ISO 17874-4:2006
(Main)Remote handling devices for radioactive materials — Part 4: Power manipulators
Remote handling devices for radioactive materials — Part 4: Power manipulators
ISO 17874:2006 defines the main features of power manipulators for use in ionizing radiation fields. It outlines basic principles which relate to the design and testing of power manipulators for use behind shielding walls, mainly in hot cells.
Dispositifs de manipulation à distance pour matériaux radioactifs — Partie 4: Télémanipulateurs télécommandés
L'ISO 17874-4:2006 spécifie les principales caractéristiques des télémanipulateurs télécommandés conçus pour une utilisation en milieu irradiant, derrière les murs de protection, principalement dans des cellules de haute activité. Elle spécifie également les exigences relatives à la conception et aux essais des télémanipulateurs télécommandés.
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17874-4
First edition
2006-01-15
Remote handling devices for radioactive
materials —
Part 4:
Power manipulators
Dispositifs de manipulation à distance pour matériaux radioactifs
Partie 4: Télémanipulateurs télécommandés
Reference number
ISO 17874-4:2006(E)
©
ISO 2006
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ISO 17874-4:2006(E)
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Published in Switzerland
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ISO 17874-4:2006(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Applications of power manipulators. 3
5 General features. 4
6 Requirements . 4
6.1 General aspects . 4
6.2 Materials . 6
6.3 Surface treatment . 6
6.4 Design features . 7
6.5 Electrical equipment. 13
6.6 Dimensions of tongs with parallel jaws (standard tongs). 13
6.7 Dimensions of grip hooks. 16
6.8 Dimensions of shoulder hooks . 17
7 Operating devices and control systems.18
7.1 General. 18
7.2 Push-buttons. 18
7.3 Operating elements for one motion. 19
7.4 Joysticks. 19
7.5 Six-motion operating devices. 19
7.6 Computer controlled systems . 19
8 Manipulator vehicles . 20
9 Special tongs and tools. 20
10 Testing . 22
10.1 General. 22
10.2 Acceptance testing. 22
10.3 Inspections and tests at regular intervals. 22
11 Non-radioactive trial cells . 23
11.1 General. 23
11.2 Operator training. 23
11.3 Manipulator system capability . 23
11.4 Error minimization and failure recovery. 23
11.5 Reliability assessments and maintenance planning. 24
Annex A (normative) Electrical equipment for power manipulators . 25
Bibliography . 26
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ISO 17874-4:2006(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 17874-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, Subcommittee SC 2,
Radiation protection.
ISO 17874 consists of the following parts, under the general title Remote handling devices for radioactive
materials:
⎯ Part 1: General requirements
⎯ Part 2: Mechanical master-slave manipulators
⎯ Part 4: Power manipulators
⎯ Part 5: Remote handling tongs
A Part 3, Electrical master-slave manipulators, is under study.
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ISO 17874-4:2006(E)
Introduction
This part of ISO 17874 deals with power manipulators used for nuclear applications. These manipulators
consist mainly of multipurpose remote handling devices.
These devices replace hands and arms and even light hoists, depending on the model used, in areas
inaccessible to personnel (mostly behind shielding walls).
Power manipulators were originally developed for hot cells designed for research and development in fuel
elements for nuclear power reactors. They are now also in widespread use in other nuclear installations, such
as plants for reprocessing of fuel elements, waste treatment stations, and decommissioning of nuclear
facilities.
Alternative manipulators used in these fields and resulting in a wide variety of different designs are considered
to be skill in an emergent phase or applied uniquely in special circumstances and are not addressed further in
this current edition of this standard.
Power manipulators are sometimes modified or especially designed for non-nuclear applications. This part of
ISO 17874 does not address the special requirements of any of these applications. Although designers may
not be taken advantage of standardized features and components from the nuclear sector to achieve efficient
and cost-effective designs for other purposes where appropriate.
This part of ISO 17874 is intended to provide assistance to designers of nuclear process and research plants,
as well as manufacturers, users and licensing authorities.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 17874-4:2006(E)
Remote handling devices for radioactive materials —
Part 4:
Power manipulators
1 Scope
This part of ISO 17874 defines the main features of power manipulators for use in ionizing radiation fields. It
outlines basic principles which relate to the design and testing of power manipulators for use behind shielding
walls, mainly in hot cells.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 2768-1:1989, General tolerances — Part 1: Tolerances for linear and angular dimensions without
individual tolerance indications
ISO 11933-5:2002, Components for containment enclosures — Part 5: Penetrations for electrical and fluid
circuits
ISO 17874-1:2004, Remote handling devices for radioactive materials — Part 1: General requirements
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
axis
directions of a Cartesian coordinate system defined from the operator standing point, considered as the origin
of this system
NOTE The following axes are considered: Axis X: from right to left along the shielding wall. Axis Y: forward into the
shielded cell. Axis Z: up to the ceiling of the shielded cell.
3.2
arm
〈manipulator〉 component reproducing effectively the functions of an human arm, respecting in most cases the
same distribution and corresponding articulations
NOTE Corresponding articulations are shoulder pivot, upper arm, elbow pivot, forearm, wrist pivot, etc.
