馬永紅，高文朋，何贇，馬其釗

（1.中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 610006；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

0 引言

切爾諾貝利核事故[1]和福島核電站泄漏事故[2]造成了巨大的環(huán)境污染和人員物資損失，使世界各國(guó)更加關(guān)注核電安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)30多年的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，目前中國(guó)已經(jīng)躋身于世界核電大國(guó)和核電強(qiáng)國(guó)之列，但隨之而來(lái)的核設(shè)施退役問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。

核設(shè)施退役是關(guān)系到人民生活生產(chǎn)、自然生態(tài)環(huán)境及國(guó)家能源保障安全的系統(tǒng)工程，因此安全的核電設(shè)施退役方式是核電可持續(xù)發(fā)展的重要保障環(huán)節(jié)[3]，也是我國(guó)大力發(fā)展核電所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，高輻射環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)基本上都采用人工操作方式，不僅智能化和自動(dòng)化程度低，而且會(huì)給作業(yè)人員的生命健康帶來(lái)極大傷害。為避免遭受致傷、致命劑量的輻射，保護(hù)核設(shè)施拆除作業(yè)人員的人身安全，拆卸機(jī)器人系統(tǒng)配以穩(wěn)定可靠的遙操作控制功能已成為最為重要的核退役裝備，其技術(shù)研究和應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國(guó)家核工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[4]。

捷克斯洛伐克共和國(guó)A-1核電站的退役工作于2007年完成，在退役工作中應(yīng)用了MT-80通用機(jī)器人和DENAR-41 長(zhǎng)臂機(jī)器人[5-6]。MT-80通用機(jī)器人主要用于核環(huán)境下工作的設(shè)備和管道的拆解、切割和回收。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)包含近端和遠(yuǎn)端，近端控制系統(tǒng)由作業(yè)人員進(jìn)行操作，遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)器人的具體操作任務(wù)。遠(yuǎn)端和近端控制系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離為3 km，能有效避免作業(yè)人員遭受輻射的傷害。為了完成地下存儲(chǔ)罐的切割、凈化等任務(wù)，A-1核電站的退役工作還應(yīng)用了DENAR-41長(zhǎng)臂機(jī)器人。該機(jī)器人集成有實(shí)時(shí)影像功能，操作人員可通過(guò)機(jī)器人配備的視頻監(jiān)控設(shè)備對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。針對(duì)核電站室內(nèi)設(shè)備剪切、拆解，水泥屏蔽墻拆毀，核廢料抓取及核原料鉛桶搬運(yùn)等任務(wù)，美國(guó)Holmhed Systems公司研制了Brokk系列遙操作機(jī)器人[7]。該機(jī)器人采用輪足工具車作為移動(dòng)平臺(tái)，搭載三自由度機(jī)械臂，末端還配備多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作，又可完成遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)。為了在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成核去污任務(wù)，J. Petereit等[8]研發(fā)了自主作業(yè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)ROBDEKON。該系統(tǒng)包括遙操作系統(tǒng)和自主作業(yè)系統(tǒng)兩部分，相機(jī)成像提供視覺(jué)反饋，運(yùn)用VR技術(shù)建立核設(shè)施周圍環(huán)境的三維模型，自主作業(yè)系統(tǒng)完成作業(yè)序列的生成及路徑優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械人高效的核去污能力。

本文針對(duì)自行研制的核退役設(shè)施拆除機(jī)器人（如圖1），包括履帶式移動(dòng)平臺(tái)、雙機(jī)械臂、轉(zhuǎn)盤及工具箱，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)遙操作主端和虛擬仿真軟件。

圖1 自研核退役設(shè)施拆除機(jī)器人

1 核退役設(shè)施拆除機(jī)器人遙操作控制框架

由于核設(shè)施處于具有高核輻射的電磁屏蔽室內(nèi)，拆除機(jī)器人需具備有線遙操作功能，并且可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像采集，操作者可根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像信息遙操作機(jī)器人對(duì)核設(shè)施進(jìn)行拆除。拆除機(jī)器人工作時(shí)處于核輻射環(huán)境，整個(gè)控制系統(tǒng)在空間上分為室內(nèi)和室外兩部分，室外部分為遙操作主端，室內(nèi)部分為遙操作從端，如圖2所示。

