核電站應(yīng)急機(jī)器人

（1）輻射防護(hù)。需要考慮的主要輻射類型是γ、α、β和中子，α輻射主要和表面涂層、線纜材料有關(guān)。中子輻射對某些類型的電子部件影響很大，但中子水平在運(yùn)行反應(yīng)堆外一般很低。α和β輻射都可以通過相對薄的外殼進(jìn)行有效屏蔽，γ射線是對電子、電氣和機(jī)器人部件最有影響的射線。目前機(jī)器人技術(shù)和電子電路技術(shù)取得飛快進(jìn)展，但由于可靠性等原因?qū)斯I(yè)領(lǐng)域影響有限。而且，如果通過鉛板屏蔽加固防護(hù)意味著加大重量，反而降低了機(jī)器人的靈活性和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）遠(yuǎn)程操作和人機(jī)交互接口。在機(jī)器人和操作人員之間存在一定距離，這樣就需要操作人員有足夠的感知力和操作技巧，有效完成遠(yuǎn)程操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以輔助完成路徑規(guī)劃可視化、動作執(zhí)行前的預(yù)覽、操作培訓(xùn)等功能，使操作更安全，而且易于使用。

（3）通信系統(tǒng)。機(jī)器人終端和遠(yuǎn)程操作臺之間存在大量的圖像數(shù)據(jù)和信息傳輸，需要提供足夠的通信帶寬和穩(wěn)定性。由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，采用主線纜連接可能會出現(xiàn)線纜卡住的情況。采用無線通信，則存在現(xiàn)場建筑物屏蔽等問題，而且電磁波多次反射，延遲會累積，對實(shí)際效果帶來影響。

（4）系統(tǒng)集成。由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性（狹小空間，很多障礙物），機(jī)器人需要體積小重量輕而且易于操作，可以攜帶重工具進(jìn)行工作。此外，還有高功率、機(jī)構(gòu)剛度、電池性能等要求。

（5）系統(tǒng)運(yùn)行性能，包括移動性能和執(zhí)行任務(wù)的性能，影響因素較多，包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器感知能力、控制系統(tǒng)響應(yīng)能力等。

一直以來，各國的研發(fā)人員都在根據(jù)新的設(shè)計(jì)需求研發(fā)核電站事故應(yīng)急用機(jī)器人，以滿足現(xiàn)場的各種具體需求。下面結(jié)合切爾諾貝利、日本JCO、福島核事故之后的研發(fā)機(jī)器人進(jìn)行描述 。

（1）切爾諾貝利核事故

在1986年發(fā)生的切爾諾貝利事故中，投入了一批機(jī)器人用于清理高放射性現(xiàn)場的垃圾。一個(gè)德國機(jī)器人只持續(xù)了7分鐘，輻射就摧毀了機(jī)器人機(jī)載的電子部件，使其喪失了工作能力。后續(xù)投入的Mobot－ChHV 裝備有電機(jī)組件，不配備電子部件，用于清除屋頂上的放射性垃圾。切爾諾貝利事件激勵一些研發(fā)人員更多地投入到遠(yuǎn)程操作機(jī)器人技術(shù)上來。其中，卡耐基梅隆大學(xué)的一些研究人員成立了RedZone機(jī)器人公司，用于研發(fā)危險(xiǎn)環(huán)境下的遠(yuǎn)程機(jī)器人技術(shù)，并成功完成了ROSIE、Pioneer等機(jī)器人系統(tǒng)。以Pioneer為例，該機(jī)器人為全電控的履帶車輛，采用模塊化設(shè)計(jì)，用于核事故后處理操作，主要針對切爾諾貝利核電站4號機(jī)組內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行記錄。Pioneer機(jī)器人由拖動車輛和中心升降桿（1.4m高）構(gòu)成，攜帶有遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)、取樣工具、機(jī)械手臂、傳感器（γ/中子劑量傳感器、溫濕度傳感器）等，機(jī)械手臂為6自由度機(jī)械手，在最大臂展1.68m時(shí)提供45kg的負(fù)荷能力?？刂齐娐凡捎闷帘魏羞M(jìn)行防護(hù)，每個(gè)攝像頭采用1.25cm 的鉛板。機(jī)器人系統(tǒng)可在劑量率5-10Sv/h的場合下承受高達(dá)10kSv的劑量。

