核反應堆壓力容器檢測機器人控制系統研發*

趙 琛，陶澤勇

(國核電站運行服務技術公司，上海 200233)

0 引 言

隨著自動控制技術和核電技術的迅速發展，機器人技術被廣泛應用于核工業領域。特別是在有放射性的核環境下，通過工作人員遠程控制機器人完成相應的無損檢測的任務，不但可以有效減少現場作業人員的輻射傷害并減輕工作負擔，而且能提高無損檢測效率和準確性[1-3]。

核反應堆壓力容器和壓力容器頂蓋是核電站重要部件，在核電站役前和在役期間均需要進行必要的檢查。由于工況的特殊性，人員無法進入壓力容器內部或頂蓋下方[4-5]，同時出于無損檢測重復性及穩定性的需要，針對壓力容器及頂蓋的檢查主要由6軸/5軸機器人的末端攜帶超聲或者其他檢測探頭進行自動檢測[6-9]。筆者提出核反應堆壓力容器監測機器人控制系統的一種設計方法，可遠程控制攜帶的超聲檢測儀，相互配合，實現手動掃查和自動掃查任務。

1 檢測機器人系統總體方案設計

1.1 設計背景與技術特點

現有核反應堆壓力容器的超聲檢測工作采用的是美國西屋公司生產的SUPREEM六自由度機械手搭載端部效應器進行。其軟件控制系統集成于UNIX操作系統中，無法脫離西屋服務器單獨應用，系統的靈活性和適應性較差，功能受限。且部分服務器、運動控制器、驅動器等設備已出現故障，部分零部件已經停產，這對控制系統設備維修造成很大麻煩[10-13]。為全面實現核反應堆壓力容器焊縫檢測系統的國產化，保證后續役前和在役檢測能夠有備用設備順利進行，在現有控制系統設計理念上進行改進和調整。

1.2 總體方案設計

檢測機器人實施檢查時，機器人安裝于上、下部平臺上，平臺則坐落在法蘭面和下部支撐塊上，如圖1所示。本控制系統主要包含軌跡規劃層(遠程PC)、位置速度控制層(運動控制器+FGPA模塊)、電流控制層以及機器人本體四個部分。和現有控制系統有所不同的是，驅動控制器由常見的I/O卡、CPU卡、運動控制卡和旋變轉換卡的組合更換為FPGA、固高控制卡的組合，FGPA控制模塊使用FGPA作為主控制芯片，主要完成機器人關節旋轉變壓器的解碼、機器人關節速度環的控制、接收上位機控制指令、產生電流環控制指令、監控驅動器工作狀態。固高控制卡采用嵌入式工控機+多軸運動控制卡的方式，主要根據任務路徑規劃運動路徑，完成機器人關節位置的控制，同時產生速度指令信號。驅動器根據機器人運行環境和檢測對象的不同，分為PWM驅動模塊與線性放大器模塊。當機器人在岸上調試運行時，使用PWM驅動模塊，當機器人攜帶端部效應器在壓力容器水環境中進行巡檢作業時，使用線性放大器驅動以減小對端部效應器的干擾。操作人員通過PC進行軌跡規劃，并通過Ethernet TCP/IP通訊方式給本地控制器發出運行指令，實現檢測機器人的遠程控制，總體方案圖如圖2所示。

圖1 核反應堆壓力容器檢查時機器人狀態模型示意圖

圖2 機器人整體系統總體方案

2 關節信號處理與軌跡規劃

機器人的軌跡規劃和速度控制是核反應堆壓力容器檢測機器人控制系統中的重要組成部分。即在機械手進行作業時，通過預設規劃路徑來設計起始位置到目標位置的合理路徑，并且保證各自由度之間力矩平衡，各關節速度、位置無偏差，機械臂及超聲檢測掃查器與核反應堆壓力容器內壁等環境結構無碰撞作業，針對不同的檢測對象、不同的檢測環境，配合末端超聲掃查器完成不同速度的自動或手動檢測任務。

2.1 關節信號處理

對機器人各關節控制信號的處理采用位置環、速度環和電流環組合的閉環控制系統，主要由雙旋轉變壓器、調理電路和解碼、控制FPGA板組成，雙旋變關節信號處理框圖如圖3所示。假設給定位置信號u1，檢測實際轉子位置信號u2，兩者比較后得到位置誤差信號Δu=u1-u2，該位置誤差信號經過位置調節器PID調節后，通過FPGA輸出轉子轉速給定信號ωr；由于實際轉子轉速信號經實際轉子位置信號差分運算后得到ωf，則速度誤差信號為指令轉子速度與實際速度的差值Δω=ωr-ωf，該誤差信號作為速度調節器的輸入，再經過轉速PID調節輸出電流指令ir；系統旋轉變壓器供電電壓為24 V，其產生的計數脈沖為0～24 V高低電平，檢測到的電機實際電流值if，與輸出電流指令ir比較后經電流調節器控制算法即可確定功率開關器件導通的占空比，輸出相應的PWM波形，使轉子按照控制要求運行，從而調整關節速度、位置。

圖3 雙旋變關節信號處理框圖

2.2 軌跡規劃跟蹤

(1)

選取跟蹤誤差變量e和滑模變量s分別為：

e=qd-q

(2)

(3)

考慮到自適應魯棒控制器τr為：

(4)

則滑模變量s的軌跡規劃跟蹤的閉環誤差動態方程：

(5)