圖2 核設(shè)施拆除雙臂機(jī)器人遙操作控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在遙操作主端，操作者可以根據(jù)機(jī)器人虛擬仿真界面實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前機(jī)器人的構(gòu)型，是否存在自身碰撞潛在風(fēng)險(xiǎn)等，還可以通過(guò)機(jī)器人末端相機(jī)傳輸?shù)墓ぷ鳜F(xiàn)場(chǎng)視頻了解機(jī)器人末端工具與作業(yè)環(huán)境之間的位置關(guān)系，通過(guò)操作手柄直接控制機(jī)器人作業(yè)，也可以在人機(jī)交互圖形界面進(jìn)行路徑規(guī)劃并完成作業(yè)。

在遙操作從端，機(jī)器人接收來(lái)自遙操作主端的控制指令，并完成相應(yīng)操作，與此同時(shí)將機(jī)器人自身傳感器信息回傳給遙操作主端，使機(jī)器人虛擬仿真軟件可以實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人當(dāng)前構(gòu)型；還將相機(jī)采集的視頻流傳遞到遙操作主端，為操作者提供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻。

作業(yè)人員同時(shí)向真實(shí)機(jī)械臂和虛擬機(jī)械臂發(fā)送遙操作指令，仿真軟件根據(jù)遙操作指令對(duì)真實(shí)機(jī)械臂的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并可在虛擬場(chǎng)景的顯示器中顯示預(yù)測(cè)結(jié)果。操作員根據(jù)虛擬場(chǎng)景顯示器的預(yù)測(cè)情況，繼續(xù)對(duì)真實(shí)機(jī)械臂發(fā)出遙操作指令。

本遙操作控制主端主要包括遙操作軟件和機(jī)器人仿真軟件兩部分構(gòu)成，前者負(fù)責(zé)機(jī)械人運(yùn)動(dòng)控制和拆卸作業(yè)，后者負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真和碰撞檢測(cè)任務(wù)。

2 遙操作控制軟件開(kāi)發(fā)

2.1 遙操作交互軟件開(kāi)發(fā)

核電機(jī)器人遙操作控制客戶端界面如圖3所示，具體包括7個(gè)子界面：1）左機(jī)械臂基本運(yùn)動(dòng)控制和位姿狀態(tài)顯示；2）右機(jī)械臂基本運(yùn)動(dòng)控制和位姿狀態(tài)顯示；3）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角和工具狀態(tài)；4）仿真設(shè)置和虛擬碰撞檢測(cè)狀態(tài)反饋；5）虛擬碰撞檢測(cè)狀態(tài)；6）工具取放操作控制，遙編程控制和主從控制界面；7）提示信息。

圖3 機(jī)器人遙操作控制客戶端界面

遙操作交互軟件具有文件初始化配置，日志記錄和數(shù)據(jù)記錄提升軟件對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，便于問(wèn)題查找和數(shù)據(jù)分析。

2.2 虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)

核電機(jī)器人虛擬仿真客戶端利用Visual Studio 10和OpenInventor開(kāi)發(fā)。該客戶端三維視圖主要顯示機(jī)械臂相對(duì)工具箱和底盤之間位姿狀態(tài)（如圖4），以及機(jī)械臂所安裝工具狀態(tài)?？蛻舳司哂信鲎矙z測(cè)功能，顯示機(jī)器人各部件之間最小距離，用于判斷是否發(fā)生碰撞。

