核电站机器人技术应用现状及发展趋势

12《机器人技术与应用》双月刊第3期0引言由于核电站设备结构复杂，设备本身或其运行环境具有放射性，同时还兼具水下、高温、高压等特点，简单的机械手往往不能完成相关操作，利用机器人进行设备检修、乏燃料转运、放射性废物处置和核事故应急处理等工作，可以大幅提高核电站的检修水平或事故处理效率，降低工作人员受照剂量和劳动强度。致力于开发出适应核辐射环境，性能先进、可靠的核电站机器人一直是核工业界追求的目标。随着我国《核电中长期发展规划(2005-2020年)》的出台，核电产业将得到重点发展，为提高核电站运行的安全性及经济性，开发核电站机器人已成为核工业界的期盼和共识。日本福岛核电站事故发生后，在事故处理和救灾方面所面临的巨大困难，使人们更加清楚地认识到：核电站机器人在事故后环境剂量率水平监测、关键阀门开关、放射性污水和其它放射性废物处理、路障清除、自动注水、应急焊接等方面所应发挥的重大作用。1核电站机器人技术发展历史及现状1.1国内外核电机器人发展历史国外核电机器人的发展历史较长，美国、法国、德国、日本等发达国家早在上世纪40年代就已经展开了核环境下机器人技术的研究工作，并研制成功了多种样机。比较具有代表性的包括：美国阿贡实验室开发的世界上昀早用于核工业，名为M1的遥控式机械手，它可用于放射性物质的操作，有效降低了人员的受照剂量。之后，美国又相继开发出Odex系列机器人。1997年，日本早稻田大学开发出世界上第一台双足行走机器人，用于核电站设备的检查工作。现在欧美等国家又研制出功能更强、可靠性更高，并且可以真正适应高辐射环境、实现远距离操作的核电站机器人，例如德国的EMSM系列、法国SRA公司的FOSAR系列、美国的SAMSIN系列，以及此次在日本福岛核电站投用的美国iRobot公司的两台机器人Packbot和Warrior。但从目前新闻报道来看，由于日本福岛核电站的极端特殊性，美国此次投入使用的作业机器人现场的应用效果不是很理想。从行业发展趋势来看，工业发达国家，如美国、法国、日本、瑞典等都投入了大量的人力、物力进行了核电智能机器人的研发。国内核电站机器人起步较晚，相关产品还主要依赖进口。究其原因，是由于过去我国核电规模较小，核电机器人市场需求小，同时技术研发难度大，前期国内只有极少数的科研单位展开了相关研究，部分研制产品可靠性不高，前期曾研制出的移核电站机器人技术应用现状及发展趋势摘要：随着核电站建设的不断发展和公众对核安全事故的高度关注，利用先进的机器人技术解决核电站特殊服役环境下的日常检修、事故处理等复杂操作已成为全球机器人发展的热点。本文介绍了核电站机器人技术应用现状及发展趋势，提出了我国核电站机器人发展的应用需求和发展思路。关键词：核电站，机器人，应用Abstract:Withthecontinuousconstructionofnuclearpowerstationandthepublichighconcernsaboutnuclearsafety,theuseofadvancedrobottechnologytosolvedailymaintenance,incidenthandlingandothercomplexoperationsunderspecialserviceconditionsinnuclearpowerstationshasbecomethefocusofrobotdevelopmentintheworld.Thispaperintroducesthecurrentapplicationanddevelopmentdirectionofrobottechnologyfornuclearpowerstation,thenanalysestheapplicationneedsanddevelopmentideasofrobotfornuclearpowerstationinChina.Keywords:nuclearpowerstationrobotapplication专题报道SpecialReports刘青松张一心向文元黄文有钱建华董亚超中科华核电技术研究院2011年5月30日《机器人技术与应用》13动式作业机器人及壁面爬行机器人也未得到大面积行业推广。