[科普中国]-核电站应急机器人

简介目前在世界上有超过450个核电站，其中有210个在欧洲。欧洲约三分之一的电力供应，美国约20%的电力，日本约25%的电力供应均来源于核电。由于化石能源产生的温室效应，核电站的总装机容量呈持续上升趋势2。

在核工业应用领域，由于设备本身或其运行环境具有放射性，人员操作存在安全风险或操作受限等情况，而采用机器人进行设备检修、放射性废物处理、应急响应等工作，一方面降低了用于人工防护设备的成本及管理成本，另一方面降低了工作人员受辐照剂量和劳动强度。随着核电站装机容量的不断扩大，对机器人应用的需求将日益迫切。

对核电站应急情况而言，在辐射环境下发生事故是个潜在的危险，需要研发一个快速响应应急监测的工具，用于对现场剂量率进行监测，尽快确认现场状况及故障起因，为尽可能快的进行救援提供参考信息。无论是日本1999年的JCO临界事故还是福岛核事故，都暴露了应对紧急情况时的措施乏力，其中一个原因就是对现场状况不明，影响了执行救援的及时性。一直以来，研发人员们都在根据新的设计需求不断地研发核电站特定环境下的机器人系统，以满足更加严苛的现场需求。

核电站应急机器人应用现状核电站对应急机器人的要求是如果要对核设施紧急情况采取措施，首先需要了解现场的状况。由于在事故现场人工收集环境信息存在辐射和爆炸风险，所以采用远程控制进行监控是非常有必要的。机器人需要在现场非结构化环境中行进，同时配备视频系统等工具，并将相关采集信息进行回传到远程操作台。核电站现场设施周围环境条件复杂，有很多类型的设备，从而对机器人设计提出了诸多要求，尤其是在核电站应急情况下，必须充分考虑到机器人可能面对的各种状况3。机器人规格设计需要考虑如下方面：

（1）环境灰尘较大，γ辐射剂量率高；

（2）机器人为模块化设计，便于快速维护、更换部件，及清洗去污处理；

（3）温度变化范围为-10℃～30℃，可能出现水流，形成小水坑；

（4）现场门入口尺寸受限，必须考虑机器人最小尺寸便于安全通过；

（5）机器人可以爬40度斜坡，地面净空高度在合理范围内；

（6）速度范围为0．3～3m/min，在全负荷下的制动距离不超过3mm；

（7）可以爬楼梯、翻越障碍、开门、搬运现场物品等；

（8）机载多个相机，用于观察路径或工作区域，焦距长度在0．5～10m之间；

（9） 照明设备在10m 范围内照度为120lx；

在很多情况下，尤其对机器人应用，这些条件都会因为切割、焊接、钻孔作业进行混合，会比类似非核应用的机器人环境更为恶劣。

机器人系统设计面临的挑战（1）辐射防护。需要考虑的主要辐射类型是γ、α、β和中子，α辐射主要和表面涂层、线缆材料有关。中子辐射对某些类型的电子部件影响很大，但中子水平在运行反应堆外一般很低。α和β辐射都可以通过相对薄的外壳进行有效屏蔽，γ射线是对电子、电气和机器人部件最有影响的射线。目前机器人技术和电子电路技术取得飞快进展，但由于可靠性等原因对核工业领域影响有限。而且，如果通过铅板屏蔽加固防护意味着加大重量，反而降低了机器人的灵活性和机构稳定性。

（2）远程操作和人机交互接口。在机器人和操作人员之间存在一定距离，这样就需要操作人员有足够的感知力和操作技巧，有效完成远程操作。虚拟现实技术可以辅助完成路径规划可视化、动作执行前的预览、操作培训等功能，使操作更安全，而且易于使用。

（3）通信系统。机器人终端和远程操作台之间存在大量的图像数据和信息传输，需要提供足够的通信带宽和稳定性。由于现场环境的复杂性，采用主线缆连接可能会出现线缆卡住的情况。采用无线通信，则存在现场建筑物屏蔽等问题，而且电磁波多次反射，延迟会累积，对实际效果带来影响。

（4）系统集成。由于现场环境的复杂性（狭小空间，很多障碍物），机器人需要体积小重量轻而且易于操作，可以携带重工具进行工作。此外，还有高功率、机构刚度、电池性能等要求。

（5）系统运行性能，包括移动性能和执行任务的性能，影响因素较多，包括机构设计、传感器感知能力、控制系统响应能力等。

应急机器人研发现状一直以来，各国的研发人员都在根据新的设计需求研发核电站事故应急用机器人，以满足现场的各种具体需求。下面结合切尔诺贝利、日本JCO、福岛核事故之后的研发机器人进行描述3。

