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摘要：我国自从积极发展核电以来，核电在运规模日益扩大。由于核电站内部特殊的结构和操作环境，使得机器人的应用正在成为新的趋势。目前，在核电站维修、检测、事故应急过程中，已经能够见到机器人的身影，利用机器人高强度的运算能力和分析能力，在工作过程中能够有效的提高工作效率，既能够减轻工作人员的负担，降低辐射剂量，又能够降低出错率。随着核电规模日益扩大，以及智慧核电的发展，核电站用机器人需求将持续放大。本文对核电站机器人技术的发展趋势进行深入的研究。
关键词：核电站；机器人；发展
引言
目前，全球已有450多座核电站，随着化石能源产生的温室效应不断加剧，未来核电站的数量和装机容量还将不断上升。核电站结构设备复杂，存在一定放射性性，许多工作无法由工作人员直接完成。此外，核电站大量危险、复杂的工作是简单的机械手不能完成的，借助经过特殊设计的机器人可以完成修检设备、核燃料转运、放射性废料处理、核事故应急处理等工作。特别是日本福岛核电站事故发生后，在事故处理中让人清楚的看到核电机器人发挥的重大作用。开发智能、性能先进、可以完全取代人的核电站机器人已经成为业界研究的重点。
1核电站机器人发展的历程
早在上世纪40年代,美国、法国和日本等发达国家就成功研制了某些应用在核工业的机器人。例如美国在一款可操纵放射性物质的机械手（取名M1）的基础上研制出六组一东机械臂平台，并将它与改进的机械臂系统组成移动机械臂系统取名为ODEX[1]，此后，研制出具备六足可沿着任意方向移动，最大抓取重量13.6kg的机器人（ROBIN）[2]，此后美国相关科技公司很快又研制出了一系列的机器人，投放到核电站工作任务中。三哩岛以及切尔诺贝利核电站事故，对于核电机器人的研制提出了更多要求，事故工况，需要机器人承担的任务类型和工作环境更加复杂，催生出一系列功能更强、可靠性更高的机器人诞生，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[5]。目前，机器人已经在核电站中发挥了越来多的作用，也催生出越来越多的需求，譬如燃料水池水下检修、反应堆堆芯及构件池等水下环境中精确打捞与异物清理、反应堆控制棒驱动机构焊缝缺陷修复、反应堆冷却剂管道在线修复、燃料事故处理、堆芯重要设备应急修复、严重事故下的救灾工作等。
2核电机器人的技术发展现状
2.1高水平的驱动技术
驱动系统是核电机器人在地面自由行走、轻松跨越障碍物、在水下工作的内驱力。它的功能还有支撑整个机器人的末端执行机构。根据不同的工作环境科研人员设计不同的驱动系统，如爬行机器人的内驱系统有轮式、履带式、四足式、吸盘式四种类型，这可以使机器人在地面灵活前进、后退，翻越障碍物等;水下工作的机器人的驱动系统被设计成螺旋桨式、仿生鱼结构，可以使机器人在水下工作时灵活上浮、下潜等。此外，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。
2.2远程控制技术
较多的设备，密集的管道，使核电机器人只能在有限的空间操作，加大了工作的难度。为了避免核电站机器人在行走、工作中破坏设备，技术人员在核电站机器人融入了远程操控技术，轻松控制机器人完成任务。此外有些工作区域的磁场环境较为复杂，无线信号无法传输，这就可以采用有缆操作的方式来操控机器人。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。
2.3良好的耐辐射能力
核电站机器人与其他工业机器人相比，可以适应高辐射环境，这对于机器人信号传输系统、传感系统、视频检查系统提出了更高的要求。为了满足这一需求，在结构设计、材料选择、控制算法、辐射防护加固等方面，学界进行了深入的研究，其中最具代表性的研究就是摄像头耐辐射技术。在这一方面，美国Mirion公司是最为成功的，其开发的IST摄像头耐辐射能力可以达到106rad/h，可以满足核电站的一般工作需求。但是如果要适应事故下的工作环境，还需要进行进一步的研究。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前我国开发的摄像头耐辐射能力可以达到104rad/h，部分科研所已经致力于更高水平摄像头的研究。
