РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАБОТ В БАССЕЙНЕ ВЫДЕРЖКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к робототехническим комплексам, предназначенным для выполнения работ в труднодоступных и опасных для присутствия человека местах, в частности в бассейнах выдержки атомных электростанций.
Известен робототехнический комплекс, содержащий платформу, установленную на рельсовом пути на ходовых колесах, снабженных приводами, связанными с этими колесами, а также манипулятор, шарнирно установленный на платформе и содержащий звенья с рабочим органом, соединенные друг с другом шарнирами, и приводы относительного перемещения звеньев, включающие двигатели и передаточные механизмы, при этом каждый передаточный механизм привода звеньев манипулятора дополнительно имеет по два шарнирно-рычажных четырехзвенника, образованных дополнительно введенными двумя кривошипами, установленными соосно осям шарниров, соединяющих звенья манипуляторов. Также дополнительно введенный шатун, шарнирно соединенный с кривошипами, причем соответствующие кривошипы обоих четырехзвенников взаимно перпендикулярны и жестко соединены между собой, а один кривошип каждого четырехзвенника жестко соединен с соответствующим приводом, а второй кривошип связан с соответствующим звеном манипулятора, (см. Авторское свидетельство СССР №1743845 В25J 5/00, 11/00, опубликовано 30.06.1992 г. Бюл. №24)
К числу недостатков этого робототехнического комплекса следует отнести его конструктивную сложность, обусловленную наличием большого количества механических узлов и соединений, связанных между собой. Кроме того, он предназначен для выполнения погрузочно-разгрузочных работ и используется как межцеховое транспортное средство и поэтому не может быть применен для выполнения работ в бассейнах выдержки атомных станций.
Известен и робототехнический комплекс MV-4 производства фирмы Telerob (ФРГ), который предназначен главным образом для работы с опасными объектами на предприятиях атомной энергетики и химической промышленности. Он также применяется в составе комплекса TEL 600 при выполнении работ с неразорвавшимися боеприпасами и взрывоопасными предметами.
Комплекс включает в свой состав самоходный робот, базовый пост управления роботом и дополнительное оборудование. Робот имеет корпус коробчатого типа, двухгусеничную ходовую часть, манипулятор, телекамеры переднего и заднего обзора. Захватное устройство снабжено датчиком силы, который позволяет оператору контролировать усилие сжатия захватного устройства. Манипулятор может двигаться в вертикальной плоскости вверх на 100% и вниз на 80% относительно корпуса. Робот управляется по кабелю и по радио с центрального пульта управления (см. Сайт Интернета http://st.ess.ru/publications/articles/bat nov2/bat av2.htm). Батанов А.Ф., Грицинин С.Н., Муркин С.В. «Технология применения дистанционно управляемых мобильных комплексов», журнал «Специальная техника» №3, 2000 г.
Известен также и мобильный робототехнический комплекс аналогичного назначения, который содержит мобильный робот, пост дистанционного управления и комплект дополнительного оборудования. Мобильный робот представляет собой самоходное транспортное устройство с электроприводом движетеля и бортовыми источниками питания, на котором смонтирована система дистанционной связи с постом управления, бортовая телевизионная система, включающая отдельные вида блоки, расположенные на звеньях манипулятора и на корпусе транспортного средства, а в состав каждого видеоблока входит видеокамера, заключенная в защитный кожух с источниками подсветки, один из этих видеоблоков, выполняющий обзорные функции, располагается на рабочем органе привода индивидуального наведения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На транспортном средстве также укреплены приводы многоступенчатого манипулятора и сам манипулятор с захватным устройством. Мобильный робот комплекса снабжен устройством доставки системы видеонаблюдения в заданную точку местности. (см. Патент, РФ на изобретение №2364500 В25J 5/00, опубликованный 20.08.2009 г.) Этот аналог также предназначен как и предыдущий в основном для ликвидации неразорвавшихся боеприпасов и взрывоопасных предметов, находящихся, как правило на поверхности открытой местности, и поэтому конструктивно не могут быть применены для проведения работ в специфических условиях бассейна выдержки атомных станций, имеющего глубину до 15 метров и заполненного водой.