（2）JCO臨界核事故

1999年9月日本發(fā)生JCO核臨界事故，由于人員在高輻射水平下操作受限，過了一定時(shí)間才得到事故信息，然后終止臨界反應(yīng)。為此，日立、東芝、三菱重工、日本原子能研究院JAERI等研制了各種緊急救援用的機(jī)器人系統(tǒng)。JAERI研發(fā)的RaBOT耐輻照機(jī)器人，是一款帶有雙手臂的移動機(jī)器人，基本配置為4個(gè)獨(dú)立控制的履帶、7個(gè)CCD相機(jī)（布置在頂端云臺、兩側(cè)、后側(cè)和機(jī)械手末端）、2個(gè)機(jī)械手臂，總重量約430kg。RaBOT 通過移動集裝箱進(jìn)行有線或無線控制，無線操作采用2．4GHz無線通信系統(tǒng)，使用中繼器提供通信區(qū)域。RaBOT 可以在γ輻射達(dá)105Sv、劑量率10Sv/h的現(xiàn)場下工作，爬行40度斜坡，完成開關(guān)閥門、開關(guān)門、樣品收集等操作。該機(jī)器人的電子部件如CCD相機(jī)、控制設(shè)備等采用模塊化，可以在事故現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程更換。東芝公司研發(fā)了兩種移動機(jī)器人SMERT－M 和SMERT－K，用于迅速到達(dá)緊急區(qū)域收集信息。SMERT－M 是雙履帶機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人系統(tǒng)，裝備有傳感器單元、伸縮桿機(jī)構(gòu)、多軸機(jī)械手臂和運(yùn)載SMERT－K 的斜坡。傳感器包括有輻射監(jiān)測（γ射線、中子）、溫濕度傳感器、氧氣/氫氣濃度、CCD/紅外相機(jī)和耐輻射相機(jī)。SMERT－K 為小型的輪式機(jī)器人，可以在狹窄空間內(nèi)迅速靈活移動。三菱重工同樣采用履帶機(jī)構(gòu)研發(fā)了MARS－A/T機(jī)器人。主要指標(biāo)為：最大斜坡角度40度，行走速度2km/h；環(huán)境條件：最高溫度50度，最高濕度100%，在10Sv/h環(huán)境下可運(yùn)行數(shù)小時(shí)，根據(jù)累計(jì)劑量可以更換控制單元；控制信號和供電連接通過10mm直徑的線纜傳輸，帶有自動卷收線纜系統(tǒng)。核安全技術(shù)中心研發(fā)了環(huán)境監(jiān)控機(jī)器人，用于收集事故點(diǎn)的信息，輔助確定輻照防護(hù)措施。機(jī)器人由集裝箱卡車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，集裝箱內(nèi)配備有發(fā)電機(jī)、操作室（機(jī)器人控制單元、搖桿手柄、通信單元、視頻顯示等）。日立公司的SWAN 機(jī)器人尺寸為620mm×960mm×1700mm，重量約330kg，可以攀爬0.2m高的樓梯，執(zhí)行開關(guān)門操作、開關(guān)閥門操作、氣體取樣、水取樣等操作。機(jī)器人配備6自由度機(jī)械手及氣動操作工具，臂展0.9m，最大負(fù)荷100N。遠(yuǎn)程操作臺提供搖桿方式的操作，和機(jī)械手操作界面。同時(shí)提供2套多視頻監(jiān)視器和頭戴式立體視頻，用于監(jiān)控遠(yuǎn)端操作。

