1、强辐射环境下机器人作业方法研究与实现项目实施方案目录1 项目概况 .21.1 项目研究目的 21.2 项目研究内容 .22 项目计划 .42.1 项目经费预算 .42.2 项目人员及任务分配 .42.3 时间节点安排 .63 技术实现方案 .73.1 机器人虚拟仿真演练系统 .73.2 三维建模 .93.2.1 场景建模 .93.2.2 机器人建模 .103.3 强辐射环境辐照剂量计算 .103.4 规划作业 .103.5 系统开发流程 113.6 实物沙盘作业训练平台 113.6.1 定制模型机器人 .123.6.2 定制沙盘 .124 可行性分析 .134.1 依托科研平台 .134.2
2、成熟的技术开发平台 134.3 组织管理 135 项目完成指标 .141 项目概况1.1 项目研究目的当前，核工业、核与辐射应用技术行业快速发展，核能的开发利用给社会带了巨大的经济价值，与此同时，核辐射泄露处置以及强辐射环境下多工种作业日益成为国内外研究的重要课题，就核设施的退役和民用辐照室卡源事故而言，现场工况会涉及到强辐射大剂量操作，由于系统结构复杂、放射性物质分布不均、辐射剂量率高和现场情况恶劣，工作人员往往难以进入，一旦事故无法妥善处理，势必在国内外造成巨大的不良影响。对于此种特殊环境下的工程作业，国内外学者展开了大量的研究，并取得了显著成果，目前的一种趋势是将遥操作抗核加固机器人系统
3、引入到此种工况中，以完成相应的作业处置。但是在强辐环境中实现高效、可靠的遥操作机器人作业是非常困难的。本课题结合核工程与核应急工作典型需求，研究提升机器人系统时效性、可靠性的技术方法和决策指挥与现场操作联合演练系统。1.2 项目研究内容据特殊环境下遥操作机器人现场作业的可靠性、安全性要求，在对现场环境信息进行充分的感知、采集、整合基础上，必须针对专门的作业任务进行前期的任务规划、作业模拟演练，从而制定高效可靠的作业方案。为了更好的从方案的可行性、安全性和环境的影响方面进行验证，本课题提出两种技术方案，开发构建基于虚拟现实技术的作业过程数字化模拟演练系统和实物沙盘作业训练平台，通过两种平台的验证
4、性训练，优化技术方案，为现场工程实施提供辅助支持系统。 机器人虚拟仿真演练系统将新兴的计算机虚拟现实技术引入到遥操作机器人领域，研究复杂环境下机器人遥操作的计算机模拟，即在不接触实际机器人及其作业环境的前提下，利用计算机图形学技术和虚拟现实技术提供一个能与之交互作用的虚拟环境。通过这个操作平台，操作人员可以利用鼠标、键盘，操纵杆等输入设备控制虚拟场景中的机器人，不依赖现实中实际的遥操作机器人等设备而实现遥操作机器人作业仿真实验。这样不仅能够实现遥操作，使操作人员脱离了危险的作业环境，而且其人机接口系统还能脱机操作，从而实现对整个作业过程的预演和各种控制算法的仿真。特别是在遥操作机器人系统开发、
5、实验、应用和人员培训的过程中，使用虚拟现实友好的作业仿真系统，既可以节省大量的建造物理实验环境所需的时间和经费以及大量的实验、培训所需的费用，同时也可以方便和及时地修正虚拟仿真环境的相应参数，更重要的是可以在虚拟环境中对遥操作机器人轨迹规划和作业规划的正确性与合理性进行分析验证，避免直接操作实际遥操作机器人可能会造成的事故和不可挽回的损失，免除了很多不必要的麻烦和危险。对于现场工作人员迅速熟悉和掌握遥操作机器人系统，示范推广项目产品有着重大的现实意义。 实物沙盘作业训练平台定制多功能模型机器人，并在原有基础上改装升级满足课题研究需要。实物沙盘采取公司定制，项目组提出具体方案，结合专业公司的现代
6、光电控制的科技手段，应用于模型制作之中，作业沙盘集动态和静态于一体，充分展示作业环境的复杂性，作业内容的丰富性，以及良好的立体演示效果。沙盘选取国内某辐照室和某研究堆为典型的作业环境，结合虚拟仿真系统，共同完成特殊环境下的遥操作机器人作业及异常情况处理。2 项目计划2.1 项目经费预算序号 预算科目名称 到校经费（万元）1 设计费 1.752 专用费 03 材料费 54 外协费 9.85 工资及劳务费 1.86 差旅费 17 会议费 2.748 事务费 19 专家咨询费 0.7510 管理费 1.16合计 252.2 项目人员及任务分配序号负责内容 组长 组员 任务分配第一小组设计模型机器人
