核電站機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

馬永紅 劉伊威 何 贇 馬其釗

（1.中核四川環(huán)保工程有限公司，四川 廣元 628007；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150006）

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界人口和經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，人類面臨著諸如煤炭、石油等化石燃料日益枯竭的能源問(wèn)題。為此，世界各國(guó)積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，通過(guò)布局核電來(lái)滿足人類對(duì)電力的需求，同時(shí)極大地減少了對(duì)環(huán)境的污染。雖然核能給人類帶來(lái)了源源不斷的能量，但人類也可能面臨核輻射所帶來(lái)的嚴(yán)重威脅，如1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏事故、1999年日本鈾回收處理設(shè)施核事故、2011年日本福島核電站特大核泄漏事故等。為確保核電站的安全運(yùn)行，核電設(shè)施的在役檢查和維護(hù)作業(yè)，以及發(fā)生核事故后的應(yīng)急處置工作必不可少。但核電站內(nèi)部場(chǎng)地狹窄，管道縱橫交錯(cuò)，且存在著高輻射、高溫、強(qiáng)酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境，工作人員無(wú)法進(jìn)入某些特性區(qū)域?qū)υO(shè)備進(jìn)行維修、檢查等操作。為了應(yīng)對(duì)上述復(fù)雜而危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，采用機(jī)器人代替人執(zhí)行巡檢與核電設(shè)施維護(hù)、事故應(yīng)急處理與救援、核電設(shè)施的拆解與搬運(yùn)等工作，可大幅度提高核電站的檢修水平或事故處理效率，從根本上避免人員受到輻射傷害，體現(xiàn)了以人為本的安全理念，有著不可估量的社會(huì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本文將對(duì)核電站機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析，并對(duì)核電機(jī)器人技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 核電站機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 核電設(shè)施巡檢與維護(hù)機(jī)器人

核電設(shè)施的巡檢與維護(hù)是核電站安全運(yùn)行的前提。從20世紀(jì)80年代起，美國(guó)、法國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)就開(kāi)發(fā)研制了一系列核電設(shè)施巡檢與維護(hù)機(jī)器人。SURBOT機(jī)器人由美國(guó)Remotec公司開(kāi)發(fā)研制，其外形為圓柱體狀，直徑790mm，高度1400mm，重量270kg，移動(dòng)靈活，回轉(zhuǎn)半徑可接近于0。機(jī)器人配有七自由度機(jī)械臂，能夠執(zhí)行諸如開(kāi)關(guān)閥門(mén)、清潔異物等任務(wù)。日本核安全中心研發(fā)的履帶式核電站巡檢和維護(hù)機(jī)器人Monirobo，如圖1所示。該機(jī)器人體積為1.5m×1.5m×0.8m，重量約為600kg，雙履帶每分鐘可以行進(jìn)40m，配有可移除障礙和收集樣品的機(jī)械臂，可對(duì)環(huán)境中的粉塵樣品和可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 Monirobo機(jī)器人

雖然國(guó)內(nèi)針對(duì)核電站機(jī)器人的研究起步較晚，但發(fā)展速度較快。東南大學(xué)與南京軍區(qū)防化研究所合作研制了一款可應(yīng)用核環(huán)境下的偵察與探測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人自重27kg，平地最大負(fù)載60kg，搭載的機(jī)械臂最大伸展長(zhǎng)度為1m，可以攀爬小于45°的斜坡，并可進(jìn)入10Gy/h的放射性環(huán)境中工作，執(zhí)行完任務(wù)后可自行洗消。

1.2 事故應(yīng)急處理與救援機(jī)器人

核事故發(fā)生后，大量放射性物質(zhì)泄露到空氣中，核反應(yīng)堆周?chē)h(huán)境在爆炸和火災(zāi)中變得異常復(fù)雜。為了避免人受到高強(qiáng)度輻射或二次爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人在核事故應(yīng)急處理與救援領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1990年，美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制出了緊急事務(wù)響應(yīng)機(jī)器人HAZBOT。該機(jī)器人能夠應(yīng)用于執(zhí)行危險(xiǎn)物品緊急響應(yīng)任務(wù)，包括事故定位和特性描述、危險(xiǎn)物識(shí)別分類、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和監(jiān)測(cè)，并最終減輕事故后果。日本千葉工業(yè)大學(xué)研制的Quince機(jī)器人將多自由度機(jī)械臂加裝在履帶移動(dòng)平臺(tái)上，操作人員可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)、夾起物品等操作。Quince經(jīng)過(guò)改良后被部署在福島第一核電站1號(hào)3單元的反應(yīng)堆建筑內(nèi)進(jìn)行偵察，并對(duì)放射性廢水做了取樣，進(jìn)行了熱度和劑量率測(cè)量?；赒uince機(jī)器人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，千葉工業(yè)大學(xué)聯(lián)合日本三菱重工又研發(fā)了如圖2所示的機(jī)器人櫻花2號(hào)，并投入到福島核電站的救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。櫻花2號(hào)機(jī)器人尺寸為710×420×540mm，重量為60kg，最快時(shí)速為1.2km。機(jī)器人內(nèi)置電池的續(xù)航時(shí)間為2.5h，完全代替工作人員完成事故現(xiàn)場(chǎng)的探查任務(wù)。

