核电站仿生轮腿式巡检平衡机器人

研究目的

核电站仿生轮腿式巡检平衡机器人的研究目的是为了提高核电站的安全性和效率。机器人自动化的浪潮已经席卷全球，作为自动化学科中的一项重要分支，轮腿机器人在多个领域中发挥着重要作用，并为各行各业所面临的挑战提供了新的解决思路与方法。轮腿机器人是一种仿生机器人，其设计灵感来源于昆虫和动物的运动方式。它的主要特点是具备多个轮子或腿部，可以在不同的地形上移动和平衡。因此面对复杂的核电站场地情况，轮腿机器人可以自适应调节自身状况并自由移动，应用于核电站日常巡检和探索未知环境情况。它们可以在复杂的地形和恶劣的环境条件下进行巡检和搜索，代替人力巡检异常状况和收集有用的信息，以提高核电站的日常巡查效率和巡检安全性。这也是本项目利用机器人自动化技术实现核电站巡查的重要理论意义。

 研究内容

1、轮腿机器人结构设计及其实物制造。

2、运用机器人视觉对核电设备运行状况进行智能检测。
3、运用轮腿机构进行关键区域复杂路况及恶劣条件通过性测试。
4、运用轮腿机器人联网操控实现超远程控制。

（一） 国、内外研究现状和发展动态

机器人自动巡检作为取代人力巡检的方式之一，在各个领域都是一个热门话题，现已有多种机器人投入到矿洞、地下综合管廊、关键铁路路线等场所，进行巡检、探伤、环境监测等工作，取代了人力，在高危、恶劣环境下长时间高精度工作，并展现出前所未有的优势。得益于机器人拥有高度集成化的特点，机器人可以利用机器人视觉配合雷达等多种感知装置，对在高危环境下工作的设备进行深度检查，并能将数据第一时间反馈到云端进行集中处理、分析，在减轻人力劳动消耗，增加检查精度的情况下，配合大数据进行拟合分析，提早发现危险并发出预警，在关键时刻能起到无可替代的作用。在关键区域的自动巡检、人工远程操控巡检中，路况的复杂性是无法避免的问题。轮腿机器人得益于独特的轮腿机械结构，相较于普通四轮机器人有更强的越障能力，可以在复杂、不易进入的关键区域进行巡检，在面对核电站核心区域时，使用机器人进行巡检可以直接避免人员无法进入某些区域进行检查的情况。目前，核电站的安全巡检工作仍以人工巡检为主，使用机器人进行巡检仍处在探索阶段。机器人巡检工作有人工巡检无可比拟的优越性，但如今也存在一些关键问题未解决。首先，机器人本身的可靠性仍局限，智能机器人的高度集成化使其故障率难以维持在一个较低的水平，使机器人巡检全面使用仍存在一定难道。其次，由于机器人依靠感知设备进行巡检工作，感知设备的精度和可靠性也是一个不完全可控的因素，在不同工作环境条件下感知设备易受干扰导致精度下降甚至错误判别。在产品不断迭代，设备不断完善的推动下，可以通过多种复杂路况和恶劣环境的高集成轮腿机器人会变得更具实用性，并会逐步投入使用。

                                                                                                                                       ·主要设计思路图

（一） 创新点与项目特色

（1）本项目基于对新型轮腿式机器人的研究，验证轮腿式机器人机械结构的可行性和对复杂路况的通过能力，探索新型轮腿式机器人的不同使用场景。
（2） 本项目通过制作出的轮腿式机器人进行实况模拟，验证机器人在各种工况下的可靠性，保证在恶劣条件下机器人本身有工作能力。
（3） 通过轮腿式机器人的实际使用和训练，总结轮腿式机器人在各种工况下的性能参数，推动轮腿式机器人向实用化转变。

                                                                                                                      ·轮腿适应各种地形实验图

（一） 技术路线、拟解决的问题及预期成果

1、技术路线：通过SOLIWORKS进行轮腿式机器人机械结构设计，分析机械结构的合理性与可行性，使机械结构满足目标需求，并能够做出实物。利用STM32开发板进行编程开发，通过摄像头、雷达等传感设备利用串口通讯，实现机器人视觉识别，达成识别物体、判别设备状态等目标需求。通过局域网连接控制器操作机器人，以实现远程控制、无人控制等功能。将目标实现后，能得到一台可以远程操控，拥有一定越障能力，可以进行物体识别的新式巡检轮腿式机器人。

                        ·  技术路线图

拟解决的问题：

（1）  机械结构的合理设计并达成目标需求

依据事先准备好的目标功能，将轮腿式机器人逐步进行设计，实现目标功能的前提下，尽量将机器人设计的符合使用需求，机械结构可靠，体积小，重量轻，各设备布局合理不相互干涉，满足目标特殊路况及环境下工作的需求。

（2）  轮腿代码与STM32开发板的编译及其开发

安装Keil MDK或者IAR Embedded Workbench等集成开发环境，并下载STM32的开发包和相关驱动程序，在集成开发环境中进行编译链接，通过JTAG/SWD等方式将可执行文件烧录到STM32芯片上，调试测试代码是否能够正常运行。

（3）  实际使用时的实用性和可靠性

尽可能将需要的设备集成到机器人上，满足巡检工作中所需要进行的所有工作环节，并在不同工况下对机器人的性能指标进行测试，用测试数据反馈，对不够合理的设计进行优化迭代。

预期成果

1、核电站轮腿巡检机器人做出实物，能够在复杂的环境中稳定行走和操作，确保巡检任务的稳定性和安全性。

2、撰写研究报告一份。

3、国家级立项，公开发表论文一篇。

项目研究进度安排

第一阶段：

1、查找文献资料收集相关使用场景的机器人和轮腿式机器人的资料

2、根据已有的资料对机械结构进行初步设计，达成目标需求

3、检查设计图的机器人对其进行可行性分析优化至最理想状态

第二阶段：

1、准备材料、依据设计图制作出一台轮腿式机器人

2、载入机器人视觉系统、控制系统等目标需求程序

3、进行模拟各工况测试，收集测试数据