（3）福島核事故

日本2011年3月11日發(fā)生了東部地震，隨之即來的就是福島核電站事故。由于現(xiàn)場為高放射性區(qū)域，人員無法進(jìn)入，美國、瑞典和日本均先后派遣機(jī)器人抵達(dá)核電站實(shí)施救援工作。美國iRobot公司的packBot機(jī)器人主要用于監(jiān)測1、2、3號機(jī)組室內(nèi)室外的狀態(tài)監(jiān)測，可以拍攝圖像、記錄輻射劑量、溫濕度、氧氣濃度等物理量。PackBot外形尺寸約為700mm×530mm×180mm，重約35kg，最大速度9.3km/h，最大不間斷續(xù)航時(shí)間為4h。此外，PackBot可以提供傾翻自調(diào)整、通信自恢復(fù)、GPS定位等功能。

目前在世界上有超過450個(gè)核電站，其中有210個(gè)在歐洲。歐洲約三分之一的電力供應(yīng)，美國約20%的電力，日本約25%的電力供應(yīng)均來源于核電。由于化石能源產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，核電站的總裝機(jī)容量呈持續(xù)上升趨勢 。

在核工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于設(shè)備本身或其運(yùn)行環(huán)境具有放射性，人員操作存在安全風(fēng)險(xiǎn)或操作受限等情況，而采用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備檢修、放射性廢物處理、應(yīng)急響應(yīng)等工作，一方面降低了用于人工防護(hù)設(shè)備的成本及管理成本，另一方面降低了工作人員受輻照劑量和勞動強(qiáng)度。隨著核電站裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，對機(jī)器人應(yīng)用的需求將日益迫切。

對核電站應(yīng)急情況而言，在輻射環(huán)境下發(fā)生事故是個(gè)潛在的危險(xiǎn)，需要研發(fā)一個(gè)快速響應(yīng)應(yīng)急監(jiān)測的工具，用于對現(xiàn)場劑量率進(jìn)行監(jiān)測，盡快確認(rèn)現(xiàn)場狀況及故障起因，為盡可能快的進(jìn)行救援提供參考信息。無論是日本1999年的JCO臨界事故還是福島核事故，都暴露了應(yīng)對緊急情況時(shí)的措施乏力，其中一個(gè)原因就是對現(xiàn)場狀況不明，影響了執(zhí)行救援的及時(shí)性。一直以來，研發(fā)人員們都在根據(jù)新的設(shè)計(jì)需求不斷地研發(fā)核電站特定環(huán)境下的機(jī)器人系統(tǒng)，以滿足更加嚴(yán)苛的現(xiàn)場需求。

核電站對應(yīng)急機(jī)器人的要求是如果要對核設(shè)施緊急情況采取措施，首先需要了解現(xiàn)場的狀況。由于在事故現(xiàn)場人工收集環(huán)境信息存在輻射和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，所以采用遠(yuǎn)程控制進(jìn)行監(jiān)控是非常有必要的。機(jī)器人需要在現(xiàn)場非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行進(jìn)，同時(shí)配備視頻系統(tǒng)等工具，并將相關(guān)采集信息進(jìn)行回傳到遠(yuǎn)程操作臺。核電站現(xiàn)場設(shè)施周圍環(huán)境條件復(fù)雜，有很多類型的設(shè)備，從而對機(jī)器人設(shè)計(jì)提出了諸多要求，尤其是在核電站應(yīng)急情況下，必須充分考慮到機(jī)器人可能面對的各種狀況 。機(jī)器人規(guī)格設(shè)計(jì)需要考慮如下方面：

