核電站機器人技術現狀及發展方向

馬永紅 劉伊威 何 贇 馬其釗

（1.中核四川環保工程有限公司，四川 廣元 628007；2. 哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150006）

進入21世紀后，世界人口和經濟飛速增長，人類面臨著諸如煤炭、石油等化石燃料日益枯竭的能源問題。為此，世界各國積極調整能源結構，通過布局核電來滿足人類對電力的需求，同時極大地減少了對環境的污染。雖然核能給人類帶來了源源不斷的能量，但人類也可能面臨核輻射所帶來的嚴重威脅，如1986年蘇聯切爾諾貝利核泄漏事故、1999年日本鈾回收處理設施核事故、2011年日本福島核電站特大核泄漏事故等。為確保核電站的安全運行，核電設施的在役檢查和維護作業，以及發生核事故后的應急處置工作必不可少。但核電站內部場地狹窄，管道縱橫交錯，且存在著高輻射、高溫、強酸堿腐蝕等惡劣環境，工作人員無法進入某些特性區域對設備進行維修、檢查等操作。為了應對上述復雜而危險的作業環境和作業內容，采用機器人代替人執行巡檢與核電設施維護、事故應急處理與救援、核電設施的拆解與搬運等工作，可大幅度提高核電站的檢修水平或事故處理效率，從根本上避免人員受到輻射傷害，體現了以人為本的安全理念，有著不可估量的社會價值和廣闊的應用前景。本文將對核電站機器人技術的研究現狀進行介紹和分析，并對核電機器人技術未來的發展方向進行展望。

1 核電站機器人技術現狀

1.1 核電設施巡檢與維護機器人

核電設施的巡檢與維護是核電站安全運行的前提。從20世紀80年代起，美國、法國、日本和德國等國就開發研制了一系列核電設施巡檢與維護機器人。SURBOT機器人由美國Remotec公司開發研制，其外形為圓柱體狀，直徑790mm，高度1400mm，重量270kg，移動靈活，回轉半徑可接近于0。機器人配有七自由度機械臂，能夠執行諸如開關閥門、清潔異物等任務。日本核安全中心研發的履帶式核電站巡檢和維護機器人Monirobo，如圖1所示。該機器人體積為1.5m×1.5m×0.8m，重量約為600kg，雙履帶每分鐘可以行進40m，配有可移除障礙和收集樣品的機械臂，可對環境中的粉塵樣品和可燃氣體進行檢測。

圖1 Monirobo機器人

雖然國內針對核電站機器人的研究起步較晚，但發展速度較快。東南大學與南京軍區防化研究所合作研制了一款可應用核環境下的偵察與探測機器人。該機器人自重27kg，平地最大負載60kg，搭載的機械臂最大伸展長度為1m，可以攀爬小于45°的斜坡，并可進入10Gy/h的放射性環境中工作，執行完任務后可自行洗消。

1.2 事故應急處理與救援機器人

核事故發生后，大量放射性物質泄露到空氣中，核反應堆周圍環境在爆炸和火災中變得異常復雜。為了避免人受到高強度輻射或二次爆炸的風險，機器人在核事故應急處理與救援領域得到了越來越廣泛的應用。1990年，美國加州理工學院噴氣推進實驗室研制出了緊急事務響應機器人HAZBOT。該機器人能夠應用于執行危險物品緊急響應任務，包括事故定位和特性描述、危險物識別分類、現場監視和監測，并最終減輕事故后果。日本千葉工業大學研制的Quince機器人將多自由度機械臂加裝在履帶移動平臺上，操作人員可以遠程控制機械臂實現開門、夾起物品等操作。Quince經過改良后被部署在福島第一核電站1號3單元的反應堆建筑內進行偵察，并對放射性廢水做了取樣，進行了熱度和劑量率測量?；赒uince機器人的設計經驗，千葉工業大學聯合日本三菱重工又研發了如圖2所示的機器人櫻花2號，并投入到福島核電站的救災現場。櫻花2號機器人尺寸為710×420×540mm，重量為60kg，最快時速為1.2km。機器人內置電池的續航時間為2.5h，完全代替工作人員完成事故現場的探查任務。