随着我国核电产业步伐的加快，多家核电运营的业主公司都纷纷采购一些国外的机器人设备，但采购的国外核电站机器人往往价格昂贵，且核心技术仍掌握在国外大公司手上，维护困难。随着我国核电站的相继建设，国内核电行业对机器人的需求日渐迫切，国内多家单位已经展开核电站机器人技术的研究及应用，例如，中国广东核电集团已经联合国内机器人行业的优势高校和科研机构，针对高辐射环境水下机器人、无损在役检查设备、检修机器人技术展开研究，并已开始建设核电站机器人研发实验室等。1.2核电站机器人技术现状核电站机器人发展至今天，已经由早期较简单的遥控式机械手，发展成为融合了先进的传感技术、视觉处理技术、驱动技术和远程控制技术的自动化、智能化产品。代表核电站机器人技术发展现状和发展水平的主要表现在以下几个方面。(1)先进的驱动机构驱动机构不仅是实现核电站机器人行走、翻越障碍物、水下运动所必不可少的系统，而且它往往还起到支撑机器人机身和末端执行机构的作用，所以驱动机构设计的合理性和控制系统的性能直接决定着核电站机器人的运动速度、灵活性、定位精度、跨越障碍能力、路径搜索效率等关键性能指标。针对不同的工作环境，核电站机器人在设计过程中也采取了不同的驱动机构。例如爬行机器人一般采用轮式、履带式、吸盘式或四足式驱动机构，不仅可以灵活地前进、后退、转弯，而且有些还可以跳跃、爬梯、跨越障碍物等。水下核电站机器人驱动机构多采用螺旋桨式和仿生鱼结构，可以实现在水中自由前进、后退、上浮、下潜、转弯和在水中任意位置的悬浮，有些水下视频检查机器人驱动机构的定位精度可达2mm左右。而用于空中辐射环境侦测和异物搜索的核电站机器人驱动机构则大多是旋翼式，能够获得较短的着陆滑跑距离和较高的飞行稳定性。就驱动技术而言，为减小驱动机构体积，使其结构尽量紧凑，核电站机器人多采用直流电机驱动，对于大负载核电机器人，则一般采用高密度液压驱动技术。(2)较高耐辐射能力核电站专用机器人区别于其它工业机器人的昀大特征就是适应核辐射特殊服役环境，这就要求核电站机器人，特别是其视频检查系统、传感系统和信号传输系统能够在较高的辐射环境下保持正常工作。为提高核电站机器人的耐辐射能力，在材料选择、结构设计、辐射防护加固和控制算法等方面进行了大量的研究工作。其中昀具代表性的是对摄像头耐辐射技术的研究，目前美国Mirion公司专门针对核电站开发的IST系列摄像头，其耐辐射能力可达106rad/h，能够满足核电站正常工况和一般事故工况下视频检查的需要，但若想适应某些严重事故下特殊的高辐射环境，还有一定差距。国内所研发摄像头的耐辐射能力可达104rad/h，部分科研院所已经展开更高耐辐射能力摄像头的研发，以期达到国际先进水平。(3)灵巧的末端执行机构世界上第一台用于核工业的简单机器人便是可遥控的机械手，由此可见末端执行机构对于核电站机器人完成特定任务的重要性。现在，核电站机器人末端执行机构已经发展的多种多样，例如，有用于抓取物体、开关设备的多关节机械手，有用于反应堆水池、乏燃料水池异物打捞的微型真空泵、打捞网，有用于水下焊接的自动焊接机等。虽然这些末端执行机构的结构形式各不相同，但都具备定位精度高、可靠性高、专用性强、并且具备一定耐辐射能力等特点。例如，核电站水下自动焊接机器人的末端执行机构已具备自动进丝、引弧、再启动，自动解除粘丝、自动控制焊接轨迹、调整焊枪姿态、控制焊接参数的功能。总之，随着制造业和控制技术的发展，核电站机器人末端执行机构已能满足越来越多正常检修场合的需要。但由于核事故发生后情况的不确定性，各国针对核事故后应急维修所开发的末端执行机构还较少，这也直接导致本次日本福岛核电站事故后，很多机器人不能直接用于紧急抢修。所以，根据核事故的经验反馈，对末端执行机构进行适应性研究，是今后核电站机器人研究的一个重要内容。