一种用于核电复杂场景的全柔性连续体检测机器人

本发明涉及核电装备检测设备领域，具体为一种用于核电复杂场景的全柔性连续体检测机器人。

背景技术：

1、以清洁、高效为突出特点的核能发电相比于传统火力发电优势明显。在大力发展清洁能源的背景下，核电机组的建设速度与装机容量快速增长。然而，核能为人们带来高效清洁能源的同时，受不可预期的自然灾害影响，可能存在潜在的事故风险。核事故发生后及时对事故现场装备进行检测作业，对核事故发生原因溯源、实时态势研判、最大限度减轻对人员及环境的损伤具有重要意义。

2、现有技术中用于核事故场景的检测设备主要如下：

3、申请号为202320072772.0的文献公开了一种轮式多轴热套管检查机器人，该机器人自平衡轮组件采用电机驱动，可在较平整地面移动，但其电气部件耐辐照性能较低，在辐照环境极易产生故障，核环境生存能力较差，且受限于轮式驱动方式，应用场景较为单一。

4、申请号为202210985421.9的文献公开了一种可适应不同隧洞底面的角度可调的履带式行走机构，采用履带式移动机构，具备一定的地形适应能力，但其采用单节布局、单一驱动源驱动方式，越障时无其他装置提供辅助驱动力，以致难以实现大型复杂障碍跨越，整体越障性能欠佳。

5、申请号为202220885847.2的文献公开了一种双螺旋驱动两栖检测机器人，该机器人采用双螺旋驱动器提供移动动力，可初步实现较为复杂地形的高效移动，但其动力来源于刚性螺旋与地面的交互作用，机构柔性较差，难以实现刚性螺旋与复杂地形的自适应贴合，以致地形适应能力与运动稳定性能不足。

6、综上所述，现有的核电检测机器人虽然能初步实现核电特定简单场景下的检测工作，但普遍存在作业场景单一、越障性能欠佳、核环境适应能力不足等突出问题。因此，亟待研发一款具备水陆多栖场景作业、复杂地形通过性能、超强核环境适应能力的核电装备检测机器人。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于核电复杂场景的全柔性连续体检测机器人。

2、本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种用于核电复杂场景的全柔性连续体检测机器人，其特征在于，该机器人包括头部检测驱动机构、肢体自适应越障机构和尾部配重机构；

3、所述头部检测驱动机构包括耐辐照相机、箱盖、压电驱动模块、箱体、安装轴和被动轮；

4、所述肢体自适应越障机构由n个柔性致动器模块、n-1个模块连接组件和1～n个气液驱动单元组成；柔性致动器模块之间通过模块连接组件连接；每个柔性致动器模块上至多设置一个气液驱动单元；

5、每个柔性致动器模块均包括一个柔性致动器架体、至少两个柔性球形空腔、至少两个弹性储水囊和至少两个刚性轴；每个模块连接组件均包括柔性轴；气液驱动单元用于为柔性球形空腔充气或放气，用于为弹性储水囊注水或排水；

6、至少两个压电驱动模块的壳体固定在箱体的内部，输出轴穿出箱体并与第一个柔性致动器模块的刚性轴的一端各自连接，为机器人提供驱动力；箱盖密封安装于箱体的顶部上；耐辐照相机通过相机支架转动安装于箱盖上，实现水陆环境全方位的监测和识别，适应核电水下复杂应用场景；被动轮通过各自的安装轴转动安装于箱体的两侧；

7、至少两个刚性轴转动安装于柔性致动器架体的底部；柔性轴的两端分别与两个柔性致动器模块的刚性轴的一端连接；最后一个柔性致动器模块的刚性轴的末端空置；至少两个柔性球形空腔密封包裹在每个刚性轴的周向，沿刚性轴的径向分布；柔性球形空腔的外表面均匀分布有螺旋叶片，机器人在运动时，螺旋叶片旋转形成反作用推力；每个柔性球形空腔的内部设置有至少一个弹性储水囊，弹性储水囊密封包裹在刚性轴的周向；刚性轴内部中空；柔性轴内部中空；

8、尾部配重机构铰接于最后一个柔性致动器模块的柔性致动器架体上，用于为机器人配重，保持整体结构重心稳定。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

10、(1)本发明基于压电晶体高频、强力、小位移的输出特性，集成驱控一体的压电驱动模块，具备高精度、强动力特点的同时，相比于传统电机驱动方式，具有强耐辐照性能，可满足核电复杂场景下检测需求。