（1）環(huán)境灰塵較大，γ輻射劑量率高；

（2）機(jī)器人為模塊化設(shè)計(jì)，便于快速維護(hù)、更換部件，及清洗去污處理；

（3）溫度變化范圍為-10℃～30℃，可能出現(xiàn)水流，形成小水坑；

（4）現(xiàn)場門入口尺寸受限，必須考慮機(jī)器人最小尺寸便于安全通過；

（5）機(jī)器人可以爬40度斜坡，地面凈空高度在合理范圍內(nèi)；

（6）速度范圍為0．3～3m/min，在全負(fù)荷下的制動距離不超過3mm；

（7）可以爬樓梯、翻越障礙、開門、搬運(yùn)現(xiàn)場物品等；

（8）機(jī)載多個(gè)相機(jī)，用于觀察路徑或工作區(qū)域，焦距長度在0．5～10m之間；

（9） 照明設(shè)備在10m 范圍內(nèi)照度為120lx；

在很多情況下，尤其對機(jī)器人應(yīng)用，這些條件都會因?yàn)榍懈?、焊接、鉆孔作業(yè)進(jìn)行混合，會比類似非核應(yīng)用的機(jī)器人環(huán)境更為惡劣。

1　耐輻射技術(shù)

機(jī)器人系統(tǒng)需要在放射性環(huán)境中或是對放射性部件本身進(jìn)行檢查或操作，而機(jī)器人系統(tǒng)中包含有電子部件，可能會被γ輻射和放射材料釋放的其他粒子所損害。除了離反應(yīng)堆很近的距離范圍外，γ輻射是能影響材料和電子線路的主要輻射來源。γ射線是對電子、電氣和機(jī)器人部件最有影響的放射性粒子，需要提供足夠的鉛板，才能有效防護(hù)，但在很多情況下增加鉛板會帶來過多的額外重量，以60co為例，需要4cm厚的鉛板，137Cs需要2cm厚的鉛板屏蔽來削弱同樣的輻射。對輻射固化的研究分析表明，電子器件的耐輻射性能與總劑量、劑量率都有關(guān)系。γ輻射的劑量率和總劑量在核電廠范圍內(nèi)變化很大，一些場合的輻射密度和劑量比較低，這些場合下可以使用常規(guī)部件（或集成電路），在其他場合下（如在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的操作），劑量率可能達(dá)到每小時(shí)幾百個(gè)Sv，這時(shí)需要做一些特定的防護(hù)。

2　系統(tǒng)可靠性

核電站應(yīng)急響應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)通常工作在危險(xiǎn)區(qū)域，由于這些系統(tǒng)失效很難維修，導(dǎo)致維修時(shí)間較長，所以需要確保系統(tǒng)的高可靠性。目前，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較慢，其中一個(gè)原因就是新技術(shù)缺乏相應(yīng)的可靠性驗(yàn)證。系統(tǒng)的可靠性更多地取決于設(shè)計(jì)可靠性、遠(yuǎn)程通信和人機(jī)交互使用的可靠性。

從機(jī)器人控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的角度，JaeKwon　Kim等人將控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，從控制器、主控制器和監(jiān)控單元。從控制器設(shè)計(jì)為冷備份的雙處理器和雙CAN通信機(jī)構(gòu)，確保高可靠性，放置在最危險(xiǎn)區(qū)域，用于現(xiàn)場信息反饋和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。主控制器采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，放置在現(xiàn)場區(qū)域，和從控制器一同構(gòu)成反饋控制閉環(huán)。主控制器通過以太網(wǎng)線將機(jī)器人狀態(tài)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控單元。監(jiān)控單元放置在安全區(qū)域，向主控制器發(fā)送命令。為了實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，需要高可信的視頻、可靠而且連續(xù)的通信。機(jī)器人依賴于操作人員的連續(xù)、低層次命令輸入，而對通信故障的應(yīng)對很有限。操作人員有可能會因此失去對車輛的控制，所以機(jī)器人需要配備看門狗系統(tǒng)，用于監(jiān)控通信連接的狀態(tài)。DavidJ．Bruemmer等人對遠(yuǎn)程操作任務(wù)中的人機(jī)動態(tài)交互和主從策略進(jìn)行了分析，提出了新的混合控制結(jié)構(gòu)，將人機(jī)交互分為4種模式，從基本的遠(yuǎn)程指令操作、機(jī)器人的局部自治到全自治行為，在不同的運(yùn)行狀況下可以采用不同的人機(jī)交互模式，這樣就有可能實(shí)現(xiàn)在失去通信的情況下通過機(jī)器人的自主行為來恢復(fù)通信連接。