7、沈庆尧袁兴旺，李玉飞李高福，沈庆尧1.模型小机器人的选定和购买2.模型小机器人的功能设计3.模拟作业小机器人的造作训练第二小组机器人虚拟仿真系统设计开发闫文珠李得彬，马海龙，罗岱，宋智勇，高飞亮1.辐射环境下机器人作业方法调研2.国内外特殊环境下机器人作业方法3.结合子课题研究内容进行针对性研究4.深入研究机器人虚拟作业的各种实现方法5.制定可行性的技术方案，包括技术实现，经费预算，关键技术难点及拟解决办法，后期机器人虚拟作业训练等。第三小组实物沙盘开发设计靳占勇穆俊杰，刘晖苏美文1.针对核辐射环境下机器人作业方法进行调研2.搜集国内外有关沙盘作业演练的资料3.结合子课题研究内容进行针对性研究
8、4.制定机器人作业沙盘演练的具体方案，包括技术实现，经费预算，后期调试训练等。2.3 时间节点安排课题研究时间节点安排2013.9-2013.11 各小组进行分别针对各组研究内容进行前期调研，查找国内外文献，搜集国内外关于强辐射环境下机器人作业方法的资料并汇总做报告2013.11-2014.01 模型机器人小组定制机器人机器人虚拟仿真系统小组公司调研实物沙盘小组公司调研2014.01-2014.03 模型机器人小组对机器人改造升级机器人虚拟仿真系统小组进行系统方案设计2014.03-2014.06 机器人虚拟仿真系统小组对课题中的理论部分进行研究，包括核环境下放射性元素衰变的基本规律、常见的衰
9、变种类、辐照剂量分布理论计算、辐射与物质的相互作用等，搜集典型核环境资料，遥操作机器人模型数据等，为下一步建模工作做准备实物沙盘小组确定沙盘等重要参数尺寸。 2014.06-2014.10 模型机器人小组模型机器人改造调试。机器人虚拟仿真系统小组完成场景建模和机器人建模。实物沙盘小组赴公司进行定制。2014.10-2015.03 模型机器人小组重在对系统进行分模块技术实现，研究模块实现过程中的各种算法，包括碰撞检测算法、路径优化算法、其他数据处理算法。实物沙盘小组验收实物沙盘。2015.03-2015.05 项目组财务验收。2015.05-2015.07 团队各小组进行集成调试，查缺补漏，为技
10、术验收做准备。2015.07-2015.12 项目技术验收。3 技术实现方案3.1 机器人虚拟仿真演练系统利用新兴的计算机虚拟现实技术开发了一套面向实际工程应用的交互式核应急事故实训平台，采用 MAYA 软件完成核机器人和辐照室的逼真化建模，使用 unity3D 引擎实现了系统各部件的物理属性设置、场景的 3D 融合、UI 设计、整个系统的交互式控制、机器人作业以及数据分析处理。 场 景 设定 系 统 机 器 人设 定 系统辐 照 源设 置 系统 障 碍 物设 定 系统任 务 资 源库 辐 射 衰减 计 算系 统 辐 射 值累 加 系统多 维 视角 系 统参 数 显示 系 统 机 器 人控 制
11、 系统人 机 交 互控 制 层核 环 境 下 机 器 人作 业 虚 拟 演 练平 台结 果 分 析模 块 结 论数 据 分 析机器人虚拟仿真演练系统框架设计系统设计的总体构架以核辐照应急事故任务驱动为导向，遵循层次化，模块化设计方法。通过建立可复用的任务资源库，完成核应急事故处置基本设置，核心为人机交互控制的作业实现，最后完成演练任务的结果分析和优化。1)任务资源库：整合典型的核辐射场景模型以及多功能遥操作核机器人数据资料，优化某些参数的复杂度，建立满足实际任务需要、高度逼真的工程模型。2)人机交互控制层：包括人机交互控制，实时计算辐照场景剂量分布，辐照数据采集、存储以及阈值判断，动态规划路径
