赵 琛，陶泽勇
(国核电站运行服务技术公司，上海 200233)
随着自动控制技术和核电技术的迅速发展，机器人技术被广泛应用于核工业领域。特别是在有放射性的核环境下，通过工作人员远程控制机器人完成相应的无损检测的任务，不但可以有效减少现场作业人员的辐射伤害并减轻工作负担，而且能提高无损检测效率和准确性[1-3]。
核反应堆压力容器和压力容器顶盖是核电站重要部件，在核电站役前和在役期间均需要进行必要的检查。由于工况的特殊性，人员无法进入压力容器内部或顶盖下方[4-5]，同时出于无损检测重复性及稳定性的需要，针对压力容器及顶盖的检查主要由6轴/5轴机器人的末端携带超声或者其他检测探头进行自动检测[6-9]。笔者提出核反应堆压力容器监测机器人控制系统的一种设计方法，可远程控制携带的超声检测仪，相互配合，实现手动扫查和自动扫查任务。
1.1 设计背景与技术特点
现有核反应堆压力容器的超声检测工作采用的是美国西屋公司生产的SUPREEM六自由度机械手搭载端部效应器进行。其软件控制系统集成于UNIX操作系统中，无法脱离西屋服务器单独应用，系统的灵活性和适应性较差，功能受限。且部分服务器、运动控制器、驱动器等设备已出现故障，部分零部件已经停产，这对控制系统设备维修造成很大麻烦[10-13]。为全面实现核反应堆压力容器焊缝检测系统的国产化，保证后续役前和在役检测能够有备用设备顺利进行，在现有控制系统设计理念上进行改进和调整。
1.2 总体方案设计
检测机器人实施检查时，机器人安装于上、下部平台上，平台则坐落在法兰面和下部支撑块上，如图1所示。本控制系统主要包含轨迹规划层(远程PC)、位置速度控制层(运动控制器+FGPA模块)、电流控制层以及机器人本体四个部分。和现有控制系统有所不同的是，驱动控制器由常见的I/O卡、CPU卡、运动控制卡和旋变转换卡的组合更换为FPGA、固高控制卡的组合，FGPA控制模块使用FGPA作为主控制芯片，主要完成机器人关节旋转变压器的解码、机器人关节速度环的控制、接收上位机控制指令、产生电流环控制指令、监控驱动器工作状态。固高控制卡采用嵌入式工控机+多轴运动控制卡的方式，主要根据任务路径规划运动路径，完成机器人关节位置的控制，同时产生速度指令信号。驱动器根据机器人运行环境和检测对象的不同，分为PWM驱动模块与线性放大器模块。当机器人在岸上调试运行时，使用PWM驱动模块，当机器人携带端部效应器在压力容器水环境中进行巡检作业时，使用线性放大器驱动以减小对端部效应器的干扰。操作人员通过PC进行轨迹规划，并通过Ethernet TCP/IP通讯方式给本地控制器发出运行指令，实现检测机器人的远程控制，总体方案图如图2所示。
图1 核反应堆压力容器检查时机器人状态模型示意图
图2 机器人整体系统总体方案
机器人的轨迹规划和速度控制是核反应堆压力容器检测机器人控制系统中的重要组成部分。即在机械手进行作业时，通过预设规划路径来设计起始位置到目标位置的合理路径，并且保证各自由度之间力矩平衡，各关节速度、位置无偏差，机械臂及超声检测扫查器与核反应堆压力容器内壁等环境结构无碰撞作业，针对不同的检测对象、不同的检测环境，配合末端超声扫查器完成不同速度的自动或手动检测任务。
2.1 关节信号处理
对机器人各关节控制信号的处理采用位置环、速度环和电流环组合的闭环控制系统，主要由双旋转变压器、调理电路和解码、控制FPGA板组成，双旋变关节信号处理框图如图3所示。假设给定位置信号u1，检测实际转子位置信号u2，两者比较后得到位置误差信号Δu=u1-u2，该位置误差信号经过位置调节器PID调节后，通过FPGA输出转子转速给定信号ωr；
由于实际转子转速信号经实际转子位置信号差分运算后得到ωf，则速度误差信号为指令转子速度与实际速度的差值Δω=ωr-ωf，该误差信号作为速度调节器的输入，再经过转速PID调节输出电流指令ir；
系统旋转变压器供电电压为24 V，其产生的计数脉冲为0～24 V高低电平，检测到的电机实际电流值if，与输出电流指令ir比较后经电流调节器控制算法即可确定功率开关器件导通的占空比，输出相应的PWM波形，使转子按照控制要求运行，从而调整关节速度、位置。
图3 双旋变关节信号处理框图
2.2 轨迹规划跟踪
(1)
选取跟踪误差变量e和滑模变量s分别为：
e=qd-q
(2)
(3)
考虑到自适应鲁棒控制器τr为：
(4)
则滑模变量s的轨迹规划跟踪的闭环误差动态方程：
(5)
根据误差动态方程，可得出机器人自适应鲁棒轨迹规划跟踪控制器结构框图4所示。
