面向核退役設施拆除的機器人遙操作系統設計及實現研究

馬永紅，高文朋，何贇，馬其釗

（1.中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 610006；2. 哈爾濱工業大學，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]造成了巨大的環境污染和人員物資損失，使世界各國更加關注核電安全問題。經過30多年的能源結構轉型，目前中國已經躋身于世界核電大國和核電強國之列，但隨之而來的核設施退役問題也日趨嚴重。

核設施退役是關系到人民生活生產、自然生態環境及國家能源保障安全的系統工程，因此安全的核電設施退役方式是核電可持續發展的重要保障環節[3]，也是我國大力發展核電所面臨的嚴峻挑戰。目前，高輻射環境下的作業任務基本上都采用人工操作方式，不僅智能化和自動化程度低，而且會給作業人員的生命健康帶來極大傷害。為避免遭受致傷、致命劑量的輻射，保護核設施拆除作業人員的人身安全，拆卸機器人系統配以穩定可靠的遙操作控制功能已成為最為重要的核退役裝備，其技術研究和應用已成為衡量一個國家核工業發展水平的重要標志[4]。

捷克斯洛伐克共和國A-1核電站的退役工作于2007年完成，在退役工作中應用了MT-80通用機器人和DENAR-41 長臂機器人[5-6]。MT-80通用機器人主要用于核環境下工作的設備和管道的拆解、切割和回收。該機器人的控制系統包含近端和遠端，近端控制系統由作業人員進行操作，遠端控制系統執行機器人的具體操作任務。遠端和近端控制系統的最遠通信距離為3 km，能有效避免作業人員遭受輻射的傷害。為了完成地下存儲罐的切割、凈化等任務，A-1核電站的退役工作還應用了DENAR-41長臂機器人。該機器人集成有實時影像功能，操作人員可通過機器人配備的視頻監控設備對作業環境進行實時觀察。針對核電站室內設備剪切、拆解，水泥屏蔽墻拆毀，核廢料抓取及核原料鉛桶搬運等任務，美國Holmhed Systems公司研制了Brokk系列遙操作機器人[7]。該機器人采用輪足工具車作為移動平臺，搭載三自由度機械臂，末端還配備多種執行機構，既可實現現場操作，又可完成遠距離遙控作業。為了在非結構化環境中完成核去污任務，J. Petereit等[8]研發了自主作業移動機器人系統ROBDEKON。該系統包括遙操作系統和自主作業系統兩部分，相機成像提供視覺反饋，運用VR技術建立核設施周圍環境的三維模型，自主作業系統完成作業序列的生成及路徑優化，以實現機械人高效的核去污能力。

本文針對自行研制的核退役設施拆除機器人（如圖1），包括履帶式移動平臺、雙機械臂、轉盤及工具箱，設計并實現遙操作主端和虛擬仿真軟件。

圖1 自研核退役設施拆除機器人

1 核退役設施拆除機器人遙操作控制框架

由于核設施處于具有高核輻射的電磁屏蔽室內，拆除機器人需具備有線遙操作功能，并且可實現現場環境圖像采集，操作者可根據作業現場實時圖像信息遙操作機器人對核設施進行拆除。拆除機器人工作時處于核輻射環境，整個控制系統在空間上分為室內和室外兩部分，室外部分為遙操作主端，室內部分為遙操作從端，如圖2所示。

圖2 核設施拆除雙臂機器人遙操作控制系統體系結構

在遙操作主端，操作者可以根據機器人虛擬仿真界面實時觀察當前機器人的構型，是否存在自身碰撞潛在風險等，還可以通過機器人末端相機傳輸的工作現場視頻了解機器人末端工具與作業環境之間的位置關系，通過操作手柄直接控制機器人作業，也可以在人機交互圖形界面進行路徑規劃并完成作業。

在遙操作從端，機器人接收來自遙操作主端的控制指令，并完成相應操作，與此同時將機器人自身傳感器信息回傳給遙操作主端，使機器人虛擬仿真軟件可以實時顯示現場機器人當前構型；還將相機采集的視頻流傳遞到遙操作主端，為操作者提供現場作業視頻。

作業人員同時向真實機械臂和虛擬機械臂發送遙操作指令，仿真軟件根據遙操作指令對真實機械臂的運行情況進行預測，并可在虛擬場景的顯示器中顯示預測結果。操作員根據虛擬場景顯示器的預測情況，繼續對真實機械臂發出遙操作指令。

本遙操作控制主端主要包括遙操作軟件和機器人仿真軟件兩部分構成，前者負責機械人運動控制和拆卸作業，后者負責機器人運動仿真和碰撞檢測任務。

2 遙操作控制軟件開發

2.1 遙操作交互軟件開發

核電機器人遙操作控制客戶端界面如圖3所示，具體包括7個子界面：1）左機械臂基本運動控制和位姿狀態顯示；2）右機械臂基本運動控制和位姿狀態顯示；3）轉盤轉角和工具狀態；4）仿真設置和虛擬碰撞檢測狀態反饋；5）虛擬碰撞檢測狀態；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，日志記錄和數據記錄提升軟件對環境變化的適應性，便于問題查找和數據分析。

2.2 虛擬仿真軟件開發

核電機器人虛擬仿真客戶端利用Visual Studio 10和OpenInventor開發。該客戶端三維視圖主要顯示機械臂相對工具箱和底盤之間位姿狀態（如圖4），以及機械臂所安裝工具狀態。客戶端具有碰撞檢測功能，顯示機器人各部件之間最小距離，用于判斷是否發生碰撞。