此外，操作人員必須和機(jī)器人控制器之間進(jìn)行精確的三維的任務(wù)定量數(shù)據(jù)交互。遠(yuǎn)程操作控制的關(guān)鍵一點(diǎn)，就是操作人員能夠準(zhǔn)確、可靠的就后續(xù)操作進(jìn)行必要的判斷。通用方法是，操作人員應(yīng)根據(jù)遠(yuǎn)程現(xiàn)場和機(jī)器人或機(jī)械手臂的模型，使用本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端現(xiàn)場的整體建模。一旦得到了足夠的模型信息，就可以將預(yù)期指令傳遞給控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行演練。

即使不是對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際操作，操作人員也可以操作遠(yuǎn)程系統(tǒng)的3D定量模型，這就使得操作人員可以嘗試在非實(shí)時(shí)狀態(tài)下進(jìn)行動作演練，在確認(rèn)預(yù)定操作安全有效后才將軌跡點(diǎn)和控制信號轉(zhuǎn)遞給遠(yuǎn)端現(xiàn)場。

目前已有多個(gè)國家進(jìn)行了機(jī)器人遠(yuǎn)程交互仿真技術(shù)的研發(fā)。法國Laurent　Chodorge等人研發(fā)了CHAVIR 軟件仿真工具，幫助核電站用戶對人工操作進(jìn)行模擬，該軟件可以讀入CAD實(shí)際模型，對劑量率進(jìn)行評估，也可以執(zhí)行純機(jī)械模擬，模擬實(shí)際場景并確認(rèn)位置可達(dá)性。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室使用商用仿真工具及擴(kuò)展模塊，結(jié)合圖形編程接口進(jìn)行環(huán)境建模編程，將系統(tǒng)配置、環(huán)境需求和操作集成到系統(tǒng)窗口，完成交互過程的物理仿真。

隨著核電產(chǎn)業(yè)的較快發(fā)展和核安全的需要，尤其是日本福島核事故發(fā)生后救援不利的情況，日益顯現(xiàn)出開發(fā)核電站特定環(huán)境下機(jī)器人替代人工進(jìn)行核電站應(yīng)急響應(yīng)的需求 。結(jié)合核電站環(huán)境條件分析了核電站應(yīng)急機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求和面臨的主要問題，綜述了以往核事故之后國際上對核電站應(yīng)急機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)展及實(shí)用情況，并就各國研究人員針對核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用對普通商用機(jī)器人的改進(jìn)做了總結(jié)。就核電站應(yīng)急機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括部件耐輻射技術(shù)、系統(tǒng)耐輻射和系統(tǒng)可靠性技術(shù)進(jìn)行了具體分析。目前，我國的機(jī)器人技術(shù)相比其他國家而言比較落后，而且在核電站機(jī)器人領(lǐng)域仍處于起步階段，亟須加大在核電站應(yīng)急機(jī)器人方面的研發(fā)力度，并從耐輻射技術(shù)、系統(tǒng)可靠性技術(shù)等方面進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)。2100433B

利用核能進(jìn)行發(fā)電的電站稱為核電站，當(dāng)今世界上只能利用裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的能量來發(fā)電。

核電站就是利用一座或若干座動力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能來發(fā)電，或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)施。反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)就在其中進(jìn)行。將原子核裂變釋放的核能轉(zhuǎn)換成熱能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿南到y(tǒng)和設(shè)施，通常稱為核電站。

世界上核電站常用的反應(yīng)堆有輕水堆、重水堆和改進(jìn)型氣冷堆及快堆等，但使用最廣泛的是輕水堆。按產(chǎn)生蒸汽的過程不同，輕水堆可分成沸水堆核電站和壓水堆核電站兩類。壓水堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑，它是從軍用堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。壓水堆核電站占全世界核電總?cè)萘康?0%以上。

核電站用的燃料是鈾。用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送到四面八方。