Наиболее близким по функциональному назначению к заявляемому комплексу, а именно по проведению технологических работ на глубине шахт, каналов является манипулирующее устройство, состоящее из шасси на колесах, поворотной части, верхней и нижней опорных секций, манипулятора, расположенного на нижней секции, опоры закрепленной на шарнире оси той же нижней секции. На конце опоры шарнирно установлен башмак. Обслуживаемая шахта (канал) облицована металлическим листом, либо в ней установлены металлические полосы для подведения напряжения и удержания опорного башмака. Опорная плоскость башмака имеет пазы, и шарниры опоры также имеют пазы, заполненные электрореологической суспензией. Пазы башмака также заполнены электрореологической суспензией. К стенкам пазов подсоединены контакты источника электрического тока. Второй контакт обеспечивает заземление устройства и присоединен к упомянутой полосе металлической. Для того, чтобы исключить качание исполнительного органа манипулятора, расположенного на большой глубине канала шахты, к пазам опоры и башмаку, заполненным электрореологической суспензией, подается постоянное или переменное напряжение. Под действием электрического поля электрореологическая суспензия изменяет свою вязкость вплоть до полного затвердевания, что обеспечивает ей жесткое сцепление поверхности башмака с металлической полосой канала и элементов шарнирной опоры. Таким образом, опора как бы «примерзает» в шарнирах и к полосе канала шахты, что жестко удерживает верхнюю секцию в определенном положении и исполняет нагрузки на исполнительный орган манипулятора (Авт. Свидетельство на изобретение ССР №9066868/25J 5/00, опубликовано 23.02.1982 г. Бюл. №7), Совпадая по функциональному назначению, данное устройство принципиально отличается от предложенного комплекса набором средств конструктивного исполнения, в том числе отсутствием технического зрения в виде цифровой видеокамеры и средств программного управления рабочими органами, что не позволяет его использовать при проведении работ в бассейне выдержки атомной станции, заполненной водой.
Задача по осуществлению возможности проведения работ по подъему специзделий из бассейна выдержки с конденсатом в специфических условиях атомного производства решается путем создания роботизированного комплекса оригинального конструктивного исполнения с использованием современных средств программного управления.
Технический результат - осуществление точности обнаружения специзделия и надежности подъема предметов со дна бассейна выдержки атомной станции из водной среды достигается за счет того, что робототехнический комплекс для работ в бассейне выдержки атомной станции (комплекс) содержит в своем составе установленное на рельсовом пути подвижное транспортное средство, блок доставки в бассейн приборов технического зрения и извлечения предметов из бассейна, пульт его управления и дублирующее дистанционное управление блоком доставки. При этом на транспортном средстве подвижно установлена каретка, на платформе которой закреплен блок доставки, представляющий собой коробчатый корпус, на внешней передней стенке которого смонтирована опорная стрела с размещением на ее другом свободном конце вращающегося блока с датчиками веса и положения упомянутых приборов; внутри же корпуса размещен вращающийся барабан с приводом, на который намотан грузонесущий кабель-трос, а на его свободном конце, перекинутом через вращающийся блок, закреплены подвесной прибор технического зрения или прибор извлечения предметов из бассейна. Управление работой этих приборов осуществляется программно с помощью компьютера, электрически соединенного посредством грузонесущего кабеля-троса с контроллером, подключенным к датчикам измерения веса и положения, а также непосредственно к контроллерам каждого прибора или - дублировано с пульта управления, находящегося на корпусе блока доставки приборов. На технический результат робота оказывает влияние и то, что прибор технического зрения, представленный в виде цифровой