湯懷量， 雷澤勇， 雷林， 劉衛(wèi)， 沈智超， 程新泉

（南華大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

當(dāng)前，對于核工業(yè)領(lǐng)域的安全問題包括兩個(gè)方面：日常巡檢和應(yīng)急處理。正常情況下，對于鈾轉(zhuǎn)化車間、核電廠、核廢料處理廠等場所需要人員攜帶射線測量儀、氣溶膠取樣器、空氣檢測儀等儀器不定時(shí)檢測。在應(yīng)急情況下，則需要對關(guān)鍵閥門開關(guān)、路障清除、泄漏的放射性物質(zhì)進(jìn)行處理等[1]。但核產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，由于設(shè)備本身和運(yùn)行環(huán)境具有放射性，作業(yè)空間狹小，濕熱[2]同時(shí)還兼具水下高溫、高壓的特點(diǎn)，人員巡檢和應(yīng)急操作存在輻射照射風(fēng)險(xiǎn)或操作受限等問題，而采用機(jī)器人巡檢與應(yīng)急處理，一方面可降低人員防輻射成本、受輻照劑量、工作強(qiáng)度，另一方面，可實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，及時(shí)控制事故源，減輕事故后果，為后續(xù)救援提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持的功能。因此，對核設(shè)施內(nèi)核輻射安全情況采用機(jī)器人監(jiān)測是十分必要的。

1 巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人主要研究內(nèi)容

巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人主要研究內(nèi)容包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感檢測系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、核防護(hù)[3]、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人的重要部分，是傳感檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的載體，同時(shí)決定了核應(yīng)急機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的作業(yè)性能。不同的工作環(huán)境及要實(shí)現(xiàn)的功能不同，其行走機(jī)構(gòu)也不同。目前研發(fā)的核環(huán)境機(jī)器人按應(yīng)用環(huán)境可分為3類：陸上機(jī)器人、空中機(jī)器人、水下機(jī)器人。

應(yīng)用于陸上的機(jī)器人多為輪式、履帶式、多足式遙控機(jī)器人，如圖1所示。

圖1 陸上機(jī)器人

中國輻射防護(hù)研究院研制了一種六輪式輻射探測機(jī)器人[4]，如圖2所示，該機(jī)器人最大速度50 m/min，載重60 kg，最大爬坡25°，其中兩只前輪可垂直擺動(dòng)幅度達(dá)90°，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單且靈活，移動(dòng)速度快，可爬一定高度的樓梯。較一般輪式機(jī)器人靈活，具有一定越障能力，但載重方面仍不及履帶式結(jié)構(gòu)。東南大學(xué)與南京軍區(qū)某部共同研制了一款小型核化探測機(jī)器人[5]如圖3所示，該機(jī)器人采用履帶式結(jié)構(gòu)，外加雙前搖臂，配有機(jī)械手和探測儀器；可爬60°斜坡、40°樓梯，越過30 cm的障礙物，最大載重80 kg，相較輪式而言通過性強(qiáng)，承載能力大，但速度不及一般輪式結(jié)構(gòu)。2011年日本東芝公司發(fā)布了一款四足機(jī)器人，名為“福島探索者”，如圖4所示。該款機(jī)器人被用于探索福島1號核電站，“福島探索者”高1 m，它的四足設(shè)計(jì)可以輕松通過崎嶇的地形，其平均行走速度為1 km/h，越障能力突出，但多足式遙控機(jī)器人重心高穩(wěn)定性較差[2]。用于空中輻射環(huán)境巡檢大多采用無人機(jī)，無人機(jī)具有較短的著陸滑跑距離及較高的飛行穩(wěn)定性。2014年俄羅斯為氣象環(huán)境檢測局研制了一款用于輻射環(huán)境監(jiān)測的無人機(jī)系統(tǒng)，采用“超級卡姆”S-350（Supercam S-350）無人機(jī)平臺，如圖5所示。相關(guān)參數(shù)如下：升限為3600 m，速度為65～120 km/h，飛行環(huán)境為風(fēng)速15 m/s，-30～+30 ℃，中雨和中雪，發(fā)射起飛方式為彈射?？蓪?shí)現(xiàn)對半徑90 km以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。該無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測范圍大，能有效提供現(xiàn)場整體畫面，但由于無人機(jī)結(jié)構(gòu)、體積所限，不能攜帶更多的檢測儀器，提供更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。用于水下巡檢的機(jī)器人多采用螺旋槳式結(jié)構(gòu)，能夠在水下活動(dòng)自如。中廣核集團(tuán)陽江核電有限公司針對核電站取水口海生物檢測采用了一款名為LBF－150型水下機(jī)器人[6]，如圖6所示。該水下機(jī)器人配有4個(gè)大功率無刷推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)螺旋槳，前進(jìn)速度3節(jié)以上，可潛至水下150 m，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸浮、前進(jìn)、后退、上升、下潛，運(yùn)動(dòng)靈活，能將水下實(shí)時(shí)景象傳輸至控制箱顯示屏上。