（4）远距离实时控制由于核电站中设备、管道布置复杂，操作空间狭小，为保证核电站机器人在运动、操作过程中不损伤目标设备，提高其工作的可靠性，核电站还很少采用自主决策的智能化机器人，而多采用远程线缆操控的方式，控制机器人完成指定任务。所以基于嵌入式控制技术的实时视频、控制信号传输技术在核电站机器人的研究中得到大量应用。此外，核电站电磁环境较为复杂，且某些场合不允许进行无线信号传输，除部分巡检、视频检查机器人外，核心设备检修机器人一般采用有缆控制的方式。为了使人员尽量远离高辐射区域，现场总线等新一代有线传输技术在核电站机器人产品中也得到了广泛的应用。2核电站机器人发展的关键技术针对核电站设备的常规维修、设备更换、应急事故处理、核废物处理和设备去污等需求，各国均纷纷开展核机器人研究，核电站机器人技术取得了一定进步，在部分领域突破了一些关键技术。核电动式作业机器人及壁面爬行机器人也未得到大面积专题报道SpecialReports14《机器人技术与应用》双月刊第3期站机器人除了结构设计、导航与定位技术、多传感系统融合技术、实时控制技术外，区别于其它工业机器人的关键技术主要包括以下几个方面。（1）关键系统耐辐射技术核电站在运行时会释放大量的α、β、γ射线和中子，容易导致核电站机器人传感器、电子器件、信号传输系统瞬间失灵，也会加速绝缘材料、滑润剂、粘合剂、密封部件的老化。其中受影响昀大的是摄像头，由于使用了光电传感器，摄像头内部元件同时受到光脉冲干扰和强电离辐射干扰，极易损坏。关键部件、系统的耐辐射性能是核电站机器人需要攻克的核心技术之一。各国的研究人员在耐辐射材料选择、材料加工工艺等方面做了大量的研究工作。例如，韩国对核电站高压管检测机器人的辐射硬化技术进行了深入的研究，在辐射硬化工艺步骤、硬化策略以及材料选择等方面获得了较理想的结果。此外，各国在进行结构设计时，对关键部件都采取了辐照加固，以增强核电站机器人的耐辐射能力。（2）核电站机器人高可靠性技术核电站机器人在工作时，大多面对高放射性。核心设备，一旦发生故障，不仅本身无法完成任务，而且还会成为新的事故源，带来更棘手的事故处理问题。所以高可靠性一直是各国核电站机器人产品所追求的主要性能指标之一。核电站机器人高可靠性技术主要包括结构的优化设计、控制系统冗余设计、模块化设计技术、机电一体化集成技术和三维运动仿真技术。欧美等发达国家还针对核电站机器人全寿命过程中发生故障的原因、类型、概率、发展规律进行了研究，并建立故障模型。在设计阶段充分考虑故障发生的可能性，并进行故障模拟，使机器人具备故障模式下自我诊断和自我处理的能力，可以进一步提高核电站机器人的可靠性。（3）核电站机器人应用鉴定技术核电站机器人虽然本身不属于核安全相关设备，但是它的工作领域和工作对象却往往是核安全相关设备，例如反应堆堆芯、反应堆压力容器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂系统主泵等，所以核电站机器人在实际应用前必须经过严格的鉴定。鉴定必须就核电站机器人应用相关设计数据、运行需求和事故状况进行精确模拟和试验验证。核电站机器人鉴定技术主要包括三维动态仿真技术和样机鉴定技术两个方面。三维动态仿真技术主要指在研发过程中建立核电站相关设备和机器人三维模型，利用动态仿真软件实时验证机器人与环境的适应性和结构、控制系统的合理性。样机鉴定技术主要针对所研发核电机器人的功能及技术指标，进行耐辐照测试、电磁兼容性测试、高温或低温环境下性能测试、综合性能测试等鉴定性试验。除上述关键技术外，核电站复杂环境、狭小空间自适应和精确定位技术，防污、去污技术，核辐射和硼酸环境中的水下动静密封技术、应用标准与规范制定技术同样是核电站机器人在研发和使用过程中必须解决的主要技术。3核电站机器人技术应用需求分析核电站机器人所完成的工作不是在生产线的规定位置完成已经安排好的任务，而是要完成位置不定、多种多样变化的工作。核电站机器人主要用于放射性不可接近环境现场，可以对