圖4 客戶端三維視圖

3 基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)方法

基于三維模型的碰撞檢測(cè)技術(shù)在雙臂機(jī)器人層次化遙操作安全控制中有著至關(guān)重要的作用。本文基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)方法，有效地使用三維幾何模型和關(guān)節(jié)角度信息計(jì)算機(jī)器人桿件間的距離，其流程如圖5所示。載入核退役設(shè)施拆除機(jī)器人三維幾何模型，構(gòu)建基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)模型。每個(gè)控制周期接收期望關(guān)節(jié)角度指令，通過(guò)核退役雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算各關(guān)節(jié)的變換矩陣、更新碰撞模型位置，隨后構(gòu)建和優(yōu)化碰撞檢測(cè)對(duì)，使用GJK算法計(jì)算每個(gè)碰撞對(duì)的最短距離和潛在碰撞點(diǎn)，當(dāng)任意碰撞對(duì)的距離不大于安全距離時(shí)認(rèn)為發(fā)生碰撞。

圖5 基于球掃略凸體碰撞檢測(cè)流程

3.1 球掃略凸體模型

球掃掠凸體在構(gòu)建精確碰撞檢測(cè)模型的過(guò)程中僅使用少量點(diǎn)，可大大增加碰撞監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。球掃掠凸體V（r；P）的定義如下：

半徑為r 的球體與凸體conv P的Minkowski 和構(gòu)成了球掃掠凸體V（r；P）。機(jī)器人各構(gòu)件三維模型表面上的所有點(diǎn)可通過(guò)調(diào)整球掃掠體凸體的點(diǎn)集和半徑以最小體積進(jìn)行包絡(luò)。

每個(gè)控制周期機(jī)器人接收新的期望關(guān)節(jié)角度，各關(guān)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，包圍機(jī)器人的碰撞檢測(cè)模型也要隨之運(yùn)動(dòng)。因此需要根據(jù)期望關(guān)節(jié)角度和核退役設(shè)施拆除機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)時(shí)計(jì)算新的坐標(biāo)。

假設(shè)在前一個(gè)控制周期中核退役設(shè)施拆除機(jī)器人第i個(gè)構(gòu)件相對(duì)于基坐標(biāo)系的球掃略凸體模型為bVi（ri，Pi），而當(dāng)前控制周期的球掃略凸體模型為bVi′（ri，Pi）。Ti是當(dāng)前控制周期中構(gòu)件i的坐標(biāo)系對(duì)于前一個(gè)控制周期的變換矩陣。因此更新碰撞檢測(cè)模型bVi′（ri，Pi）可以通過(guò)如下公式獲得：

3.2 碰撞檢測(cè)的優(yōu)化

3.3 基于GJK算法的碰撞檢測(cè)

作為一種基于單形體的下降算法，GJK迭代算法通過(guò)輸入任意兩個(gè)凸體的頂點(diǎn)集，計(jì)算凸體間的歐式距離和最近點(diǎn)。該算法基于凸體A和B的間距等于凸體A和B的Minkowski差C＝A⊕（－B）與原點(diǎn)之間距離的原理，從而將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解凸體C距原點(diǎn)的最近點(diǎn)。但算法并不顯式地計(jì)算Minkowski差，只是通過(guò)支撐映射函數(shù)抽樣選取Minkowski差頂點(diǎn)集。

為在Minkowski差C中搜索距原點(diǎn)最近的點(diǎn)，GJK算法將在Minkowski差C中構(gòu)建最多由d＋1（d表示維度）個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的單形體，若原點(diǎn)包含于當(dāng)前單形體中，則凸體A和B相交且算法結(jié)束；否則，更新集合Q形成一個(gè)新的單形體，其所含頂點(diǎn)比舊的單形體更接近原點(diǎn)，直到集合Q包含距原點(diǎn)最近的點(diǎn)，最后通過(guò)Q中的最小范數(shù)頂點(diǎn)給出二者的最小間距。GJK算法步驟顯示了集合Q的更新方式：1）使用Minkowski差C中d＋1頂點(diǎn)初始化單形體集合Q＝｛Q0，Q1，Q2｝；2）計(jì)算CH（Q）中具體最小范數(shù)的頂點(diǎn)P；3）如果P為原點(diǎn)，則原點(diǎn)位于Minkowski差C中，返回“A和B相交”；4）將Q減至其最小子集Q′＝｛Q1，Q2｝，并使P∈CH（Q′）；5）令V＝SC（－P）＝SA（－P）－SB（P）為－P方向上的支撐點(diǎn)；6）若點(diǎn)V在方向－P上并非極值點(diǎn)，則返回“A和B不相交”，且距離為‖P‖；7）否則將點(diǎn)V添加至集合Q中并返回步驟2）。

