(10)申请公布号 CN 102951275 A
(43)申请公布日 2013.03.06C N 102951275 A
*CN102951275A*
(21)申请号 201210445986.4
(22)申请日 2012.11.08
B63C 11/52(2006.01)
(71)申请人北京航空航天大学
地址100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人丑武胜 方斌 马鑫
郭晓旗
(54)发明名称
(57)摘要
一种核电站微小型作业水下机器人，它包括
前部右侧安装深度计，前方底部安装机械手，顶
部安装声纳，控制舱安装在本体中后部，外舱通过
透明玻璃罩密封，安装有后视摄像头和辅助照明
LED 灯，本体前部安装有前视摄像系统，由可变焦
耐辐照摄像管，云台和照明灯组成，视频图像和控
制信号通过屏蔽电缆传至岸上控制系统，控制系
统由运动控制杆、机械手控制键、键盘、主显示屏、
速度调节旋钮组成。本发明用在核电站堆芯池，乏
燃料池和构件池的监测和简单的异物打捞工作。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书3页 附图3页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 2 页 说明书 3 页 附图 3 页
1.一种核电站微小型作业水下机器人，包括岸上控制系统和机器人本体（4）两部分。其特征在于：所述机器人本体（4）由岸上的供电设备通过脐带电缆（38）供电和控制，脐带电缆（38）通过水密接头和控制舱（12）相连接。所有零部件均挂接在支撑框架（9）上，其中浮力块（8）提供本体主要的浮力作用，安装在框架（9）上部，水平推进器（15）（17）水平挂接在框架（9）的两侧且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；垂直推进器（10）（16）竖直挂接在框架（9）的两侧的中部且
其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；声纳（7）安装在浮力块的顶部，360度扫描周边环境，进行导航任务，控制舱（12）安装在框架（9）的中后部，控制舱（12）由内舱和外舱组成，内舱主要安装了水下控制系统（6），外舱主要安装有后视摄像头（14）和后视照明灯（13），框架（9）的底部中央安装有水下机械手（11）；机器人本体（4）的前部装有前视摄像机系统和深度计（21）。 2.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述前视摄像机系统由水下云台（18），耐辐射摄像管（19）和水下灯（20）组成，并能进行俯仰和左右摆动的运动进行多方位观测并为机械手（11）作业进行导航。
3.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的岸上控制系统，如图4和图5所示所示，包括主控计算机（2）和前视摄像机控制系统（39）。
4.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述主控计算机，如图4所示，包括电源开关按钮（22），机器人供电电压显示屏（23），机器人上升下潜控制杆（24），机械手控制杆（25），输入键盘（26），主显示屏（27），USB数据接口（28），后照明灯控制旋钮（29），行进速度控制旋钮（30），水平运动控制杆（31）。
5.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述前视摄像机控制系统，
如图5所示：包括系统电源（32），聚焦旋钮（33），缩放旋钮（34），左水下灯开关和亮度调节旋钮（35），右水下灯开关和亮度调节旋钮（36）以及云台位置控制按钮（37）。
6.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的控制舱（12）分为内舱和外舱两部分，内舱安装水下控制系统（6），外舱安装后视摄像头（14）和后视照明灯（13），内舱的控制系统的核辐射屏蔽措施主要有两个方面：一是内舱外壁材料采用较厚的不锈钢材料，二是在内舱内壁上安装一层铅屏蔽层，且为了保证内舱的可靠性，采用了轴向和端面两道密封措施，并使用综合性能比较好的在辐照环境下不容易发生硬化的三元乙丙橡胶O型密封圈；外舱由玻璃外罩密封。
7.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的前视摄像系统的摄像管（19）为可变焦黑白耐辐照摄像机，分辨率为550线，水下云台转速为6°/S，俯仰范围为±15°，左右摆动范围为±30°，配置两个水下灯（20）功率各为100w。
8.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述后视摄像头（14）为定焦摄像机，且固定在外舱盖上，，分辨率为570线，配备5个LED低功率灯珠（13），功率为2w／个。
9.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的控制舱（12）分为内舱和外舱，内舱安装检测机器人姿态的嵌入式航姿系统（2），水下控制电路板，外舱安装一个后视摄
像头（14）和5个辅助照明LED灯（13）。
10.根据权利要求1所述的一种核电站微小型作业水下机器人，其特征在于：所述的机
械手（11）安装在机器人本体（4）的底部并与底部支撑板成20°，为单自由度小型夹持式机械手，夹持能力为5kg，其前端手部为模块化设计，可更换其他功能的夹爪和吸尘器等。
一种核电站微小型作业水下机器人
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种核电站用微小型作业机器人，主要用于核电站反应堆水池、乏燃料水池和反应堆堆芯、堆内构件在大修期间的检查、维修和异物搜索、打捞工作。
背景技术