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ISO 17874-4:2006(E)
3.3
mechanical arm
arm of a power manipulator being able to execute positioning and orientation motions and equipped with an
end-effector
3.4
shoulder hook
device similar to a crane hook attached near the shoulder pivot
3.5
grip hook
end-effector with a linear motion for lifting and handling an object
3.6
disconnection
mechanical operation allowing the separation of two assembled component
EXAMPLE Disconnection of the mechanical arm from the transporter.
3.7
jaws
components fixed on the end of the tongs, which facilitates the handling of an object
NOTE The jaws can be disconnectable.
3.8
operating volume
space in which the operation of tongs are possible, considering all the positions in which the different
components of the slave arm of a manipulator can be moved
3.9
gaiter
specially profiled flexible sleeve designed to protect the mechanical arm and optionally also the telescope
NOTE This component is also called a booting (USA).
3.10
drum manipulator
simplified power manipulator designed to transport and to stack radioactive waste drums
3.11
orientation motion
rotation motions around certain axes of the manipulator
NOTE According to the axis considered, the three following motions are distinguished: tilt (α), twist (β) and swivel or
azimuth motion (γ).
3.12
positioning motion
motion effecting a displacement of the tongs (or end-effector)
NOTE According to the axis considered, three different motions are distinguished: x, y and z.
3.13
tongs
gripping device fixed at the end of the mechanical arm and consisting of an actuator assembly and jaws
3.14
handle
component gripped by the operator, facilitating the control of the movements of the manipulator and fixed at
the operating consol
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ISO 17874-4:2006(E)
3.15
transporter
kinematical system for moving and positioning the mechanical arm within the operating volume
3.16
power manipulator
manipulator driven by electrical motors (open loop in position)
4 Applications of power manipulators
Power manipulators are used inside buildings, especially in hot cells. They consist of a mechanical arm
mounted on a transporter running on rails, or sometimes on a remotely controlled vehicle. Transporters on
rails usually consist of a movable bridge, a carriage and a vertical telescope (see Figure 1). The arm can also
be installed on a rail vehicle on the cell floor.
They allow, in most cases, the exertion of high forces and therefore the handling of heavy objects, typifying
their application. Power manipulators can be used as the only remote handling devices, but in medium-sized
and large hot cells they are generally used in combination with mechanical master-slave manipulators (see
ISO 17874-2). Both categories assist each other.
The mobility gives the power manipulators a large working volume, which is not offered by mechanical
master-slave manipulators. They are used for tasks to be performed in areas that cannot be reached by
mechanical master-slave manipulators and for transportation of objects over significant distances.
The relatively low working speed is one of the disadvantages of power manipulators. In addition, they are not
suitable for complicated tasks.
Key
1 movable bridge
2 carriage
3 telescope with hoist
4 shoulder pivot
5 articulated arm
6 tongs
7 shoulder hook
8 hot cell
9 transmission cable
10 operating console
11 control cabinet
12 shielding wall
13 shielding window
14 operating room
a
The movable bridge, the carriage and the telescope with hoist constitute the transporter.
Figure 1 — Power manipulator — Design for hot cells
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ISO 17874-4:2006(E)
5 General features
A power manipulator, within the meaning of this part of ISO 17874-4, is an electric motor-driven handling
device operated remotely using speed control achieved by switches or potentiometers and analogue control
(traditionally) or digital control. As a general rule, it exhibits the following characteristics: it has an articulated
mechanical arm which is located on a positioning system, called a transporter (see Figure 1).
The arm is in most cases fitted with a tong with parallel jaws, by means of which objects can be handled and
forces and torques exerted. The tongs are to be arranged to rotate without limit. The tongs can be exchanged
(in some cases remotely) for other gripper types (typically a grip hook) or mechanical or electrically driven
tools by means of in-cell fixtures. With the aid of a lifting hook on the articulated shoulder (called a shoulder
hook), it is possible to lift substantially heavier objects than can be lifted with the tongs [see Figure 2 a)].
The transporter in most cases consists of a movable bridge, a cross-travel carriage and a vertical multiple
telescope with a hoist for application in hot cells (see Figure 1). The functions of a light crane can be made
available as a result of the load capacity of the hoist of the vertical telescope.
The speed of each motion can be fixed, controlled in several steps or continuously adjustable depending on
the manipulator model. The operational forces are currently not directly reflected, but the gripping force can be
transmitted to the operator by appropriate means. The gripping force can be measured and limited by steps,
or by pre-selection or by means of an indicator and a variable sound.
The maximum velocities of different power manipulator models vary in a wide range. For power manipulators
designed for use in hot cells, the following characteristics are available:
⎯ rotation of the tongs: 10 r/min;
⎯ inclination of hand, forearm and upper arm: 1 r/min;
⎯ arm rotation: 5 r/min;
⎯ lifting, carriage and bridge travel: 5 m/min.
6 Requirements
6.1 General aspects
Power manipulators have to meet a number of technical and safety specifications and in addition
requirements concerning the operating environment (e.g. the presence of contamination, ionizing radiation,
corrosive atmosphere, excessive humidity or temperature). Four classes of load capacity can be
distinguished: light, medium, heavy and super-heavy, as given in Table 1.