圖2 輻射探測機(jī)器人

圖3 核化探測機(jī)器人

圖4 “福島探索者”核化探測機(jī)器人

圖5 無人機(jī)監(jiān)測機(jī)器人

1.2 傳感檢測系統(tǒng)

傳感檢測系統(tǒng)是巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人實(shí)現(xiàn)檢測任務(wù)的主要承擔(dān)者，通常，機(jī)器人攜帶各種各樣的傳感器、儀器探頭組成檢測系統(tǒng)完成監(jiān)測任務(wù)，比如CCD相機(jī)、輻射探測儀、氫氣濃度探測儀、溫濕度計(jì)、紅外測距儀、紅外探測儀[7]、氣溶膠取樣儀等，然后經(jīng)過多傳感器信息融合技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對核環(huán)境多信息采集、異常溫度、異常氣味、管道泄漏的檢測。

圖6 LBF－150型水下機(jī)器人

錢夔等[8]設(shè)計(jì)了一種嵌入式核探測儀,如圖7所示,該探測儀用于監(jiān)測X射線、γ射線，采用了計(jì)數(shù)前時(shí)間（count-to-time）測量技術(shù)，拓寬了計(jì)數(shù)管的測量范圍，延長了使用壽命。但不具備檢測多種射線的功能。中輻院研制的CAM-2型氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀，如圖8所示，能同時(shí)給出空氣中α、β放射性氣溶膠的活度濃度，采用了能量甄別法和改進(jìn)的α/β比值法，實(shí)現(xiàn)對空氣中氣溶膠值連續(xù)、自動(dòng)測量，具有較高的靈敏度，同時(shí)避免了空氣采樣再送實(shí)驗(yàn)室分析這一常規(guī)方式所帶來的延時(shí)性問題。目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)介紹將該儀器集成至巡檢機(jī)器人上，但該儀器在中核404廠得到廣泛應(yīng)用，且效果良好。2003年東南大學(xué)與南京軍區(qū)防化研究生共同研制的一款小型核化探測機(jī)器人[5]如圖9所示。該機(jī)器人配備4個(gè)攝像頭、紅外測距傳感器、超聲波測距傳感器、核輻射探測儀，應(yīng)用無線傳送裝置實(shí)現(xiàn)傳感信息與遠(yuǎn)程控制臺的通訊，可進(jìn)入輻射高危區(qū)域進(jìn)行輻射監(jiān)測、現(xiàn)場景象傳輸、并執(zhí)行應(yīng)急任務(wù)。

圖7 嵌入式核探測儀

圖8 CAM-2型氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀

圖9 東南大學(xué)核化探測機(jī)器人

1.3 控制系統(tǒng)

巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系一般采用上位機(jī)與下位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)在機(jī)器人內(nèi)，主要用于與上位機(jī)信息交互，控制機(jī)器人行動(dòng)。上位機(jī)主要功能是在遙控端通過人機(jī)界面采集各種信號，并進(jìn)行控制算法運(yùn)算，再向下位機(jī)發(fā)送命令和接收采集的信息。由于核環(huán)境的特殊性，要求控制系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性好、可操作性強(qiáng)，其中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)涉及到機(jī)器人定位導(dǎo)航、自主避障等技術(shù)。目前常用的定位導(dǎo)航技術(shù)有利用傳感器、GPS、RFID、SLAM環(huán)境三維立體化建模技術(shù)等[9]。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、模糊邏輯算法、混合算法等[10]技術(shù)多用于機(jī)器人智能避障研究。熊鵬文等[11]設(shè)計(jì)了一種核電站巡檢與應(yīng)急機(jī)器人的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為通信傳輸級、控制級和裝置級3級，并采用CAN總線將各模塊連接起來，各層級之間實(shí)現(xiàn)模塊化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)松散耦合，提高了系統(tǒng)的層次性和可靠性。同時(shí)采用混合算法提出了二維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。吳玉等[12]為核電站環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)硬件邏輯圖如圖10所示。該機(jī)器人配有超聲波傳感器、航姿儀、視覺傳感器，實(shí)現(xiàn)對前進(jìn)、后退、爬樓梯等運(yùn)動(dòng)的控制，車體控制計(jì)算機(jī)采用RTD公司的PCI-104計(jì)算機(jī)，集成了CPU主板、CAN總線擴(kuò)展卡等，各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法[13]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，誤差小，實(shí)現(xiàn)了對控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)并提高了控制精度。Jilek的團(tuán)隊(duì)[14]研發(fā)了具備完全自主性的Orpheus-X4輻射探測巡檢機(jī)器人，可自主規(guī)劃探測路徑，通過RTK GNSS傳感器實(shí)現(xiàn)精確定位，能對長90 m、寬15 m的室外矩形區(qū)域進(jìn)行探測點(diǎn)均勻分布的覆蓋式掃描，并構(gòu)建輻射巡檢云圖。