видеокамеры, заключенной вместе с источниками подсветки в защитный корпус, установлена с возможностью поворота в нем в горизонтальной и вертикальной плоскостях и подключена к компьютеру с созданием видеоизображения на мониторе. Причем корпус прибора технического зрения выполнен герметичным и цилиндрической формы с прозрачным колпаком в нижней его части. Прибор извлечения предметов из бассейна также представляет собой герметичный цилиндрический корпус, в нижней наружной части которого размещен захват, а внутри установлены видеокамера с подсветкой. Такая установка цифровой видеокамеры повышает уровень ее защиты от излучения, причем она расположена вертикально вниз в защитном кожухе, а обзор в стороны обеспечивается поворотом отражателя (зеркала), установленного под углом α=45°, а обзор вниз - поворотом этого отражателя вдоль оси камеры. При этом его захват имеет индивидуальный привод в виде мотора-редуктора. Индивидуальные аналогичные приводы горизонтального и вертикального поворота цифровой видеокамеры имеет также и прибор технического зрения. Однако возможно и исполнение прибора технического зрения конструктивно аналогично прибору извлечения предмета из бассейна, когда цифровая камера установлена в корпусе неподвижно, а боковой обзор осуществляется с помощью подвижного зеркала. На точность определения местоположения предмета и его извлечения из бассейна влияет и то, что комплекс снабжен необходимым приводом вращения барабана в виде соединенных между собой через муфту шагового двигателя с тормозом и редуктора. Для обеспечения работоспособности комплекса в целом в условиях конкретного ограниченного пространства транспортное средство представляет собой сборную металлоконструкцию, которая установлена над бассейном выдержки и перемещается на ходовых колесах по рельсовым путям, а каретка-тележка ходовыми колесами опирается и перемещается по направляющим транспортного средства. Характерной особенностью комплекса является то, что в качестве грузонесущего кабель - троса выбран грузонесущий каротажный кабель - трос типа КГ (РК 75-2-13+6×0,35+2×2×0,2)-10, а разъем подключения электрооборудования приборов технического зрения и извлечения предметов из бассейна помещен в герметичный колпак.
Из указанной перечисленной совокупности признаков следует, что они достаточны для достижения технического эффекта предложенной полезной модели.
Полезная модель является новой, поскольку признаки ее формулы не обнаружены заявителем в источниках патентной и общетехнической информации, а общая компоновка комплекса вообще принципиально является новой, так как она с найденными аналогами совпадает только лишь по функциональному назначению, да и то частично без учета работы в водной среде. Новыми по конструкции являются приборы технического зрения и извлечения предметов из бассейна, так как в атомной энергетике они разработаны впервые.
По предлагаемой полезной модели разработана конструкторская документация, изготовлен опытный образец и поставлен на Курскую атомную электростанцию, где проведены его испытания, получены результаты, подтверждающие его необходимость и полезность в эксплуатации АЭС.
Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид комплекса в плане, на фиг.2 вид комплекса сбоку, а на фиг.3 отражен вид прибора доставки сверху, тележка транспортного средства в аксонометрии с элементами закрепления на ней прибора доставки изображена на фиг.4, схема управления комплексом показана на фиг.5, подводка кабеля троса и электропитания к приборам отражена на фиг.6, на фиг.7 показан прибор технического зрения с поворотной цифровой видеокамерой, прибор технического зрения с неподвижной цифровой видеокамерой и поворотным обзорным зеркалом изображен на фиг.8, на фиг.9 размещен узел I на фиг.8 с зеркальным отражателем, установленным под углом, на фиг.10 изображен этот же узел I с опущенным отражателем, общий вид прибора извлечения предметов из бассейна отражен на фиг.11, на фиг.12 его вид сбоку с деталировкой, а на фиг.13 его вид снизу.