圖4 客戶端三維視圖

3 基于球掃掠凸體的碰撞檢測方法

基于三維模型的碰撞檢測技術在雙臂機器人層次化遙操作安全控制中有著至關重要的作用。本文基于球掃掠凸體的碰撞檢測方法，有效地使用三維幾何模型和關節角度信息計算機器人桿件間的距離，其流程如圖5所示。載入核退役設施拆除機器人三維幾何模型，構建基于球掃掠凸體的碰撞檢測模型。每個控制周期接收期望關節角度指令，通過核退役雙臂機器人運動學計算各關節的變換矩陣、更新碰撞模型位置，隨后構建和優化碰撞檢測對，使用GJK算法計算每個碰撞對的最短距離和潛在碰撞點，當任意碰撞對的距離不大于安全距離時認為發生碰撞。

圖5 基于球掃略凸體碰撞檢測流程

3.1 球掃略凸體模型

球掃掠凸體在構建精確碰撞檢測模型的過程中僅使用少量點，可大大增加碰撞監測的實時性。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 和構成了球掃掠凸體V（r；P）。機器人各構件三維模型表面上的所有點可通過調整球掃掠體凸體的點集和半徑以最小體積進行包絡。

每個控制周期機器人接收新的期望關節角度，各關節發生運動，包圍機器人的碰撞檢測模型也要隨之運動。因此需要根據期望關節角度和核退役設施拆除機器人的正運動學實時計算新的坐標。

假設在前一個控制周期中核退役設施拆除機器人第i個構件相對于基坐標系的球掃略凸體模型為bVi（ri，Pi），而當前控制周期的球掃略凸體模型為bVi′（ri，Pi）。Ti是當前控制周期中構件i的坐標系對于前一個控制周期的變換矩陣。因此更新碰撞檢測模型bVi′（ri，Pi）可以通過如下公式獲得：

3.2 碰撞檢測的優化

3.3 基于GJK算法的碰撞檢測

作為一種基于單形體的下降算法，GJK迭代算法通過輸入任意兩個凸體的頂點集，計算凸體間的歐式距離和最近點。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）與原點之間距離的原理，從而將問題轉化為求解凸體C距原點的最近點。但算法并不顯式地計算Minkowski差，只是通過支撐映射函數抽樣選取Minkowski差頂點集。

為在Minkowski差C中搜索距原點最近的點，GJK算法將在Minkowski差C中構建最多由d＋1（d表示維度）個頂點構成的單形體，若原點包含于當前單形體中，則凸體A和B相交且算法結束；否則，更新集合Q形成一個新的單形體，其所含頂點比舊的單形體更接近原點，直到集合Q包含距原點最近的點，最后通過Q中的最小范數頂點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頂點初始化單形體集合Q＝｛Q0，Q1，Q2｝；2）計算CH（Q）中具體最小范數的頂點P；3）如果P為原點，則原點位于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；6）若點V在方向－P上并非極值點，則返回“A和B不相交”，且距離為‖P‖；7）否則將點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，因此針對凸體的GJK算法很容易應用到球掃掠凸體上。例如：由點集Pi、Pj定義的凸體conv Pi和conv Pj，則兩凸體的最短距離為

4 實驗及結果

由于核退役設施拆除機器人與操作者在空間分離，操作者通過遙操作方式控制機器人作業時需要實時掌握機器人自身狀態信息和機器人作業環境信息。如圖6所示，本文設計的控制臺具有6個顯示器，分別用于顯示機械臂末端相機和底盤上安裝的相機回傳的作業環境視頻、遙操作客戶端界面、機器人虛擬仿真界面和工具箱界面，為操作者實時提供全面信息，引導操作者控制機器人完成作業任務。

圖6 核退役設施拆除機器人控制臺

4.1 工具取放操作試驗及結果

本文所研制的核退役設施拆除機器人集成工具箱，機器人在作業過程中可以根據需要在作業現場完成工具替換操作，可以顯著提高作業效率。工具取放操作是機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械臂取放工具過程中路徑點規劃和記錄。在完成機器人示教操作之后，操作者只需根據工作步驟在操作界面點擊不同按鈕，控制機械臂到達指定位置并完成工具的取放操作，如圖7所示。

圖7 機械臂取工具

圖8 機器人在1:1模擬環境中進行鋸切作業

實驗結果表明，本文所研制的核退役設施拆除機器人可實現精確的工具取放操作，取放工具過程中機械臂末端平均定位精度小于1.0 mm，平均取放時間為10 min。

4.2 工具作業試驗及結果

為了對核退役設施拆除機器人的功能進行驗證，本文根據真實作業環境搭建1:1模擬作業環境，分別驗證機器人在遙操作情況下完成夾持、剪切、電鉆、鋸切、割炬等核退役設施拆除的基本操作任務。實驗結果表明，操作者根據視頻提供的工具與作業環境視頻，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。圖8顯示了機器人左臂完成夾持操作，右臂完成切割操作。

5 結論

本文針對所研制的核退役設施拆除機器人設計并實現了機器人遙操作的主端和虛擬仿真軟件，使操作者可以根據機械臂末端提供的現場作業視頻，遠程遙控機器人完成拆除核退役設施的基本操作。未來，將針對真實作業環境開展作業能力測試，提升其對環境智能感知能力以實現機器人的自主操作。