11、压电驱动模块采用级联压电叠堆作为压电泵体的动力元件以放大位移，压电驱动模块利用其优异的动态特性，实现高频振动以提供大输出扭矩。压电泵利用流体介质传递动力，压电晶体的逆压电效应使压电叠堆在纵向方向往复振动产生变形，密闭泵腔的容积因变形产生周期性变化，实现流体介质定量的连续不断的流动。通过调节加载在压电叠堆两端的电压和频率，控制其振动幅度，进而控制一个周期内输出的微小介质流量大小，精确调节液压马达的输出轴的回转角度。另外，在压电泵体的出油口和进油口处均设置有单向阀以控制介质单向流动，同时采用两个换向阀实现压电液压驱动转向，从而驱动液压马达正反向转动。对比传统电机或液压驱动，采用压电驱动方式抗干扰能力强，可实现核电高辐照场景下机器人精确步进连续驱动，提升机器人的抗干扰能力；基于液体或气体作为传输介质，避免泄漏风险的同时具有较强的耐辐照性能，满足核电复杂应用场景需求。

12、(2)本发明的肢体自适应越障机构采用模块多级串联形式，结合尾部自适应配重机构，辅以各个柔性致动器模块间驱动力的相互补充与叠加，大幅提升复杂地形下机器人整体通过性能，满足核电复杂环境下检测需求。

13、肢体自适应越障机构由n个相同的柔性致动器模块经由模块连接组件串联而成，采用模块化设计，使得机器人面对不同作业环境时可以灵活选择连接的模块数量。

14、柔性致动器模块采用双舱室设计，其中外舱室是固连于刚性轴侧壁上的柔性球形空腔，经由导气管将各个柔性球形空腔连通，利用充气压电泵、放气压电泵对其进行充放气操作，形成气体充放回路。动态调节各个球形空腔的大小，在主动适应地面曲率变化的同时，利用柔性球形空腔的高弹特性实现其外表面与地形曲面被动贴合，大幅提升复杂地形下机器人主/被动地面贴合能力。

15、模块连接组件在机器人转弯、越障运动时可实现被动柔性变形。结合柔性致动器模块的多级串联，可实现机器人多种位型变换，进而实现机器人多类型障碍翻越，从地形适应层面提升机器人越障性能。当机器人翻越大型障碍时，采用多柔性致动器模块链式推进方式，使其越障过程中各个柔性致动器模块间的驱动力相互补充与叠加，具有单一驱动模块下的持续推进效果，从驱动力层面提升机器人越障性能。

16、尾部配重机构由于重力作用，各个配重轮模块的配重轮始终与地面接触，且可以根据地形或障碍物的波动上下摆动，被动调整运动姿态，自由度不受约束，在遇到台阶或坑洼路段时可被动调整运动姿态，提高机器人复杂地形环境下的障碍通过性及被动自适应性；在转弯或翻越大型障碍时，可利用自身重量使整体结构重心保持稳定，实现机器人对大型障碍的平稳翻越。

17、机器人主/被动地面贴合性能与多类型障碍翻越能力相结合，大幅提升复杂地形下机器人整体通过性能，满足核电复杂环境下检测需求。

18、(3)本发明采用双舱室设计的柔性致动器模块作为驱动执行单元，利用压电泵对内舱室注/排水及对外舱室充/放气，实现机器人水中自由浮潜，使机器人具备陆地、水面、水下等多种运动模式，可实现机器人核电环境下多场景作业，满足复杂核电现场检测要求。

19、柔性致动器模块采用双舱室设计，弹性储水囊为高弹材料制成，内侧空间为内舱室，经由输水管将各弹性储水囊连通，利用排水压电泵、注水压电泵对其进行注/排水操作，形成液体注排回路。

20、当机器人涉水时，机器人利用各个柔性球形空腔内气体的低密度特性实现机器人漂浮于水面上。需要进行水下及水底检测作业时，基于压电泵定量输出特性，并根据不同水下作业环境及作业深度要求，可通过控制压电泵对柔性致动器内舱室注/排水和外舱室充/放气操作，精确控制弹性储水囊的注水量及柔性球形空腔的充气量，进而实现机器人在水中自由浮潜。

21、通过压电驱动模块为柔性致动器模块提供驱动力，使各个刚性轴2高速旋转，同时螺旋叶片借助泥沙或水对其表面的反作用推力，实现机器人水面和水下全向运动。故机器人具备陆地、水面、水下多栖运动模式，满足复杂核电现场检测要求。

22、(4)本发明结构简单紧凑，集成度高，安装操作方便，功能可延展性强。

23、本装置整体为细长型结构，整体结构简单紧凑，集成度高。机器人检测探头可替换为多种其他功能模块，结合肢体多模块串联，具备水陆两栖、高效移动、噪声小、适应性强等特点，通过结构合理设计、尺寸合理匹配，亦可在油气管道内部等多种狭窄空间环境下进行移动和作业，机器人功能与应用场景可延展性较强。