球掃掠凸體的基本圖元是凸體，具備凸體的特性，因此針對(duì)凸體的GJK算法很容易應(yīng)用到球掃掠凸體上。例如：由點(diǎn)集Pi、Pj定義的凸體conv Pi和conv Pj，則兩凸體的最短距離為

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由于核退役設(shè)施拆除機(jī)器人與操作者在空間分離，操作者通過(guò)遙操作方式控制機(jī)器人作業(yè)時(shí)需要實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人自身狀態(tài)信息和機(jī)器人作業(yè)環(huán)境信息。如圖6所示，本文設(shè)計(jì)的控制臺(tái)具有6個(gè)顯示器，分別用于顯示機(jī)械臂末端相機(jī)和底盤上安裝的相機(jī)回傳的作業(yè)環(huán)境視頻、遙操作客戶端界面、機(jī)器人虛擬仿真界面和工具箱界面，為操作者實(shí)時(shí)提供全面信息，引導(dǎo)操作者控制機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)。

圖6 核退役設(shè)施拆除機(jī)器人控制臺(tái)

4.1 工具取放操作試驗(yàn)及結(jié)果

本文所研制的核退役設(shè)施拆除機(jī)器人集成工具箱，機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中可以根據(jù)需要在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成工具替換操作，可以顯著提高作業(yè)效率。工具取放操作是機(jī)械臂末端從位于固定在底盤后端的工具箱中取放指定工具（包括夾持、剪切、電鉆、鋸切、割炬等5個(gè)工具）的操作。該操作首先采用遙編程控制模式提供示教功能完成機(jī)械臂取放工具過(guò)程中路徑點(diǎn)規(guī)劃和記錄。在完成機(jī)器人示教操作之后，操作者只需根據(jù)工作步驟在操作界面點(diǎn)擊不同按鈕，控制機(jī)械臂到達(dá)指定位置并完成工具的取放操作，如圖7所示。

圖7 機(jī)械臂取工具

圖8 機(jī)器人在1:1模擬環(huán)境中進(jìn)行鋸切作業(yè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所研制的核退役設(shè)施拆除機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)精確的工具取放操作，取放工具過(guò)程中機(jī)械臂末端平均定位精度小于1.0 mm，平均取放時(shí)間為10 min。

4.2 工具作業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果

為了對(duì)核退役設(shè)施拆除機(jī)器人的功能進(jìn)行驗(yàn)證，本文根據(jù)真實(shí)作業(yè)環(huán)境搭建1:1模擬作業(yè)環(huán)境，分別驗(yàn)證機(jī)器人在遙操作情況下完成夾持、剪切、電鉆、鋸切、割炬等核退役設(shè)施拆除的基本操作任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，操作者根據(jù)視頻提供的工具與作業(yè)環(huán)境視頻，采用本文提供的多種控制模式相組合的方式可以成功完成上述作業(yè)。圖8顯示了機(jī)器人左臂完成夾持操作，右臂完成切割操作。

5 結(jié)論

本文針對(duì)所研制的核退役設(shè)施拆除機(jī)器人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人遙操作的主端和虛擬仿真軟件，使操作者可以根據(jù)機(jī)械臂末端提供的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻，遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人完成拆除核退役設(shè)施的基本操作。未來(lái)，將針對(duì)真實(shí)作業(yè)環(huán)境開(kāi)展作業(yè)能力測(cè)試，提升其對(duì)環(huán)境智能感知能力以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主操作。