（1）切尔诺贝利核事故

在1986年发生的切尔诺贝利事故中，投入了一批机器人用于清理高放射性现场的垃圾。一个德国机器人只持续了7分钟，辐射就摧毁了机器人机载的电子部件，使其丧失了工作能力。后续投入的Mobot－ChHV 装备有电机组件，不配备电子部件，用于清除屋顶上的放射性垃圾。切尔诺贝利事件激励一些研发人员更多地投入到远程操作机器人技术上来。其中，卡耐基梅隆大学的一些研究人员成立了RedZone机器人公司，用于研发危险环境下的远程机器人技术，并成功完成了ROSIE、Pioneer等机器人系统。以Pioneer为例，该机器人为全电控的履带车辆，采用模块化设计，用于核事故后处理操作，主要针对切尔诺贝利核电站4号机组内部状态进行记录。Pioneer机器人由拖动车辆和中心升降杆（1.4m高）构成，携带有远程视频系统、取样工具、机械手臂、传感器（γ/中子剂量传感器、温湿度传感器）等，机械手臂为6自由度机械手，在最大臂展1.68m时提供45kg的负荷能力。控制电路采用屏蔽盒进行防护，每个摄像头采用1.25cm 的铅板。机器人系统可在剂量率5-10Sv/h的场合下承受高达10kSv的剂量。

（2）JCO临界核事故

1999年9月日本发生JCO核临界事故，由于人员在高辐射水平下操作受限，过了一定时间才得到事故信息，然后终止临界反应。为此，日立、东芝、三菱重工、日本原子能研究院JAERI等研制了各种紧急救援用的机器人系统。JAERI研发的RaBOT耐辐照机器人，是一款带有双手臂的移动机器人，基本配置为4个独立控制的履带、7个CCD相机（布置在顶端云台、两侧、后侧和机械手末端）、2个机械手臂，总重量约430kg。RaBOT 通过移动集装箱进行有线或无线控制，无线操作采用2．4GHz无线通信系统，使用中继器提供通信区域。RaBOT 可以在γ辐射达105Sv、剂量率10Sv/h的现场下工作，爬行40度斜坡，完成开关阀门、开关门、样品收集等操作。该机器人的电子部件如CCD相机、控制设备等采用模块化，可以在事故现场进行远程更换。东芝公司研发了两种移动机器人SMERT－M 和SMERT－K，用于迅速到达紧急区域收集信息。SMERT－M 是双履带机构的移动机器人系统，装备有传感器单元、伸缩杆机构、多轴机械手臂和运载SMERT－K 的斜坡。传感器包括有辐射监测（γ射线、中子）、温湿度传感器、氧气/氢气浓度、CCD/红外相机和耐辐射相机。SMERT－K 为小型的轮式机器人，可以在狭窄空间内迅速灵活移动。三菱重工同样采用履带机构研发了MARS－A/T机器人。主要指标为：最大斜坡角度40度，行走速度2km/h；环境条件：最高温度50度，最高湿度100%，在10Sv/h环境下可运行数小时，根据累计剂量可以更换控制单元；控制信号和供电连接通过10mm直径的线缆传输，带有自动卷收线缆系统。核安全技术中心研发了环境监控机器人，用于收集事故点的信息，辅助确定辐照防护措施。机器人由集装箱卡车运输到现场，集装箱内配备有发电机、操作室（机器人控制单元、摇杆手柄、通信单元、视频显示等）。日立公司的SWAN 机器人尺寸为620mm×960mm×1700mm，重量约330kg，可以攀爬0.2m高的楼梯，执行开关门操作、开关阀门操作、气体取样、水取样等操作。机器人配备6自由度机械手及气动操作工具，臂展0.9m，最大负荷100N。远程操作台提供摇杆方式的操作，和机械手操作界面。同时提供2套多视频监视器和头戴式立体视频，用于监控远端操作。

（3）福岛核事故

日本2011年3月11日发生了东部地震，随之即来的就是福岛核电站事故。由于现场为高放射性区域，人员无法进入，美国、瑞典和日本均先后派遣机器人抵达核电站实施救援工作。美国iRobot公司的packBot机器人主要用于监测1、2、3号机组室内室外的状态监测，可以拍摄图像、记录辐射剂量、温湿度、氧气浓度等物理量。PackBot外形尺寸约为700mm×530mm×180mm，重约35kg，最大速度9.3km/h，最大不间断续航时间为4h。此外，PackBot可以提供倾翻自调整、通信自恢复、GPS定位等功能。