圖2 櫻花2號(hào)機(jī)器人

1.3 核退役機(jī)器人

隨著核工業(yè)的迅速發(fā)展，各國(guó)在大力新建核電設(shè)施的同時(shí)，也面臨著早期核電設(shè)施的退役、拆解等問(wèn)題。在捷克斯洛伐克共和國(guó)第一臺(tái)核電站A-1核電站的退役工程中，應(yīng)用了MT-15普通型移動(dòng)機(jī)器人、MT-80通用型機(jī)器人和DENAR-41長(zhǎng)臂機(jī)器人。

如圖3所示，MT-15是由履帶式移動(dòng)小車(chē)搭載4自由度靈活機(jī)械手組成的模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)由蓄電池供電，同時(shí)配備有兩個(gè)相機(jī)，以完成核環(huán)境采樣、測(cè)量和凈化。MT-80機(jī)器人具有6個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，主要用于核環(huán)境下工作的設(shè)備和管道的拆解、切割和回收。DENAR-41機(jī)器人有7個(gè)自由度，基座固接在一個(gè)軸承系統(tǒng)上，機(jī)械臂關(guān)節(jié)由液壓驅(qū)動(dòng)，主要用于地下存儲(chǔ)罐的切割、凈化等任務(wù)。

圖3 MT-15型機(jī)器人

2 核電站機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向

從上節(jié)的研究現(xiàn)狀可以看出，核電站機(jī)器人及其技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩的成果，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重大作用。隨著傳感技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和制造工藝水平的提高，高智能化、高可靠性、高惡劣環(huán)境適應(yīng)性和功能多樣性等將成為核電站機(jī)器人應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為核電站機(jī)器人的移動(dòng)載體，移動(dòng)機(jī)構(gòu)必須具有以下特點(diǎn)：一定的移動(dòng)速度和低能耗；良好的姿態(tài)穩(wěn)定性和高運(yùn)動(dòng)精度；適應(yīng)各種地理環(huán)境，有一定的爬坡和越障能力。針對(duì)不同的作業(yè)環(huán)境，核電站機(jī)器人可以采取不同形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括輪式、腿式、輪腿式、履帶式、爬壁式等。目前，移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是：從輪履式結(jié)構(gòu)向仿生結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，尺寸上向微小型化方向發(fā)展。

2.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

作為核電站機(jī)器人的操作裝置，機(jī)械手在非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境中能夠完成各種復(fù)雜的操作作業(yè)，是核電站機(jī)器人的重要組成部分。用于核電站的機(jī)械手具有以下技術(shù)要求：靈巧性和可操作性好，能夠適應(yīng)不同的操作對(duì)象和作業(yè)任務(wù)，結(jié)構(gòu)緊湊，定位精度高，較小的自重和較大的負(fù)載能力，具有位置和力感知，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高。

2.3 核輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

核電站機(jī)器人區(qū)別于其他工業(yè)機(jī)器人的最大特征就是適應(yīng)核輻射特殊服役環(huán)境，這就要求核電站機(jī)器人，特別是其視頻檢查系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)能夠在較高的輻射環(huán)境下保持正常工作。解決途徑包括兩個(gè)方面：一是對(duì)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)進(jìn)行耐輻射設(shè)計(jì)；二是要采用一定的核防護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)處在相對(duì)安全的環(huán)境下工作。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)

目前，機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。提高核電站機(jī)器人可靠性所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的故障容錯(cuò)控制、三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)和故障模擬測(cè)試技術(shù)等。

2.5 自主智能化設(shè)計(jì)

核電站機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行智能避讓、自動(dòng)搜索，在無(wú)人工干預(yù)的情況下，快速確定搜索路徑，順利通過(guò)各種障礙物和狹隘的通道，精確定位到需要檢查或修復(fù)部位的技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。核電站機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的自動(dòng)判斷、自動(dòng)識(shí)別，這需要核電現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)支持和高端傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)支持。在部分維修過(guò)程中，還需要具備自主修復(fù)功能，對(duì)機(jī)器人本身的故障能夠做出自主判斷和處理，以保證維修工作的正常進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析現(xiàn)有核電站機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)核電機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。隨著我國(guó)在精密機(jī)械加工、自動(dòng)化控制、信息技術(shù)等方面的強(qiáng)勢(shì)崛起，開(kāi)發(fā)出針對(duì)核電站特殊環(huán)境的系列化、規(guī)?；瘷C(jī)器人裝置的目標(biāo)一定可以實(shí)現(xiàn)，核電站機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用必將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展期。