Робототехнический комплекс для работ в бассейне выдержки атомной станции содержит в своем составе установленное на рельсовом пути 1 подвижное транспортное средство 2, блок 3 доставки в бассейн 4 приборов 5 и 6 соответственно технического зрения и извлечения предметов из бассейна, дистанционный пульт 7 его управления и дублирующее управление со щита 8 блока 3 доставки. При этом на транспортном средстве 2 подвижно установлена каретка в виде тележки 9, на платформе 10 которой закреплен блок 3 доставки, представляющий собой коробчатый корпус 11, на внешней передней стенке 12 которого смонтирована опорная стрела 13 с размещением на ее другом свободном конце 14 вращающегося блока 15, датчиков 16 и 17 веса и положения упомянутых приборов 5 и 6. Внутри корпуса 11 блока 3 доставки размещен вращающийся барабан 18 с приводом 19, на который намотан грузонесущий кабель-трос 20. На свободном конце кабеля-троса 20, перекинутом через вращающийся блок 15 закреплены вертикально подвесной прибор 5 технического зрения или прибор 6 извлечения предметов из бассейна 4. Управление их работой осуществляется программно с помощью компьютера 21, электрически соединенного посредством грузонесущего кабеля-троса 20 с контроллером 22, подключенным к датчикам 16 и 17 измерения веса и положения вышеназванных приборов 5 и 6. Их работа может управляться дублировано и с пульта управления, находящегося на корпусе 11 блока 3 доставки приборов 5 и 6.
Прибор 5 технического зрения может быть реализован в различных конструктивных модификациях, в частности он представляет собой цифровую видеокамеру 23, заключенную в защитном корпусе 24 с источниками подсветки 25. Цифровая видеокамера 23 имеет возможность поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Корпус 24 выполнен цилиндрической формы с прозрачным колпаком 26 в нижней его части. Поворот цифровой видеокамеры 23 вместе с источниками подсветки 25 в горизонтальной плоскости осуществляется с помощью блока 27, приводимого в действие мотор-редуктором 28, а в вертикальной - блоком 29 вращения, приводимого в действие мотор-редуктором 30. Процесс включения и выключения мотор-редукторов 28 и 30 вращения и поворота цифровой видеокамеры осуществляется контроллером 31, также установленным внутри корпуса 24, концы выхода которого присоединены к входам упомянутых мотор-редукторов. Регулирование вращения цифровой видеокамеры 23 в горизонтальной плоскости на угол 180° осуществляется набором концевых микровыключателей. Для повышения уровня защиты от излучения цифровая видеокамера 23 в приборе технического зрения 5 может быть расположена вертикально вниз в исполнительном свинцовом защитном кожухе 73 корпуса 24, при этом обзор в стороны обеспечивается поворотным зеркальным отражателем 54, установленным под углом α=45°, а обзор вниз - поворотом этого отражателя вдоль оси камеры 23, осуществляемого с помощью электропривода 74. На верхней поверхности 32 корпуса 24 размещается разъем 33 для подключения кабеля, а также ниппель 34 для создания внутри корпуса избыточного давления (фиг.6). Для подсоединения кабеля-троса 20 на верхней поверхности 32 расположены резьбовые отверстия 35 и выполнен паз 36 для укладки уплотнительного кольца 37. Разъем 38 подсоединения электропитания приборов 5 и 6 помещен в герметичный колпак 39, а в качестве грузонесущего кабеля-троса может быть выбран грузонесущий каротажный кабель-трос типа КГ (РК75-2-13+6×0,35+2Х2Х0,2)-10 с нитью «Армос», имеющего отметку и изоляцию. Управление прибором 5 осуществляется компьютером 21 пульта дистанционного управления 7 или кнопками 40 бокового щита 8 корпуса 11. Видеоизображение цифровой камеры 23 выводится на экран компьютера 21, соединенного с пультом управления 41 кабелем связи.