核电站机器人关键技术分析1 耐辐射技术

机器人系统需要在放射性环境中或是对放射性部件本身进行检查或操作，而机器人系统中包含有电子部件，可能会被γ辐射和放射材料释放的其他粒子所损害。除了离反应堆很近的距离范围外，γ辐射是能影响材料和电子线路的主要辐射来源。γ射线是对电子、电气和机器人部件最有影响的放射性粒子，需要提供足够的铅板，才能有效防护，但在很多情况下增加铅板会带来过多的额外重量，以60co为例，需要4cm厚的铅板，137Cs需要2cm厚的铅板屏蔽来削弱同样的辐射。对辐射固化的研究分析表明，电子器件的耐辐射性能与总剂量、剂量率都有关系。γ辐射的剂量率和总剂量在核电厂范围内变化很大，一些场合的辐射密度和剂量比较低，这些场合下可以使用常规部件（或集成电路），在其他场合下（如在反应堆压力容器内的操作），剂量率可能达到每小时几百个Sv，这时需要做一些特定的防护。

2 系统可靠性

核电站应急响应机器人系统通常工作在危险区域，由于这些系统失效很难维修，导致维修时间较长，所以需要确保系统的高可靠性。目前，远程控制机器人的先进技术在核工业领域应用比较慢，其中一个原因就是新技术缺乏相应的可靠性验证。系统的可靠性更多地取决于设计可靠性、远程通信和人机交互使用的可靠性。

从机器人控制系统可靠性设计的角度，JaeKwon Kim等人将控制系统划分为三个层次的结构，从控制器、主控制器和监控单元。从控制器设计为冷备份的双处理器和双CAN通信机构，确保高可靠性，放置在最危险区域，用于现场信息反馈和执行机构动作。主控制器采用实时操作系统，放置在现场区域，和从控制器一同构成反馈控制闭环。主控制器通过以太网线将机器人状态信息传输到监控单元。监控单元放置在安全区域，向主控制器发送命令。为了实现可靠的远程系统，需要高可信的视频、可靠而且连续的通信。机器人依赖于操作人员的连续、低层次命令输入，而对通信故障的应对很有限。操作人员有可能会因此失去对车辆的控制，所以机器人需要配备看门狗系统，用于监控通信连接的状态。DavidJ．Bruemmer等人对远程操作任务中的人机动态交互和主从策略进行了分析，提出了新的混合控制结构，将人机交互分为4种模式，从基本的远程指令操作、机器人的局部自治到全自治行为，在不同的运行状况下可以采用不同的人机交互模式，这样就有可能实现在失去通信的情况下通过机器人的自主行为来恢复通信连接。

此外，操作人员必须和机器人控制器之间进行精确的三维的任务定量数据交互。远程操作控制的关键一点，就是操作人员能够准确、可靠的就后续操作进行必要的判断。通用方法是，操作人员应根据远程现场和机器人或机械手臂的模型，使用本地计算机进行远端现场的整体建模。一旦得到了足够的模型信息，就可以将预期指令传递给控制计算机进行演练。

即使不是对机器人进行实际操作，操作人员也可以操作远程系统的3D定量模型，这就使得操作人员可以尝试在非实时状态下进行动作演练，在确认预定操作安全有效后才将轨迹点和控制信号转递给远端现场。

目前已有多个国家进行了机器人远程交互仿真技术的研发。法国Laurent Chodorge等人研发了CHAVIR 软件仿真工具，帮助核电站用户对人工操作进行模拟，该软件可以读入CAD实际模型，对剂量率进行评估，也可以执行纯机械模拟，模拟实际场景并确认位置可达性。Sandia国家实验室使用商用仿真工具及扩展模块，结合图形编程接口进行环境建模编程，将系统配置、环境需求和操作集成到系统窗口，完成交互过程的物理仿真。

总结随着核电产业的较快发展和核安全的需要，尤其是日本福岛核事故发生后救援不利的情况，日益显现出开发核电站特定环境下机器人替代人工进行核电站应急响应的需求2。结合核电站环境条件分析了核电站应急机器人的设计需求和面临的主要问题，综述了以往核事故之后国际上对核电站应急机器人系统的研发进展及实用情况，并就各国研究人员针对核工业领域应用对普通商用机器人的改进做了总结。就核电站应急机器人涉及的关键技术，包括部件耐辐射技术、系统耐辐射和系统可靠性技术进行了具体分析。目前，我国的机器人技术相比其他国家而言比较落后，而且在核电站机器人领域仍处于起步阶段，亟须加大在核电站应急机器人方面的研发力度，并从耐辐射技术、系统可靠性技术等方面进行相关技术研发。