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ISO 17874-4:2006(E)
Table 1 — Classes of power manipulators defined by load capacity
Load capacity, m
kg
Class of load
Tong Grip hook
capacity
c
Arm position Shoulder hook
Horizontal arm
a
a b
position
Horizontal Vertical
20 u m < 50 — — 250 u m < 500
Light
Medium 50 u m < 125 50 u m < 125 50 u m < 1 000 500 u m < 1 000
Heavy 125 u m < 300 125 u m < 300 125 u m < 3 000 1 000 u m < 3 000
Super heavy 300 u m < 500 300 u m < 500 300 u m < 5 000 3 000 u m < 5 000
a
The load capacities for arms in the horizontal position are derived from the strength of the drive mechanisms.
b
The additional load capacities in the vertical position are optional; they should be defined according to the operational requirements
and are achieved by appropriate design of the pivots, hoists and transporter mechanism.
c
The load capacities of the shoulder hooks are based on the capacities of the hoist and transporter mechanism.
In addition to the preferred transporters for hot cells which consist of a movable bridge, a carriage and a
vertical telescope (see Figure 1), there are transporters with different designs in use, e.g. movable mountings
on a sidewall with a boom, movable portals, swivelling stands and other special designs.
There are also simplified manipulators for special purposes which are derived from power manipulators. Three
common simplified manipulators are the following:
a) drum manipulators designed to transport and to stack radioactive waste drums, having a large gripper
that can be tilted [see Figure 2b)] instead of an articulated arm;
b) manipulators intended for exchange of process components, having a double-grip hook instead of an
articulated arm at the lower end of the vertical telescope;
c) remotely operated cranes, derived from power manipulator transporters, having no vertical telescope.
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ISO 17874-4:2006(E)
a) Power manipulator with a grip hook b) Drum manipulator
Key
1 shoulder pivot 5 multiple telescope with hoist
2 articulated arm 6 gripper for drums
3 grip hook 7 waste drum
4 shoulder hook
Figure 2 — Power manipulators — Examples
6.2 Materials
Since power manipulators are generally large, heavy units of equipment that are difficult to access safely, it is
important to minimize the frequency of intervention for their maintenance and repair. Accordingly, the
materials of component parts with exposed surfaces shall be protected against corrosion, ensuring
compatibility with their function; corrosion can be promoted by ionizing radiation. All surfaces shall be
designed to facilitate a high standard of decontamination. The decontamination processes envisaged shall not
significantly degrade the functionality of the components, even when used repeatedly (e.g. the compatibility of
the detergent type with the material of construction).
If different materials are bonded to one another, any contact corrosion shall be prevented by suitable
measures. In certain cases, organic materials have to be used for specific applications (e.g. cable installations,
bearing seals, lubricants). In this case, the material selected shall take into account the predicted radiation
field, so as to avoid significant degradation between normal maintenance intervals.
6.3 Surface treatment
Aluminium alloys shall be anodized. Steels that are not rust-resistant shall be painted in a manner to facilitate
decontamination (typically one coat of primer and two top coats), and if the surfaces are subjected to
mechanical stress, they shall be suitably plated (e.g. in hard chrome). Stainless steels shall be subjected to an
appropriate surface treatment, e.g. they shall be pickled and passivated. Depending on the environmental
conditions, other surface treatments may be applied (e.g. painting or galvanization of carbon steel surfaces).
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ISO 17874-4:2006(E)
6.4 Design features
6.4.1 Main features
The mechanical arms of power manipulators have four to eight motions including one to three pivots. A highly
movable arm (eight motions including three pivots), as compared to the preferred design (five motions
including two pivots), meets the requirements of ISO 17874-1:2005, Clause 6, concerning remote handling
devices for multiple purposes (see Figures 3 and 4). In most cases, the arms have five to seven motions.
Each motion is provided with one motor.
6.4.2 Design concepts
As far as the arrangement of the drives for the pivots is concerned, there are three different designs with
different properties, as described in a) to c), below.
a) Distributed drives
In this design, all of the drives are located adjacent to the point of application which facilitates modular design
and a rapid dismantling capability of the components of the arm. For example, the elbow motor is placed in
the upper arm and directly drives the elbow pivot. If the arrangement of the wrist assembly, forearm and upper
arm is staggered, continuous rotation of the pivots is allowed (see Figures 5 and 6).
Mechanical arms with distributed drives, dependant on the model, have a wide range of load capacity (30 kg
to 500 kg, generally 50 kg to 200 kg). The mechanical arms are between 0,45 m and 3,0 m long, in most
designs 0,9 m to 1,7 m.
b) Drives in a central housing
In this design, all drives are located in a central housing, similar to slave arms of electrical master-slave
manipulators. These designs are especially suitable for use with computer-controlled systems (see 7.6).
The drive units shall be located above the shoulder pivot in a central drive housing [see Figure 7 a)]. This
design makes the arm slender. Concentric hollow shafts are used for transmission of movements and torques
from the drive units to the arm links. The pivots of these mechanical arms can perform unlimited rotations,
because of the staggered arrangement of the wrist, forearm and upper arm [see Figure 7b)].