Программное обеспечение компьютера дает возможность регистрации изображения, а также фиксирования вертикальной координаты прибора 5 в бассейне 4. Прибор 6 извлечения предметов из бассейна 4 герметичного исполнения представляет собой цилиндрический корпус 42 нижняя часть которого снабжена манипулятором (захватом) 43. Верхняя его часть в месте стыковки с грузонесущим кабелем-тросом 20 полностью соответствует прибору 5. К нижней части корпуса 42 крепится фланец 44, на которой смонтированы секторные шестерни 45 и рычаги 46. Секторные шестерни 45 входят в зацепление с подвижной рейкой 47, совершающей перемещение по направляющим за счет вращения винтового штока 48, приводимого во вращение от мотор-редуктора 49, также размещаемого в корпусе 42 прибора 6. Рейка 47 выполнена из бериллиевой бронзы для обеспечения требуемого коэффициента трения в паре винт-рейка и рейка-секторы шестерни. Рычаги 46 обеспечивают параллельное движение лап 50 захвата 43, которые могут быть сменными под различные виды извлекаемых предметов. Размещение видеокамеры 51 над плоскостью работы захвата 43 позволяет обеспечивать визуальный контроль за его состоянием. Для предотвращения потери визуального контроля из-за затенения предметом осветителей 52, по бокам объектива видеокамеры 51 установлены малые осветители 53. Применение пары рейка 47-секторные шестерни 45 обеспечивают большой диапазон работы захвата при требуемом усилии на нем. В этом случае сила захвата определяется радиусом секторной шестерни 45. Сменные части лап 50 и отражатель 54 размещены на секторных шестернях 45 и рычагах 46 захвата 43 и на нижнем фланце 44 корпуса 42. Боковой обзор выполняется с применением отражателя 54. Выбор типа лап определяется в зависимости от вида необходимых работ и размеров поднимаемого предмета из бассейна выдержки. Максимальный вес груза извлекаемого из бассейна 4 находится в пределе до 300 кг. Управление захватом 43 осуществляется через его контроллер 55 при помощи электропривода в виде мотор - редуктора 49 от компьютера 21, а также от кнопок 40 бокового щита 8 пульта 41 управления корпуса 11.
Для передачи электрических сигналов от вращающегося барабана 18 на пульт управления 41 применен вращающийся коллектор 56. В целом привод 19 состоит из двигателя 70 с тормозом 71 редуктора 72.
Подвижное транспортное средство 2 представляет собой сборную металлоконструкцию, которая монтируется над бассейном 4 выдержки и перемещается по существующему рельсовому пути 1. Основу транспортного средства 2 составляют боковины 57, которые опираются колесами 58 на существующие рельсы пути 1. Кроме того, она включает стяжки 59, поперечены 60, опорные стойки 61, верхнюю направляющую 62, втулку дистанционную 63 и ручки 64 для перемещения самого транспортного средства 2, по рельсам пути 1.
Тележка 9 с платформой 10 предназначена для перемещения блока 3 доставки поперек относительно транспортного средства 2 по его верхней направляющей 62 с помощью колес 65. Тележка 9 имеет клещевые тормоза 66 и элементы 67 и 68 для закрепления на ее платформе 10 блока 3 доставки.
Тележка 9 фиксируется от опрокидывания при извлечении тяжелых предметов из бассейна 4 выдержки с помощью клещевых тормозов 66, которые затягиваются на верхних направляющих 62. В состав подвижной системы транспортного средства 2 входят автономно и башмаки 69, которые устанавливаются на рельсы пути 1 под опорные колеса 58 боковин 57 и предотвращают непроизвольное перемещение всего комплекса по рельсам.
Управление работой всего комплекса в целом осуществляется компьютером 21 дистанционного пульта 7 управления, двустронне связанного через контроллер 22 пульта 41 управления, размещенного на щите 8 корпуса 11 блока 3 доставки, соединенного с приводом 19 барабана 18, связанного с контроллерами 31 и 55 и датчиками 16 и 17 силы и положения приборов 5 и 6.
Роботизированный комплекс для работ в бассейне выдержки атомной электростанции функционирует следующим образом.