图4 轨迹规划跟踪控制器结构框图
机器人轨迹跟踪控制算法以FPGA为硬件载体，采用带抗积分饱和的数字PID调节器来设计关节电机驱动控制系统中电流环和速度环控制，外部设置神经网络补偿项来进行参考轨迹趋近的不确定性处理，对轨迹跟踪误差，参数调整，通过自适应鲁棒控制器，以减小检测机器人外部噪声扰动，确保轨迹跟踪鲁棒性。为实现机器人轨迹实时跟踪控制，通过带抗积分饱和的数字PID调节进行位置调整后，采用轨迹跟踪控制算法使机械手各关节按规定转动方式运转，末端按指定轨迹运动。
3.1 系统硬件设计
控制系统硬件电路结构图如图5所示，大体可以分为电源模块、接口电路模块、旋变解码模块和FPGA模块等四个模块，通过串行外设接口SPI和I/O口进行通讯。
图5 控制系统硬件电路结构图
3.2 系统软件设计
系统控制软件是机器人完成无损检测任务的核心，直接关系到核反应堆压力容器超声检测的稳定性、鲁棒性和安全性等。WESTINGHOUSE公司提供的机器人控制软件基于ROBCAD仿真平台开发，集成于Linux操作系统中，为了便于后续软件安装、机器人功能修改、操作人员使用学习，ROBCAD仿真平台开发在Windows操作系统下实现，在进行超声检测时，通过以太网通信模块实现上位机与机器人下位机软件的通讯、机器人本体状态检测、各关节传感器信息融合与处理，同时，配合音/视频控制系统多角度视频监控和远程对话，实现机器人检测系统的远程遥控。机器人软件设计目的在于接收上位机指令并解析生成机器人控制命令，通过读取机械手位姿、各关节转速和位置等信息，分析各传感器反馈参数、轨迹规划跟踪误差和超声检测质量等数据，来实时控制检测机器人，并将相关数据信息可视化处理于上位机界面。具体设计流程如图6所示。
图6 软件设计流程
4.1 系统仿真测试
为保证系统运行安全可靠，现场测试前需进行系统仿真测试，利用Matlab对本系统的控制方法进行实验仿真验证，根据实际机器人参数，使用改进型DH法建立机器人模型，如图7所示。
图7 机器人及焊缝模型
在关节空间中，对每个关节进行三次样条曲线的插补，获得每个关节的位置速度曲线。按照固高控制器的伺服周期，选取一系列位置速度点作为实际控制点，并利用机器人的转换矩阵和雅可比矩阵将其转换为世界坐标系下的实际运动轨迹与速度，通过对比实际运动轨迹与焊缝的差值、实际速度与理论扫查速度的差值，验证控制系统的误差性能。
本实验仿真中，在一圈焊缝上选取了32个粗插补点进行控制测试，得到位置误差曲线，截取了其中1/4圆弧作为观察，由于焊缝所在平面垂直于X轴，因此其速度误差主要是YZ方向的速度差，实验仿真结果如图8所示。
图8 32个点时的YZ方向速度误差
实验结果显示，理论末端线速度100 mm/s，粗插补32个点时，最大速度波动为1 mm/s，小于设备允许的2%的速度波动。粗插补16个点时，最大速度波动为2.3 mm/s，不满足设备要求。粗插补64个点时，最大速度波动0.7 mm/s，对比于32个点所得收益有限。通过实验仿真，验证了本控制系统方案下，轨迹规划层采取32个粗插补点时，位置速度误差在设备允许内。
4.2 现场测试分析
现场测试在核反应堆压力容器模拟体中进行，通过远程控制端观察机器人的状态，手动控制机器人移动，对比状态监控结果是否正常。机器人携带某一型号的端部效应器在模拟压力容器水环境中进行焊缝扫查，端部效应器的超声扫查反馈信号如图9所示。测试结果证明，本控制系统能够控制机器人进行核反应堆压力容器自动焊缝检测功能。
图9 超声采集仪记录数据
经过以上实验仿真及现场测试，本系统的理论部分得到了验证，实际测试基本功能得到了满足，完成了既定设计要求。
文中根据核电站换料大修期间核反应堆压力容器焊缝巡检机器人国产化的需求，设计了控制系统的硬件和软件架构，对远程控制端和本地控制器进行了硬件和软件的具体细节设计，提出了一套同时适合于远程操作和本地调试的核反应堆压力容器检测机器人的控制系统。同时提出了机器人的关节信号处理方式和轨迹规划跟踪算法，并对机器人在本控制方案下可能产生的位姿误差和速度误差进行了理论分析。通过对该控制系统进行样机实验仿真及现场测试，此系统的理论部分得到了验证，实际测试基本功能得到了满足，完成了既定控制目标。系统结构设计合理，集成度高，具有很强的通用性，软件模块可以进一步丰富，对其他的机器人运动控制系统也有一定的借鉴意义。
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