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四足管板检测机器人设计及运动控制方法研究

摘要

传热管位于核电站反应堆一回路的末端，是一、二回路的边界，是防止一回路泄露

的重要部分，传热管检测是核电检修不可或缺的项目。由于其位于一回路，具有较高的

辐射，因此传热管检测无法通过人工完成，必须依赖面向传热管检测的管板检测机器人。

因此，管板检测机器人的性能，决定了管板检测的效率，进而影响核电站安全与效益。

本文从实际任务出发，综合研究国内外检测机器人的优缺点，提出一种配有三自由度机

械臂的四足检测机器人方案，对其主要结构和参数进行设计，根据任务环境对其运动策

略进行规划，考虑其构型特点建立模型预测控制器并进行仿真试验，最后通过现场试验

对机器人的运动能力和运动策略进行验证。

本文提出一种携带三自由度机械臂的四足爬行机器人构型，根据功能不同将其分为

腿部机构方案、四足运动方案和检测臂方案，然后对每种方案进行分析并分别考虑尺寸

限制和负载，对各部分进行结构和主要参数设计，最后针对机器人安装拆卸需求提出机

器人安装拆卸工具方案，并对其进行机构设计。

针对机器人的构型进行运动学和动力学分析，并考虑机器人必须落足于管孔的环境

特性，提出了机器人的运动策略，通过固定机体中心与管孔的相对关系统一运动空间的

规划条件，在此基础上得到机器人运动的姿态库，解决了机器人运动规划的难题。

针对机器人运动控制问题，提出一种新的基于单刚体模型的模型预测控制器，将支

座反力优化从模型预测控制系统中移出，转而通过分析由机体合外力和支座反力构建的

欠定方程组最小范数解得到最优支座反力，再通过雅可比矩阵得到关节前馈扭矩，并结

合运动学反馈从而构建完整控制器，在不牺牲模型准确性的情况下提高了控制频率，最

后通过仿真验证其可行性。

通过试验对机器人各部分分别进行测试并构建机器人的硬件控制器系统，最后在真

实管板上对机器人样机进行试验测试，对机器人总体方案、运动策略和控制系统进行验

证，最后搭建简易力控样机对单刚体模型预测控制器进行验证。

本文研究的四足管板检测机器人是传热管检测的新方案，通过依次移动步行足和机

体移动实现携带检测探头在管板上移动，并通过三自由度机械臂对被检测传热管精准进

行定位。研究成果对于传热管检测和并联机器人控制具有重要意义。

关键词：传热管检测；四足机器人；平面并联机构；模型预测控制

四足管板检测机器人设计及运动控制方法研究

Abstract

Theheattransfertubeislocatedattheendoftheprimarycircuitofanuclearpowerplant

reactorandservesastheboundarybetweentheprimaryandsecondarycircuits.Itisan

importantcomponentinpreventingleakageintheprimarycircuit,andheattransfertube

inspectionisanindispensableiteminnuclearpowermaintenance.Duetoitslocationinaloop

withhighradiation,heattransfertubedetectioncannotbemanuallycompletedandmustrely

onatubeplateinspectionrobotdesignedfortheheattransfertubeinspectionTherefore,the

performanceofthetubeplateinspectionrobotdeterminestheefficiencyoftubeplateinspection,

whichinturnaffectsthesafetyandefficiencyofnuclearpowerplants.Startingfrompractical

tasks