Для проведения работ по обследованию пространства бассейна с водой предварительно подвешивают прибор 5 технического зрения на кабель-трос 20 блока 3 доставки, проводят общее включение с помощью кнопок 40 щита 8 пульта управления 41 в сеть всех функциональных цепей электропитания привода 19 вращающегося барабана 18; приборов 5 и 6, а также компьютера 21. Затем с помощью транспортного средства 2 перемещают по рельсовому пути 1 за ручки 63 блок 3 доставки вместе с установленным прибором 5 в направлении до места нахождения исследования бассейна 4, и передвигают по верхней направляющей 62 тележку 9 в точку предполагаемого местонахождения предмета исследования. Завершив предварительную ориентировку прибора 5, включают с пульта 41 подсветку 25 корпуса 24 и привод 19 барабана, опуская прибор 5 в емкость бассейна 4 до касания дна, чтобы определить начальную точку отсчета координаты упомянутого прибора 5. Управление вращением камеры 23 в горизонтальной и поворотом в вертикальной плоскостях осуществляется с помощью предназначенных для этой цели кнопок 40 лицевого щита 8 пульта управления 41 прибора 3 доставки. Изображение от камеры 23 отображается на экране монитора компьютера 21.
Управление камерой 23, регулировка и настройка изображения осуществляется оператором с компьютера 21. Перемещая прибор 5, устанавливают с помощью камеры 23 точное местонахождение предмета, предназначенного для подъема из бассейна 4. Указанное местонахождение предмета программно отмечается в памяти компьютера 21. После этого закрепляет башмаками 67 неподвижное положение транспортного средства 2 относительно рельсового пути 1, а тележку 9 с блоком 3 доставки укрепляют жестко с помощью клещевых тормозов 64 к верхним направляющим 62. Обеспечив неподвижность координат местонахождения предмета, осуществляют подъем прибора 5, проводят его демонтаж, а на его место с аналогичной посадочной базой устанавливают прибор 6 извлечения предмета из бассейна 4, снабжены захватами 43. Аналогично также как в приборе 5 включаются и в приборе 6 с пульта 41 управления для подсветки цифровой видеокамеры 51 и захватов 43 осветители 52 и малые осветители 53, а включением привода 19 барабана 18 производят опускание прибора 6 к месту нахождения предмета, обнаруженного прибором 5 ранее. Как только требуемый предмет попал между лапами 50 захватов 43, подается команда с пульта 41 на их закрытие, сигнал с контроллера 55 поступает на включение мотор-редуктора 49, который приводит во вращение винтовой шток 48, а тот, ввинчиваясь или вывинчиваясь в резьбу рейки 47, сообщает ей прямолинейное перемещение лап 50 захватов 43, обеспечивая таким образом зажим предмета, достаточный для прочного его удержания при извлечении из воды бассейна 4 выдержки.
При этом датчики 16 и 17 веса и положения в пространстве бассейна 4 поднимаемого предмета регистрируют его массу и координаты местонахождения. С помощью цифровой видеокамеры 51, сориентированной вдоль корпуса 42 прибора 6, наблюдают и контролируют работу захватов 43. Изображения от цифровой видеокамеры 51 также отображается на экране монитора компьютера 21. Управление этой камерой 51, регулировка и настройка изображения осуществляется оператором с компьютера 21. При необходимости бокового осмотра извлекаемого предмета используется боковой отражатель 54.
После извлечения предмета из воды бассейна 4 выдержки на захваты 43 подается обратная команда с пульта 41 на разжатие лап 50. В результате этой команды контроллер 55 включает мотор-редуктор 49 в обратном направлении, что приводит движение рейки 47 вниз относительно секторных шестерен 45 и следовательно к разжатию лап 50 захвата 43 и освобождению извлеченного предмета. После извлечения предмета цикл работы повторяется вновь.
Предложенный комплекс позволяет впервые в атомной энергетике извлекать предметы из водяного пространства бассейна выдержки, а также проводить в случае необходимости и другие исследования его внутреннего содержания. Робототехнический комплекс компактен и мобилен, его можно быстро демонтировать в случае необходимости, например при проведении ремонтных работ и также быстро установить обратно на место его применения.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки на полезную модель.
1. Патент РФ №2368927 G03B 17/08, опубл. 27.09.2009 г.
2. Заявка на изобретение №94025673 G03B 17/18, опубл. 27.04.97 г.
3. Полезная модель РФ №71009 G03B 17/08, B63G 8/00, опубл. 10.08
4. Полезная модель РФ №107378 G03B 17/08 опубл. 10.08.2011 г.