驱动。线性放大器采用线性伺服驱动器，线性放大器接收速度控制层的
±
10v模拟控制量，输出电流对伺服电机进行控制。
[0087]
综上所述，本发明所述核反应堆压力容器检测机械手控制系统具有以下有益效果：
[0088]
第一，本发明可使工作人员处于远离(距离≥50m)核反应堆的核安全岛内对机器人进行远程控制，主要完成：作业任务种类的选择、模拟作业路径、机器人状态的实时监测、机器人运动指令的下达；
[0089]
第二，通过本发明工作人员可以在作业区域附近对机器人简单的位置、速度控制，用于调试机器人；
[0090]
第三，远程控制端具备优秀的用户交互接口，完成机器人模型的显示、监测，任务模拟，文件处理等任务；
[0091]
第四，本地控制端可完成基本的运动控制，完成运动控制、机器人状态显示、作业日志的记录等工；
[0092]
第五，当机械手正式作业为水下环境，此时机械手的动力电流应很稳定，不能使用pwm驱动器来驱动；本控制系统采用pwm驱动和线性放大器驱动两种驱动方式并存，可针对不同使用环境进行最佳驱动控制方式切换；
[0093]
第六，机器人工作区域为核反应堆的压力反应容器内，其内部为含有强烈放射性的水环境，此环境下机器人本体及内部部件应具备很好的抗辐射能力。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
[0094]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。