This design of mechanical arm has generally seven motions (three positioning motions, three orientation
motions and one gripping motion), according to the requirements of Clause 5 in ISO 17874-1:2004 (see
Figure 8).
Mechanical arms with drives in a central housing, dependant on the model, have a wide range of load
capacity (25 kg to 240 kg). The mechanical arms are between 1,0 m and 5,0 m long.
This mechanical arm can also be installed in a through-wall or through-roof tube configuration.
NOTE Assemblies consisting of multiple computer-controlled mechanical arms can also be used for combined
operations, e.g. two mechanical arms of design 6.4.2 b), which provides increased dexterity, or a combination of two arms
[one of design 6.4.2 b) and one of design 6.4.2 a)], which provides, when associated, increased dexterity and load
capacity.
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ISO 17874-4:2006(E)
Key
Components
Mechanical arm:
1 tongs
2 wrist assembly
3 wrist pivot
4 forearm
5 elbow pivot
6 upper arm
7 shoulder pivot
8 shoulder housing
Transporter:
9 multiple telescope with hoist
10 movable bridge
11 carriage
Motions
12 bridge travel (X)
13 carriage travel (Y)
14 lifting/lowering (Z)
15 arm rotation
16 inclination of upper arm
17 inclination of forearm
18 inclination of tongs
19 swivelling of tongs
20 extraction / retraction of tongs
21 rotation of tongs
22 gripping
NOTE The preferred design has no motions 18, 19 and 20 (see Figure 9).
Figure 3 — Power manipulator with synergistic drives and a highly movable arm for hot cells —
Subassemblies and motion possibilities
Figure 4 — Power manipulator with synergistic drives and a high movable arm — Kinematic diagram
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ISO 17874-4:2006(E)
Key
Components
Mechanical arm:
1 tongs
2 wrist assembly
3 forearm
4 upper arm
5 shoulder housing
Transporter:
6 multiple telescope with hoist
7 movable bridge
8 carriage
Motions
9 carriage travel (Y)
10 bridge travel (X)
11 arm rotation (by telescope rotation)
12 lifting/lowering (Z)
13 inclination of upper arm
14 inclination of forearm
15 inclination of tongs
16 extraction and retraction of tongs
17 rotation of tongs
18 gripping
NOTE The mechanical arm of this example has seven motions.
Figure 5 — Power manipulator with distributed drives and three pivots for hot cells —
Subassemblies and motion possibilities
Figure 6 — Power manipulator with distributed drives and three pivots — Kinematic diagram
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ISO 17874-4:2006(E)
c) Mixed arrangement of drives with some synergistic features
This design option consists of a combination of distributed drives and drives located in a central housing. In
other terms, mixed arrangement means that the drives units for the pivots are designed in such a manner that
they share the total torque. The other drive units conform to the design in 6.4.2 a).
In this configuration, the drives of the elbow pivot and/or of the wrist pivot are placed above the shoulder pivot.
The necessary transmission elements are located in the upper arm end forearm. The remaining drives are
located in a distributed manner.
Typically, roller-chains are used for the elbow and wrist pivots, arranged such that the forearm and the wrist
assembly will retain their orientation in space as the upper arm is moved (see Figures 3, 9 and 10). This
corresponds to the synergistic movement of the human arm, with which operators are familiar. If small angles
of adjustment are made at the shoulder pivot, with the upper arm near the vertical position and the forearm
near the horizontal position, then the end-effector and wrist can be moved approximately forwards or
backwards, with a simple translation motion. This arrangement, by distributing the total torque to be produced,
reduces the total drive power required and permits the use of the same type of drive unit for each pivot.
Mechanical arms with synergistic drives, dependant on the model, have a wide range of load capacity (20 kg
to 500 kg, generally 50 kg to 200 kg). The mechanical arms are between 0,7 m and 5,8 m long and in most
designs 1 m to 2 m.
6.4.3 Housings
The housings can be made of aluminium or carbon steel (appropriately painted) or stainless steel, and with
seals, depending on the operational requirements. An option is to use gaiters over the pivots and th
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17874-4
Première édition
2006-01-15
Dispositifs de manipulation à distance
pour matériaux radioactifs —
Partie 4:
Télémanipulateurs télécommandés
Remote handling devices for radioactive materials —
Part 4: Power manipulators
Numéro de référence
ISO 17874-4:2006(F)
©
ISO 2006
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ISO 17874-4:2006(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2006 – Tous droits réservés
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ISO 17874-4:2006(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Applications des télémanipulateurs télécommandés. 3
5 Caractéristiques générales des télémanipulateurs télécommandés . 4
6 Exigences . 5
6.1 Généralités . 5
6.2 Matériaux . 6
6.3 Traitements de surface. 6
6.4 Caractéristiques de conception . 7
6.5 Équipements électriques . 13
6.6 Dimensions des pinces avec doigts parallèles (pinces normalisées) . 13
6.7 Dimensions des crochets de préhension . 16
6.8 Dimensions des crochets d'épaule. 17
7 Dispositifs de commande et systèmes de contrôle. 18
7.1 Généralités . 18
7.2 Boutons poussoirs . 18
7.3 Éléments de commande pour un mouvement. 19
7.4 Joysticks. 19
7.5 Dispositifs de commande pour 6 mouvements. 19
7.6 Systèmes de contrôle par ordinateur . 19
8 Véhicules manipulateurs . 20
9 Pinces et outils spéciaux . 20
10 Essais. 22
10.1 Généralités . 22
10.2 Essais de réception . 22
10.3 Inspections et essais périodiques . 22
11 Cellule d’essais inactive . 23
11.1 Généralités . 23
11.2 Formation des opérateurs . 23
11.3 Évaluation de l'aptitude du système télémanipulateur. 23
11.4 Prévention d'erreurs et d'incidents. 23
11.5 Évaluation de la fiabilité et optimisation du programme de maintenance . 24
Annexe A (normative) Exigences pour les équipements électriques des télémanipulateurs
télécommandés. 25
Bibliographie . 26
© ISO 2006 – Tous droits réservés iii
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ISO 17874-4:2006(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 17874-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, sous-comité SC 2,
Radioprotection.