3核电站机器人技术的发展趋势
随着人工智能、机器人、传感器技术的不断发展，机器人已经由传统的在线示教工作模式向智能工作模式方向发展，视觉技术的进步使得机器人可以实现对作业对象的位置识别、姿态识别，甚至获得作业对象的三维特征；力控制技术的发展使得机器人对作业对象有了更精准的触觉反馈，实现更精细的操作；人工智能的发展使得机器人可以在动态环境下具有更好的规划与决策功能，并可以支持多个机器人协同作业，完成特定任务；人机交互技术的进步使得机器人和操作者之间能够以语音等方式进行更自然的交互；网络技术的发展使得机器人成为智慧工厂的智能设备，将企业生产数据实时传输到各种远程控制终端，并实现远程故障诊断与设备维护，这些技术的发展为核电站机器人设计提供了技术和物质基础。当前，各国已经加大对核电站机器人的投入，展开了进一步的研究，高智能化、高可靠性、高恶劣环境适应性和功能多样性成为核电站机器人发展的主要趋势。
3.1核电站机器人的高智能化
核电站里有许多狭窄的通道，工作空间有限，而且有核心设备的地方都有很高的辐射，要保证核电站机器人在无人操作的情况下能够在复杂的环境中进行自动搜索、自动避让、能快速搜索目标并精确定位，根据用途的不同还还需要实现对缺陷的自动判断、自动识别，甚至自主修复功能，这就需要对驱动技术、传感系统和控制系统进行深层次研究，这是一个重要的研究方向。
3.2恶劣环境适应性
机器人在检修工作时，环境不是很恶劣，一旦遇到突发事故，对现场的抢修和救灾需要在高蒸汽、高压力、放射性强的环境作业，而且可视度较低，这些恶劣的环境都会影响机器人的工作效率。在机器人设计工作中，要对材料的选择、传感系统进行深入的研究，因此，采用优质的元器件，设置一定的防护措施。
3.3核电站机器人的多功能性
核电站的工作环境恶劣，对人的辐射性强，在一些管道密集的地方，工作人员无法进入。就需要多功能性的机器人替代工作人员进行检查设备、修复、应急处理等工作，这些机器人的研发，不仅能提高工作效率、缩短检修时间，更重要的是保证工作人员的身体健康。
3.4高可靠性
核电站机器人的可靠性关键在于可靠的结构设计，材料的选择是否合理，实验和研究技术是否科学，对于系统可靠性有直接影响。
展望
当前，智慧核电运营系统建设内容纳入了《能源技术创新 “十三五”规划》，其核心是研发适应核电环境的智能核电机器人及智能系统，增强智能辐射防护监控、智能巡检、智能设备管理，并进行示范应用，提高核电运营技术水平，提升国内核电厂运营的可靠性和安全性。为了适应智慧核电的需求，开发出针对核电站特殊环境的系列化、规模化机器人装置是大势所趋，核电机器人技术的应用必将迎来一个快速发展期。
参考文献
[1]Odetics Incorporated,Anaheim,Calif.1985.Robot applications for nuclear power plant maintenaces.EPRI NP-3941
[2]Byrd 1 S, Devries K R.A 6-legged telerobot for nuclear applications development [J]. International lournal of Robotics Reaearch,1990,9(2):43-52.
[3]段星光，李常，王永贵，陈宁宁．核电站蒸汽发生器堵板操作机器人机构设计与实现［J］．制造业自动化，2014(20)．
[4]徐学坦，汪永明，卢琼琼，宋嵩，孙应秋．双半转腿式机器人运动稳定性分析［J］．机械设计与制造工程，2016(04)．
[5]刘青松,张一心,向文元,黄文有,钱建华,董亚超.核电站机器人技术应用现状及发展趋势[J].机器人技术与应用,2011（3）:12-16.
论文作者:张红林,刘敏,刘洪军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/6/20
标签：机器人论文; 核电站论文; 核电论文; 工作论文; 环境论文; 技术论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;