圖2 櫻花2號機器人

1.3 核退役機器人

隨著核工業的迅速發展，各國在大力新建核電設施的同時，也面臨著早期核電設施的退役、拆解等問題。在捷克斯洛伐克共和國第一臺核電站A-1核電站的退役工程中，應用了MT-15普通型移動機器人、MT-80通用型機器人和DENAR-41長臂機器人。

如圖3所示，MT-15是由履帶式移動小車搭載4自由度靈活機械手組成的模塊化機器人系統，系統由蓄電池供電，同時配備有兩個相機，以完成核環境采樣、測量和凈化。MT-80機器人具有6個液壓驅動關節，主要用于核環境下工作的設備和管道的拆解、切割和回收。DENAR-41機器人有7個自由度，基座固接在一個軸承系統上，機械臂關節由液壓驅動，主要用于地下存儲罐的切割、凈化等任務。

圖3 MT-15型機器人

2 核電站機器人技術的發展方向

從上節的研究現狀可以看出，核電站機器人及其技術已經取得了豐碩的成果，并在實際應用中發揮了重大作用。隨著傳感技術、信息技術、自動化技術的不斷發展和制造工藝水平的提高，高智能化、高可靠性、高惡劣環境適應性和功能多樣性等將成為核電站機器人應用的發展趨勢。

2.1 移動結構設計

作為核電站機器人的移動載體，移動機構必須具有以下特點：一定的移動速度和低能耗；良好的姿態穩定性和高運動精度；適應各種地理環境，有一定的爬坡和越障能力。針對不同的作業環境，核電站機器人可以采取不同形式的移動機構，包括輪式、腿式、輪腿式、履帶式、爬壁式等。目前，移動機構的發展趨勢是：從輪履式結構向仿生結構方向發展，尺寸上向微小型化方向發展。

2.2 機械手設計

作為核電站機器人的操作裝置，機械手在非結構復雜環境中能夠完成各種復雜的操作作業，是核電站機器人的重要組成部分。用于核電站的機械手具有以下技術要求：靈巧性和可操作性好，能夠適應不同的操作對象和作業任務，結構緊湊，定位精度高，較小的自重和較大的負載能力，具有位置和力感知，環境適應性強，可靠性高。

2.3 核輻射防護設計

核電站機器人區別于其他工業機器人的最大特征就是適應核輻射特殊服役環境，這就要求核電站機器人，特別是其視頻檢查系統、傳感系統和信號傳輸系統能夠在較高的輻射環境下保持正常工作。解決途徑包括兩個方面：一是對關鍵部件和系統進行耐輻射設計；二是要采用一定的核防護技術，使系統處在相對安全的環境下工作。

2.4 可靠性設計

目前，機械系統可靠性設計已經成為機械工程領域的一個熱點研究方向。提高核電站機器人可靠性所涉及的關鍵技術主要包括機械結構的可靠性設計、電控系統的可靠性設計、系統的故障容錯控制、三維運動仿真技術和故障模擬測試技術等。

2.5 自主智能化設計

核電站機器人在復雜環境下進行智能避讓、自動搜索，在無人工干預的情況下，快速確定搜索路徑，順利通過各種障礙物和狹隘的通道，精確定位到需要檢查或修復部位的技術是一個重要的研究方向。核電站機器人需要實現對缺陷的自動判斷、自動識別，這需要核電現場數據的數據庫支持和高端傳感系統、控制系統支持。在部分維修過程中，還需要具備自主修復功能，對機器人本身的故障能夠做出自主判斷和處理，以保證維修工作的正常進行。

3 結語

本文在分析現有核電站機器人技術的基礎上，對未來核電機器人的發展趨勢進行了展望。隨著我國在精密機械加工、自動化控制、信息技術等方面的強勢崛起，開發出針對核電站特殊環境的系列化、規?；瘷C器人裝置的目標一定可以實現，核電站機器人技術的應用必將迎來一個快速發展期。