[0002] ROV（Remote Operated Vehicle）即水下机器人，是一种能够在浅水区域进行探测，作业的工具机器人，主要用于对江河湖海水资源的开发和利用，以及近海资源的探测、利用。目前，世界上的ROV种类已达几十种甚至上百种，形式多样，分为大、中、小型，其中大型主要用于近海油气田的开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面；中小型主要用于江河湖泊捕鱼业以及水质观测等民用
领域。公知的ROV系统的组成从结构上可以划分为水面指控系统和水下潜体部分，水面指控系统包括主控计算机、操控系统、跟踪定位系统、显示系统、与水下的通信接口、动力源、脐带电缆及收放系统。水下潜航体主要包括水密耐压壳体和动力推进、探测识别与传感、通讯与导航、电子控制及执行机构等分系统。虽然目前世界上ROV的形式多种多样，但很少有用于相对特殊的极端环境下（如核反应堆芯水池）。极端环境下的ROV的设计不仅要求掌握一般的ROV技术，还要考虑极端环境对ROV的特殊要求。
发明内容
[0003] 本发明提供一种新型ROV，可用于反应堆堆芯，反应堆水池，乏燃料水池等水下环境的异物搜索和打捞，以及反应堆堆芯部件、水池的缺陷检查，将降低核电站检修、维护成本，提高核电站的自主化程度。本发明除了要解决一般性的水下机器人的常见问题，还要考虑核使用环境下需要解决的技术问题：核环境下控制系统的耐辐照问题，高辐照环境下的摄像问题，高辐照和硼酸环境下的动静密封问题。
[0004] 本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种核电站微小型作业水下机器人，包括岸上控制系统和机器人本体（4）两部分。其特征在于：所述机器人本体（4）由岸上的供电设备通过脐带电缆（38）供电和控制，脐带电缆（38）通过水密接头和控制舱（12）相连接。所有零部件均挂接在
支撑框架（9）上，其中浮力块（8）提供本体主要的浮力作用，安装在框架（9）上部，水平推进器（15）（17）水平挂接在框架（9）的两侧且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；垂直推进器（10）（16）竖直挂接在框架（9）的两侧的中部且其推进轴线所组成的平面通过本体（4）重心；声纳（7）安装在浮力块的顶部，360度扫描周边环境，进行导航任务，控制舱（12）安装在框架（9）的中后部，控制舱（12）由内舱和外舱组成，内舱主要安装了水下控制系统（6），外舱主要安装有后视摄像头（14）和后视照明灯（13），框架（9）的底部中央安装有水下机械手（11）；机器人本体（4）的前部装有前视摄像机系统和深度计（21）。
[0005] 所述前视摄像机系统由水下云台（18），耐辐射摄像管（19）和水下灯（20）组成，并能进行俯仰和左右摆动的运动进行多方位观测并为机械手（11）作业进行导航。
[0006] 所述的岸上控制系统，如图4和图5所示所示，包括主控计算机（2）和前视摄像机控制系统（39）。
[0007] 所述主控计算机，如图4所示，包括电源开关按钮（22），机器人供电电压显示屏（23），机器人上升下潜控制杆（24），机械手控制杆（25），输入键盘（26），主显示屏（27），USB 数据接口（28），后照明灯控制旋钮（29），行进速度控制旋钮（30），水平运动控制杆（31）。[0008] 所述前视摄像机控制系统，如图5所示：包括系统电源（32），聚焦旋钮（33），缩放旋钮（34），
左水下灯开关和亮度调节旋钮（35），右水下灯开关和亮度调节旋钮（36）以及云台位置控制按钮（37）。
[0009] 所述的控制舱（12）分为内舱和外舱两部分，内舱安装水下控制系统（6），外舱安装后视摄像头（14）和后视照明灯（13），内舱的控制系统的核辐射屏蔽措施主要有两个方面：一是内舱外壁材料采用较厚的不锈钢材料，二是在内舱内壁上安装一层铅屏蔽层，且为了保证内舱的可靠性，采用了轴向和端面两道密封措施，并使用综合性能比较好的在辐照环境下不容易发生硬化的三元乙丙橡胶O型密封圈；外舱由玻璃外罩密封。
[0010] 所述的前视摄像系统的摄像管（19）为可变焦黑白耐辐照摄像机，分辨率为550线，水下云台转速为6°/S，俯仰范围为±15°，左右摆动范围为±30°，配置两个水下灯（20）功率各为100w。
[0011] 所述后视摄像头（14）为定焦摄像机，且固定在外舱盖上，，分辨率为570线，配备5个LED低功率灯珠（13），功率为2w／个。
[0012] 所述的控制舱（12）分为内舱和外舱，内舱安装检测机器人姿态的三轴陀螺仪（2）、加速度计，水下控制电路板，外舱安装一个后视摄像头（14）和5个辅助照明LED灯（13）。
[0013] 所述的机械手（11）安装在机器人本体（4）的底部并与底部支撑板成20°，为单自由度小型夹持式机械手，夹持能力为5kg，其前端手部为模块化设计，可更换其他功能的夹爪和吸尘器等。
[0014] 所述的水平推进器（15）（17）和垂直推进器（10）（16）所采用的密封方式为静密封+磁耦合传动方式，将原动电机封装在推进器筒内，并通过磁耦合的方式驱动外部螺旋桨叶片。
[0015] 所述的水上主控计算机（1）为工程塑料仪器箱，其底部还安装有直流电源。[0016] 所述的脐带电缆（38）为8芯零浮力电缆，能在水中保持漂浮状态，其中两根导线是负责电源供电，一对双绞线负责岸上和水下的通讯，一对同轴电缆负责传输后视摄像头（14）的视频图像，另一对双绞线传输声纳信号。
[0017] 本发明的特点主要表现在：
[0018] 1.本发明的特点主要表现在能够在高核辐照环境下进行潜水巡航观察、狭窄区域安全监测、侦查、搜索以及异物打捞等功能，体积小，操作灵活，可实时观测反应堆水池，乏燃料水池等的状态。
[0019] 2.本发明所述水下机器人配备了不同功能的传感器，为操作人员提供了丰富的信息数据。
[0020] 3.本发明所述水下机器人配备了前后视摄像头，能够很好地观测周围水域情况，并通过前视摄像机和机械手的配合完成简单的异物打捞的工作。
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