L'ISO 17874 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Dispositifs de manipulation à
distance pour matériaux radioactifs:
⎯ Partie 1: Exigences générales
⎯ Partie 2: Télémanipulateurs maître-esclave mécaniques
⎯ Partie 4: Télémanipulateurs télécommandés
⎯ Partie 5: Pinces de manipulation à distance
La Partie 3, Télémanipulateurs maître-esclave électriques, est à l’étude.
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ISO 17874-4:2006(F)
Introduction
La présente partie de l'ISO 17874 concerne les télémanipulateurs télécommandés utilisés pour des
applications nucléaires. Ces télémanipulateurs consistent, pour l’essentiel, en des dispositifs de manipulation
à distance à usages multiples.
Dans les zones inaccessibles au personnel, ces dispositifs remplacent les mains et les bras et, parfois,
dépendant du modèle utilisé, les dispositifs de levage.
Les télémanipulateurs télécommandés ont été initialement développés pour les cellules de haute activité,
dans un objectif de recherche et de développement sur les éléments combustibles des réacteurs nucléaires.
À l’heure actuelle, ils sont largement répandus dans d’autres installations nucléaires, telles que les usines de
retraitement de combustible nucléaire ou les stations de traitement de déchets radioactifs, et lors du
déclassement d'installations nucléaires.
Des modèles alternatifs de télémanipulateurs télécommandés ont été mis au point dans les domaines
mentionnés précédemment et ont conduit à des développements spécifiques. Ces modèles sont néanmoins
considérés comme des exemplaires exotiques destinés à un usage unique et ne sont pas couverts par la
présente partie de l'ISO 17874.
Les télémanipulateurs télécommandés nécessitent parfois une adaptation ou une conception spéciale pour
répondre à des applications hors nucléaires. La présente partie de l'ISO 17874 ne traite aucune des
exigences spécifiques à ces domaines, même si les concepteurs peuvent tirer parti de certains composants
normalisés développés dans le secteur nucléaire afin de réaliser des conceptions efficaces à coût réduit en
vue d’autres applications, le cas échéant.
La présente partie de l'ISO 17874 est conçue comme une aide aux concepteurs d'installations nucléaires,
ainsi qu'aux fabricants, aux utilisateurs et aux organismes habilités à délivrer des licences.
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NORME INTERNATIONALE ISO 17874-4:2006(F)
Dispositifs de manipulation à distance pour matériaux
radioactifs —
Partie 4:
Télémanipulateurs télécommandés
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 17874 spécifie les principales caractéristiques des télémanipulateurs
télécommandés conçus pour une utilisation en milieu irradiant, derrière les murs de protection, principalement
dans des cellules de haute activité. Elle spécifie également les exigences relatives à la conception et aux
essais des télémanipulateurs télécommandés.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 2768-1:1989, Tolérances générales — Partie 1: Tolérances pour dimensions linéaires et angulaires non
affectées de tolérances individuelles
ISO 11933-5, Composants pour enceintes de confinement — Partie 5: Traversées de paroi pour circuits
électriques et circuits de fluide
ISO 17874-1:2004, Dispositifs de manipulation à distance pour matériaux radioactifs — Partie 1: Exigences
générales
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
axe
directions d'un système de coordonnées cartésiennes définies depuis la position de l'opérateur, considéré
comme l'origine du système
NOTE Les axes suivants sont pris en compte: axe X, de la droite vers la gauche le long de la paroi blindée; axe Y, en
avant vers la cellule blindée; axe Z, montée vers le plafond de la cellule blindée.
3.2
bras
〈télémanipulateur〉 système qui reproduit les fonctions du bras humain, respectant le plus souvent la même
distribution et les articulations correspondantes
NOTE Les articulations correspondantes sont l'épaule, le bras, le coude, l'avant-bras, le poignet, etc.
