关键核设施维护机器人

关键核设施维护机器人关键核设施维护机器人主要是对关键核设施的维护、退役及放射性废物处理。对关键设施进行维护，是核工业机器人最早的应用目标。20世纪80年代，美国、日本、法国、德国等国研究并开发了一系列产品。美国OdeticsIncorporated公司研制的六足移动机器人，可在平面上自由移动，利用安装在其上的小型机械手，执行维修操作。西屋公司研制了可用于核电站蒸汽发生器的检修，可进行小尺寸的补漏，并对补漏效果进行测试的机器人，还研制了用于污染物清除的机器人。日本早稻田大学1997年开发了第一台用于核电站巡检的双足机器人样机。此外，日本还研制了核设备维护和检测的双臂机器人，通过远程操控可操作质量10千克的部件，还为国际热核聚变实验反应堆计划ITER研制了毯式舱替换机器人。法国、德国研制了用于核反应堆检修的机器人和用于蒸汽发生器检修的机器人。近年来，韩国和印度的核电机器人也取得了极大进展，分别研制了喷嘴盖安装与移除机器人和核废料处理机器人。我国从20世纪90年代中期也开展了核工业机器人的研究，研制了分别用于蒸汽发生器和稳压器检修的机器人，以及可用于去污、取样、维修等的遥控移动式机器人样机。核动力设施在运行以后，按照相关规范要求，必须定期或不定期对相关设备进行在役检查，发现是否存在危险性缺陷，定期对其进行跟踪检查或维修，以免发生严重的核泄漏事故。核设施的在役检查与维修，往往涉及强放射性场所，有的甚至需要在有辐射的水下进行，操作者难以接近，给这些工作带来很大的困难。国外普遍使用机器人完整这些检查与维修任务；国内以进口设备为主，价格昂贵，后期养护成本极大，许多工作仍靠人工完成。而目前的国际和国内辐射防护标准已将放射性工作人员的年剂量限制由原来的50mSv降到20mSv，强调“以人为本”。所以在研制开发面向核工业特殊应用的服务机器人有着迫切需求。尽快开展这方面的工作将有助于打破国外技术垄断、满足国家核电和核科学技术可持续发展要求，同时对提高核科技工业的自动化水平、增强核安全和应急处理能力、保护工作人员的健康和安全，以及构建和谐社会主义社会都有积极和重大的社会意义。核环境下机器人共性关键技术，包括：机器人模块化和可靠性设计技术；机器人抗辐射加固技术，去污技术；基于力觉反馈的机器人远程操作与自主控制技术；机器人在核工业环境下的应用标准与规范等；面向核设施在役检查与维修的系列化机器人系统，包括：管道外部和设备间在役机器人；核电站管道内部检查模块化机器人系列，适用于100mm-900mm不同口径的管道；核电站1000mm直径主管道焊缝维修机器人装置；核反应堆内构件检测与维修大型机器人。核废物回收处理机器人系统，可用于放射性固体废物库散乱堆放的废物遥控回收、收集、装桶或装筐。核反应堆燃料棒更换机器人系统，抽离核反应堆旧的燃料棒，并进行新燃料棒的安装。面向放射源核事故应急处理检测与处理机器人，可用于核污染环境探测，核污染源的收集、转移和清理，以及辐照厂卡源事故处理等。核应急机器人的几个关键技术核应急机器人技术实际上体现了现代核技术、电子技术、计算机软硬件技术、人工智能技术以及自动控制技术的一体化集成技术。机器人技术已经发展得较为成熟，并且在核电站检修、核管道检测、核设施退役、危险作业等方面得到了广泛应用，核应急机器人研发的关键技术主要体现在以下几个涉及到核探测与核防护技术方面：（1）多功能核辐射检测仪的研制。该仪器能够实现α、β、γ、中子的综合测量，并实现各测量仪在电路上的有机结合，建立一个辐射检测的公共硬件接口平台，极大地减小整台设备的体积，实现平台化。（2）远程通信系统的组建、相关数据压缩算法的软件实现。（3）核应急辐射监测装备的抗核加固研究，针对强辐射场对电子设备的干扰以及对设备本身材料的影响，研究抗核加固技术，减少电子系统的辐射干扰，延长设备的使用寿命。核应急辐射监测装备的抗核加固,由于电子元器件，特别是集成IC容易受到电磁波及尖峰脉冲的干扰，为保证核应急机器人在核辐射环境及现场可能出现的复杂环境下能正常的工作，必须进行抗核加固设计。首先，在核探测仪器上采用新材料和新方法来增强抗干扰能力。如用含有锂和铈材料的闪烁体制成的玻璃纤维PUMA既能探测核素钚的γ能谱也能探测中子；其次，在设计中应选择抗干扰能力强的芯片，尽量从元器件级保证电路的抗干扰能力；另外，电路设计中设计适当的抗干扰电路（如加滤波电路、二极管限幅等），保证电路在辐射环境下能正常工作；最后，对整套仪器进行适当的辐射防护，以增强系统的可靠性和稳定性。核环境下的遥控操作机器人多为行走机器人。行走机构是行走机器人的重要执行部件，它的优劣对机器人整体性能的好坏起到决定性的作用。行走机构一般由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。其采用的行走机构主要有三种：轮式行走机构，履带式行走机构，吸盘式行走机构。（1）轮式行走机构。这种机构是核电站检修机器人中应用较多的一种移动机构，具有独立驱动装置、换向装置和制动装置，机构下部的滚轮通过电机直接驱动，能够实现机器人的前进、后退、转向等各种运动。（2）履带式行走机构。因为履带式行走机构的支撑面积大、对地压力小、滚动阻力小，对路况具有较强的适应性，所以适应于松软或泥泞场地作业。具有爬坡能力强、越障性能优越、承载能力大的特点，关节履带式移动机构使机器人具有良好的非结构环境适应能力。（3）吸盘式行走机构。采用吸盘式行走机构是为了便于机器人在光滑的平面或曲面上安全可靠的运行，这种行动机构通过吸盘交互地吸附在壁面上来实现机器人的移动管道外部检测核机器人通过采用这种行走机构。一般有两种吸附方式：一种是真空吸盘式，另一种是磁性吸盘式。中国核工业集团对国外进口的一些用于核动力设施检查与维修的自动化装置进行了部分消化吸收，如核反应堆压力容器检查机器人、蒸汽发生器传热管检查与维修定位系统，管道焊缝超声波自动检查系统等，在核设施在役检查与维修方面经验丰富，并开发了一些简易视觉检查装置。国家863高技术研究发展规划的重点主题之一就是先进机器人技术，在机器人机构、感知、驱动、智能控制等方面不仅取得了若干关键技术突破，在国家经济发展与国防建设中发挥了重要作用，缩小了与国外的差距，而且在人才团队和实验平台方面提供了重要储备。在863计划的支持下，国内危险作业机器人、核工业用机器人方面也有了一些前期工作。“八五”期间研制了“核工业遥控关节履带式移动机器人”原理样机，开发了核工业废液储罐壁面移动机器人等。近期又研制了“核辐射探测与处理机器人系统”以及“危险化学品泄漏检测与修补移动机械手系统”等，在移动机器人载带平台、机械臂设计、防辐射设计、小型核辐射探测装置等方面积累了一定的经验。参考文献：陈历仁，机器人在核工业中的应用，机器人情报。863先进制造技术领域专家组