根據誤差動態方程，可得出機器人自適應魯棒軌跡規劃跟蹤控制器結構框圖4所示。

圖4 軌跡規劃跟蹤控制器結構框圖

機器人軌跡跟蹤控制算法以FPGA為硬件載體，采用帶抗積分飽和的數字PID調節器來設計關節電機驅動控制系統中電流環和速度環控制，外部設置神經網絡補償項來進行參考軌跡趨近的不確定性處理，對軌跡跟蹤誤差，參數調整，通過自適應魯棒控制器，以減小檢測機器人外部噪聲擾動，確保軌跡跟蹤魯棒性。為實現機器人軌跡實時跟蹤控制，通過帶抗積分飽和的數字PID調節進行位置調整后，采用軌跡跟蹤控制算法使機械手各關節按規定轉動方式運轉，末端按指定軌跡運動。

3 控制系統設計

3.1 系統硬件設計

控制系統硬件電路結構圖如圖5所示，大體可以分為電源模塊、接口電路模塊、旋變解碼模塊和FPGA模塊等四個模塊，通過串行外設接口SPI和I/O口進行通訊。

圖5 控制系統硬件電路結構圖

3.2 系統軟件設計

系統控制軟件是機器人完成無損檢測任務的核心，直接關系到核反應堆壓力容器超聲檢測的穩定性、魯棒性和安全性等。WESTINGHOUSE公司提供的機器人控制軟件基于ROBCAD仿真平臺開發，集成于Linux操作系統中，為了便于后續軟件安裝、機器人功能修改、操作人員使用學習，ROBCAD仿真平臺開發在Windows操作系統下實現，在進行超聲檢測時，通過以太網通信模塊實現上位機與機器人下位機軟件的通訊、機器人本體狀態檢測、各關節傳感器信息融合與處理，同時，配合音/視頻控制系統多角度視頻監控和遠程對話，實現機器人檢測系統的遠程遙控。機器人軟件設計目的在于接收上位機指令并解析生成機器人控制命令，通過讀取機械手位姿、各關節轉速和位置等信息，分析各傳感器反饋參數、軌跡規劃跟蹤誤差和超聲檢測質量等數據，來實時控制檢測機器人，并將相關數據信息可視化處理于上位機界面。具體設計流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程

4 系統測試與分析

4.1 系統仿真測試

為保證系統運行安全可靠，現場測試前需進行系統仿真測試，利用Matlab對本系統的控制方法進行實驗仿真驗證，根據實際機器人參數，使用改進型DH法建立機器人模型，如圖7所示。

圖7 機器人及焊縫模型

在關節空間中，對每個關節進行三次樣條曲線的插補，獲得每個關節的位置速度曲線。按照固高控制器的伺服周期，選取一系列位置速度點作為實際控制點，并利用機器人的轉換矩陣和雅可比矩陣將其轉換為世界坐標系下的實際運動軌跡與速度，通過對比實際運動軌跡與焊縫的差值、實際速度與理論掃查速度的差值，驗證控制系統的誤差性能。

本實驗仿真中，在一圈焊縫上選取了32個粗插補點進行控制測試，得到位置誤差曲線，截取了其中1/4圓弧作為觀察，由于焊縫所在平面垂直于X軸，因此其速度誤差主要是YZ方向的速度差，實驗仿真結果如圖8所示。

圖8 32個點時的YZ方向速度誤差

實驗結果顯示，理論末端線速度100 mm/s，粗插補32個點時，最大速度波動為1 mm/s，小于設備允許的2%的速度波動。粗插補16個點時，最大速度波動為2.3 mm/s，不滿足設備要求。粗插補64個點時，最大速度波動0.7 mm/s，對比于32個點所得收益有限。通過實驗仿真，驗證了本控制系統方案下，軌跡規劃層采取32個粗插補點時，位置速度誤差在設備允許內。

4.2 現場測試分析

現場測試在核反應堆壓力容器模擬體中進行，通過遠程控制端觀察機器人的狀態，手動控制機器人移動，對比狀態監控結果是否正常。機器人攜帶某一型號的端部效應器在模擬壓力容器水環境中進行焊縫掃查，端部效應器的超聲掃查反饋信號如圖9所示。測試結果證明，本控制系統能夠控制機器人進行核反應堆壓力容器自動焊縫檢測功能。

圖9 超聲采集儀記錄數據

經過以上實驗仿真及現場測試，本系統的理論部分得到了驗證，實際測試基本功能得到了滿足，完成了既定設計要求。

5 結 語

文中根據核電站換料大修期間核反應堆壓力容器焊縫巡檢機器人國產化的需求，設計了控制系統的硬件和軟件架構，對遠程控制端和本地控制器進行了硬件和軟件的具體細節設計，提出了一套同時適合于遠程操作和本地調試的核反應堆壓力容器檢測機器人的控制系統。同時提出了機器人的關節信號處理方式和軌跡規劃跟蹤算法，并對機器人在本控制方案下可能產生的位姿誤差和速度誤差進行了理論分析。通過對該控制系統進行樣機實驗仿真及現場測試，此系統的理論部分得到了驗證，實際測試基本功能得到了滿足，完成了既定控制目標。系統結構設計合理，集成度高，具有很強的通用性，軟件模塊可以進一步豐富，對其他的機器人運動控制系統也有一定的借鑒意義。