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ISO 17874-4:2006(F)
3.3
bras mécanique
bras d'un télémanipulateur capable d'effectuer des mouvements de positionnement et d'orientation et équipé
d'un effecteur
3.4
crochet d’épaule
équipement similaire au crochet d'un pont, fixé près de l'articulation d'épaule
3.5
crochet de préhension
effecteur doté d'un mouvement linéaire pour soulever et manipuler un objet
3.6
déconnexion
opération mécanique permettant la séparation de deux éléments assemblés
EXEMPLE Déconnexion d'un bras mécanique d’un porteur.
3.7
doigts
〈pinces〉 composants fixés à l'extrémité des pinces pour faciliter la préhension d'un objet
NOTE Les doigts peuvent être déconnectables.
3.8
espace de travail
espace maximal dans lequel les déplacements de la pince peuvent être opérés, compte tenu de toutes les
positions dans lesquelles les différents éléments constitutifs du bras esclave du télémanipulateur peuvent se
déplacer
3.9
manche
manchette flexible, spécialement conçue pour assurer la protection du bras mécanique et, en option, du
télescope
NOTE Ce composant est aussi appelé «booting» (aux États-Unis).
3.10
manipulateur de fûts
télémanipulateur télécommandé simplifié, conçu pour le déplacement et l'empilage de fûts de déchets
radioactifs
3.11
mouvement d'orientation
rotation autour de certains axes du télémanipulateur
NOTE Conformément aux axes considérés, on distingue les trois mouvements suivants: élévation de la pince (α),
rotation de la pince (β) et pivotement ou mouvement azimutal de la pince (γ).
3.12
mouvement de positionnement
mouvement effectuant un déplacement de la pince (ou du système de préhension terminal)
NOTE Conformément aux axes considérés, on distingue trois mouvements différents: x, y et z.
3.13
pince
système de serrage fixé à l'extrémité du bras mécanique et composé d'un actionneur et de doigts
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3.14
poignée
composant saisi par l’opérateur de façon à faciliter la réalisation des mouvements du télémanipulateur et fixé
au pupitre de commande
3.15
porteur
système cinématique mobile permettant le déplacement et le positionnement du bras mécanique à l’intérieur
de l’espace de travail
3.16
télémanipulateur télécommandé
télémanipulateur animé par des moteurs électriques (boucle ouverte en situation opérationnelle)
4 Applications des télémanipulateurs télécommandés
Les télémanipulateurs télécommandés sont utilisés à l’intérieur des bâtiments, spécialement dans les cellules
de haute activité. Ils sont constitués d’un bras mécanique monté sur un porteur se déplaçant sur des rails ou,
parfois, sur un véhicule contrôlé à distance. Les porteurs sur rails sont généralement constitués d’un pont
mobile, d’un chariot et d’un télescope vertical (voir Figure 1). Le bras peut aussi être installé sur un véhicule
sur rails posés sur le sol de la cellule.
Les télémanipulateurs télécommandés permettent, dans la plupart des cas, l’exécution d’efforts importants et,
par conséquent, la manipulation d’objets lourds, qui est leur application typique. Les télémanipulateurs
télécommandés peuvent être utilisés seuls, en tant que dispositifs de manipulation à distance, mais, dans les
cellules chaudes de tailles moyenne ou grande, ils sont généralement utilisés en combinaison avec des
télémanipulateurs maître-esclave mécaniques (voir l'ISO 17874-2). Les deux catégories s’assistent l’une
l’autre.
La mobilité procure aux télémanipulateurs télécommandés un grand espace de travail, supérieur à celui qui
est offert par les télémanipulateurs maître-esclave mécaniques. Ils sont utilisés pour des tâches à réaliser
dans des zones hors d'atteinte par les télémanipulateurs maître-esclave mécaniques et pour le transport
d’objets sur des distances significatives.
La vitesse relativement faible de travail est l’un des désavantages des télémanipulateurs télécommandés. En
outre, ils ne sont pas appropriés à l’exécution de tâches compliquées.
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ISO 17874-4:2006(F)
Légende
1 pont mobile 8 cellule de haute activité
2 chariot 9 câble de transmission
3 télescope avec palan 10 coffret de commande
4 articulation d’épaule 11 armoire de contrôle
5 bras articulé 12 paroi blindée
6 pince 13 fenêtre blindée
7 crochet d’épaule 14 zone avant
a
Le pont mobile, le chariot et le télescope avec palan constituent le porteur.
Figure 1 — Télémanipulateurs télécommandés — Conception pour cellules de haute activité
5 Caractéristiques générales des télémanipulateurs télécommandés
Un manipulateur télécommandé, au sens de la présente partie de l'ISO 17874, est un dispositif de
manipulation à entraînement par moteur électrique commandé à distance, la vitesse étant contrôlée au moyen
d'interrupteurs ou de potentiomètres et par une commande analogique (traditionnellement) ou numérique. En
règle générale, il présente la caractéristique suivante: il possède un bras mécanique articulé qui est placé sur
un système de positionnement, appelé porteur (voir Figure 1).
Le bras mécanique est, dans la plupart des cas, équipé d'une pince à doigts parallèles, avec laquelle des
objets peuvent être manipulés et des forces ou couples peuvent être exercés. La pince doit être étudiée pour
pouvoir tourner indéfiniment. La pince peut être échangée (quelquefois à distance) par d’autres types de
pinces (généralement un crochet de préhension) ou par des outils électriques ou mécaniques, au moyen
d'équipements implantés en cellule.