12、，主动式避障判断等功能模块，实现用户行为与系统行为的交互通信，完成核辐射环境下突发作业的应急处置。3)结果分析模块：采用图表形式显示机器人本体作业演练过程中所受累计剂量和瞬时剂量率，核机器人作业路径轨迹等关键参数，遵循“任务剂量最小”和“作业高效与安全可靠”原则，进行数据分析，方案评估和优化。 3.2 三维建模利用 MAYA 三维建模软件分别对辐照室和核机器人进行分模块实体建模。辐照室内可实现障碍物的灵活摆放，放射源大小、位置根据需要自行设定。对机器的行走机构和机械臂结构进行动画制作，三工具头（锯、剪、夹）快速切换，同时采用国外目前比较前沿的程序过程纹理技术，在程序运行过程中自动生成材质纹理，
13、以提升系统的沉浸感。3.2.1 场景建模辐照室 反应堆辐照室有两个通道，过道宽 45cm，可以设置障碍物体，顶端为移动架，内部为源库，可以根据实验室已有条件，安放不同的源，内部货架可以进行长、宽、高的具体设置。反应堆场景比较简单，机器人主要在池外过道进行作业。3.2.2 机器人建模核机器人本体选择西南科技大学自主研发的强辐射环境下多功能遥操作机器人作为建模对象，包括底盘履带爬行机构、三自由度机械臂、末端多功能工具头、抗辐照加固数据采集器等。3.3 强辐射环境辐照剂量计算在构建三维核辐射环境时，需要真实地模拟场景中放射源的种类、活度大小、方位等关键参数，本系统开发中利用公式建模，结合前期辐照事故
14、处置经验，研究重点主要针对 射线照射，通过屏蔽材料的半值层厚度间接快速计算作业环境中各个点的辐照剂量。3.4 规划作业1）辐照室设置突发事件，比如卡源事故，由于货架倒塌、源的升降装置出现故障，导致放射源不能安全归位，通过上位机人员遥操作控制机器人，切割、抓取、挪移、搬动障碍物，完成障碍物清理，放射源的归位。2）反应堆此场景中设置的任务主要针对废弃的反应堆退役，具体设定的演练任务为，通过切割、抓取、挪移、搬动障碍物，清理出一条到达指定地点的通道，针对目标任务，通过动画演示，上位机操作控制，完成部分水管的切割、废物的收集以及废物的搬运等。另外针对大的目标物，先进行大任务分解，之后小任务作业，最后完
15、成收集回收。3.5 系统开发流程图 4 系统开发流程3.6 实物沙盘作业训练平台实物沙盘作业训练平台设计操作员通过手柄或上位机控制模型机器人，进入实物沙盘进行作业模拟演练，并通过记录机器人在作业过程中受到的辐照记录值，进行作业效率评估和方案优化。3.6.1 定制模型机器人模型机器人可以实现切割、抓取、挪移、搬动障碍物功能，可实现多视角操作。课题组成员添加辐照剂量记录模块，采用无线传输方式进行操作员与机器人本体的通信。机器人尺寸模型机器人长 35cm，宽 24cm，臂长活动范围为 180，可以实现夹取操作，摄像头高 22cm，可实现 360选择。3.6.2 定制沙盘沙盘设计图纸中包括辐照室和反应
16、堆两个场景，具体设计尺寸如上图所示。4 可行性分析4.1 依托科研平台国防重点学科实验室核科学领域师资力量雄厚团队董事单位中国工程物理研究院从事 300#反应堆退役和民用辐照室研究。4.2 成熟的技术开发平台 现阶段虚拟现实技术较为成熟，以广泛应用于航空、航天领域、工业制造、地理信息（GIS）、军事等领域。团队已建立虚拟现实技术 unity3d 开发平台，同时与成都曼恒数字技术有限公司开展校企联合开发合作。可实现虚拟现实系统的软硬件开发。4.3 组织管理团队建立完备的项目组织管理制度，保证项目高效，保质保量按时完成。1）特殊环境机器人技术实验室矩阵式管理与学生周总结与计划执行办法2） 军工项目内控制度5 项目完成指标1、软件系统一套，（1）核环境下机器人作业仿真系统一套2、硬件系统及实物材料等（1）核环境下机器人作业实物沙盘演练系统一套3、专利成果一种建立核环境下机器人虚拟作业仿真系统的方法4、软件著作权核辐射环境下机器人虚拟作业方法 5、学术论文基于 unity3D 的核环境下机器人作业虚拟演练平台