Avec l’aide d’un crochet fixé sur l’épaule articulée (appelé crochet d'épaule), il est possible de soulever des
objets plus lourds qu'avec la pince [voir Figure 2 a)].
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Dans la plupart des cas, le porteur comprend un pont mobile, un chariot transversal et un télescope vertical
avec palan, pour utilisation dans les cellules chaudes (voir Figure 1). Les services d’un pont léger peuvent
être assurés par le palan.
La vitesse de chaque mouvement peut être déterminée et soit contrôlée par paliers, soit continûment
ajustable, suivant le type de télémanipulateur. Un retour des efforts exercés n'est pas disponible actuellement,
mais la force de serrage de la pince peut être retransmise à l'opérateur par différents moyens. L'effort de
serrage peut être mesuré et limité soit par paliers, soit par présélection, soit au moyen d'un indicateur sonore
d'intensité variable.
Les vitesses maximales des différents types de télémanipulateurs lourds couvrent une large étendue. Pour les
télémanipulateurs lourds conçus pour une utilisation en cellule de haute activité, les caractéristiques suivantes
sont disponibles:
⎯ rotation des pinces: 10 r/min;
⎯ inclinaison de la main, de l'avant-bras et du bras: 1 r/min;
⎯ rotation du bras: 5 r/min;
⎯ levage, mouvement transversal et translation du pont: 5 m/min.
6 Exigences
6.1 Généralités
Les télémanipulateurs télécommandés doivent répondre à nombre de spécifications techniques et de sûreté,
et, en plus, à des exigences concernant l’environnement d’exploitation (par exemple présence de
contamination, de rayonnements ionisants, d’une atmosphère corrosive, d’humidité ou de température
excessive). Quatre classes de capacité de charge peuvent être distinguées: légère, moyenne, lourde et très
lourde, conformément au Tableau 1.
Tableau 1 — Classement des télémanipulateurs télécommandés suivant leur capacité de charge
Capacité de charge, m
kg
Classe de capacité
Pince Crochet
de charge
c
Position du bras Crochet d'épaule
Position horizontale
a
du bras a b
Horizontale Verticale
Légère 20 u m < 50 — — 250 u m < 500
Moyenne 50 u m < 125 50 u m < 125 50 u m < 1 000 500 u m < 1 000
Lourde 125 u m < 300 125 u m < 300 125 u m < 3 000 1 000 u m < 3 000
Très lourde 300 u m < 500 300 u m < 500 300 u m < 5 000 3 000 u m < 5 000
a
Les capacités de charge pour les bras en position horizontale sont dérivées de la force du mécanisme de commande.
b
Les capacités de charge additionnelle en position verticale sont optionnelles; elles doivent être définies selon les exigences
opérationnelles et sont réalisées par une conception adaptée des articulations, des palans et du mécanisme de transport.
c
Les capacités de charge des crochets d'épaule sont basées sur les capacités des palans et du mécanisme de transport.
En plus des porteurs privilégiés pour les cellules de haute activité, qui sont constitués d'un pont mobile, d'un
chariot et d'un télescope vertical (voir Figure 1), il existe en service des porteurs de diverses conceptions, par
exemple chariot mobile sur la paroi d'un mur, grues mobiles à portique, potences pivotantes et autres
conceptions spécifiques.
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ISO 17874-4:2006(F)
Il existe aussi des télémanipulateurs simplifiés, dérivés des télémanipulateurs télécommandés, pour des
usages spécifiques. Les télémanipulateurs simplifiés les plus fréquents sont au nombre de trois, à savoir:
a) les télémanipulateurs de fûts, conçus pour le transport et le gerbage de fûts de déchets radioactifs,
possédant une grande pince qui peut s’incliner [voir Figure 2 b)] à la place d’un bras articulé;
b) les télémanipulateurs destinés à l’échange des composants d'un procédé, possédant un double crochet à
la place du bras articulé à l'extrémité basse du télescope vertical;
c) les ponts roulants pilotés à distance, dérivés des porteurs de télémanipulateurs télécommandés, n'ayant
pas de télescope vertical.
a) Télémanipulateur télécommandé avec crochet b) Télémanipulateur de fûts
Légende
1 articulation de l'épaule 5 télescope avec palan
2 bras articulé 6 pince pour fûts
3 crochet 7 fût à déchets
4 crochet d'épaule
Figure 2 — Télémanipulateurs télécommandés — Exemples
6.2 Matériaux
Puisque les télémanipulateurs télécommandés sont en général de taille importante, comportent des
équipements lourds et sont difficiles d'accès sans risque, il est important de réduire la fréquence des
interventions pour leur maintenance et leur réparation. Par conséquent, les matériaux des composants ayant
des surfaces exposées doivent être protégés contre la corrosion, assurant leur maintien en fonction. La
corrosion peut être accélérée par la présence de rayonnements ionisants. Toutes les surfaces doivent être
conçues pour faciliter un haut niveau de décontamination. Les procédés de décontamination envisagés ne
doivent pas dégrader sensiblement la performance des composants, même quand ils sont utilisés de façon
répétitive (par exemple, les détergents doivent être compatibles avec le matériau constitutif).
Si différents matériaux sont en contact entre eux, toute corrosion de contact doit être empêchée par des
mesures adaptées. Certains éléments spécifiques (câbles électriques, joints de roulement, lubrifiants)
nécessitent l’utilisation de matériaux organiques. Dans ces cas, les matériaux correspondants doivent être
sélectionnés en fonction des niveaux de rayonnement prévisibles, afin d’éviter toute dégradation significative
entre deux intervalles de maintenance.
6.3 Traitements de surface
Les alliages d'aluminium doivent être anodisés. Les aciers qui ne résistent pas à la corrosion doivent être
peints de manière à faciliter la décontamination (généralement une couche de primaire et deux couches de
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peinture) et, si les surfaces sont exposées à des agressions mécaniques, elles doivent être convenablement
revêtues d'un placage (par exemple chromage dur). Les aciers inoxydables doivent être soumis à un
traitement de surface approprié, par exemple ils doivent être décapés et passivés. Selon les conditions
environnementales, d’autres traitements de surface peuvent être appliqués (par exemple galvanisation des
surfaces en acier au carbone).
6.4 Caractéristiques de conception
6.4.1 Caractéristiques principales
Le bras mécanique des télémanipulateurs télécommandés possède de 4 à 8 mouvements incluant de 1 à
3 articulations. Un bras de haute mobilité (8 mouvements incluant 3 articulations), par comparaison avec la
conception privilégiée (5 mouvements incluant 2 articulations), satisfait aux exigences de l’ISO 17874-1:2004,
Article 6, concernant les dispositifs de manipulation à distance pour usages divers (voir Figures 3 et 4). Dans
la plupart des cas, les bras ont de 5 à 7 mouvements. Chaque mouvement est commandé par un moteur.
6.4.2 Modèles
En ce qui concerne la disposition des moteurs des articulations, il y a trois conceptions différentes ayant
chacune ses propriétés, telles que décrites en a) à c) ci-dessous.
a) Motorisation répartie
Dans ce type de conception, tous les moteurs sont situés à proximité du point d’application, ce qui facilite la
conception modulaire et la possibilité de démontage rapide des composants du bras. Par exemple, le moteur
du coude est placé dans le bras et actionne directement l'articulation du coude. Si le montage de la main, de
l’avant-bras et du bras sont en porte à faux, la rotation continue des articulations est possible (voir Figures 5
et 6).
Les bras mécaniques avec les moteurs répartis ont une large étendue de capacité de charge (de 30 kg à
500 kg, suivant le modèle, généralement de 50 kg à 200 kg). Ils mesurent entre 0,45 m et 3 m de long; dans
la plupart des conceptions, ils mesurent de 0,9 m à 1,7 m.
b) Moteurs centralisés dans un capot de protection
Dans ce type de conception, tous les moteurs sont placés dans un capot de protection central, de façon
similaire aux bras esclaves des télémanipulateurs électriques maître-esclave. Ces conceptions sont
particulièrement adaptées à une utilisation avec des systèmes de contrôle/commande par ordinateur (voir 7.6).
Les moteurs doivent être placés au-dessus de l'articulation d'épaule sous un capot moteur central [voir
Figure 7 a)]. Cette conception rend le bras plus mince. On utilise des arbres creux concentriques pour la
transmission des mouvements et des couples depuis les moteurs jusqu’aux éléments du bras. Les
articulations de ces bras mécaniques peuvent accomplir des rotations illimitées en raison de la disposition en
porte à faux du poignet, de l’avant-bras et du bras [voir Figure 7 b)].
Cette conception de bras mécanique possède généralement 7 mouvements (3 mouvements de
positionnement, 3 mouvements d’orientation et 1 mouvement de serrage de la pince), conformément aux
exigences de l'ISO 17874-1:2004, Article 6 (voir Figure 8).
Les bras mécaniques avec les moteurs dans un capot de protection central ont une large étendue de capacité
de charge (de 25 kg à 240 kg, suivant le modèle). Les bras mécaniques mesurent entre 1,0 m et 5,0 m de
long.
Ce type de bras mécanique peut aussi bien être installé dans un fourreau de traversée de mur ou de plafond.
NOTE Le regroupement de multiples bras mécaniques assistés par ordinateur permet aussi de réaliser des opérations
conjointement. Par exemple, la combinaison de deux bras mécaniques de conception de type 6.4.2 b) permet d’améliorer
la dextérité, et la combinaison d’un bras de conception de type 6.4.2 b) et d’un bras de conception de type 6.4.2 a) offre à
la fois une meilleure dextérité et une plus grande capacité de charge.
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Légende
Composants
Bras mécanique:
1 pince
2 main
3 articulation du poignet
4 avant-bras
5 articulation du coude
6 bras
7 articulation de l'épaule
8 capot de protection de l'épaule
Porteur:
9 télescope avec palan
10 pont mobile
11 chariot
Mouvements
12 translation du pont mobile (X)
13 translation du chariot (Y)
14 montée/descente (Z)
15 r
...
Questions, Comments and Discussion
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