圖11 Quince2機(jī)器人工作原理圖

圖12 Packbot機(jī)器人線纜卷軸器

圖10 控制系統(tǒng)硬件邏輯圖

1.4 通信系統(tǒng)

當(dāng)前，巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人采用有線通信和無線通信兩種方式。由于機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制端存在大量圖像數(shù)據(jù)和信息的傳輸，這就需要這兩種方式的通信系統(tǒng)有足夠的通信帶寬和穩(wěn)定性[15]。但這兩種方式在強(qiáng)輻射環(huán)境下都存在弊端。有線通信方式在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境下容易引起通信線纜纏繞，制約了機(jī)器人的行動(dòng)；而高輻射作業(yè)區(qū)其墻體多為大厚度混凝土結(jié)構(gòu)，對無線通信信號有強(qiáng)屏蔽性，而無線通信的電磁波對核設(shè)備也有可能產(chǎn)生影響。目前針對解決這一問題有三種措施：線纜防纏繞設(shè)計(jì)、開發(fā)高頻通信、增加通信中繼。日本研發(fā)的Quince2機(jī)器人通過光纖連接和增加中繼器控制距離可達(dá)2 km，如圖11所示。該機(jī)器人在福島核電事故中得到良好應(yīng)用[16]。美國Packbot機(jī)器人[17]采用有線加無線混合式通信方式，在無線通信方式失效的情況下采用有線通信。其線纜卷軸器采用了防線纜纏繞設(shè)計(jì)，如圖12所示。其次，該機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際情況配備4.9 GHz頻段全向天線[18],增強(qiáng)信號穿透力，而目前我國核環(huán)境機(jī)器人通信通常在2.4 GHz以下。

1.5 核防護(hù)

應(yīng)用于核環(huán)境的機(jī)器人與一般的工業(yè)機(jī)器人最大的區(qū)別在于前者需要核防護(hù)處理[19]。巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人是機(jī)電一體化的系統(tǒng)，其攜帶的各種傳感器、探頭、集成電路易被帶電粒子、高能射線損傷，導(dǎo)致機(jī)器人故障或報(bào)廢。因此機(jī)器人核防護(hù)至關(guān)重要，目前核防護(hù)方法主要采用屏蔽加固防護(hù)、電路抗輻射加固、采用新型材料防護(hù)等方式。

1）屏蔽加固防護(hù)。方式一：在輻射源和關(guān)鍵部位之間放置:鉛、鋁、鎢、硼-鋁合金、混凝土、硅膠、聚乙烯等[20]屏蔽材料。圖13所示為一種屏蔽帶，采用鎢/硅樹脂，將該屏蔽帶覆蓋在上蓋與機(jī)器人車體中間的空隙中，防射線效果明顯。方式二：在傳感器、探頭、信號通信單元等敏感元件或部位涂覆抗輻射材料，如圖14所示。實(shí)驗(yàn)證明通過抗輻射加固的半導(dǎo)體器件耐輻射能力可達(dá)10 kSv［21］，但由于屏蔽材料密度較大，在機(jī)器人整體重量限制的情況下，所攜帶的屏蔽材料有限，故只能抵御部分輻射粒子沖擊。

2）電路抗輻射加固。電路抗輻射加固方式有多種，其中一種方式為硬件冗余設(shè)計(jì)。是指在設(shè)計(jì)機(jī)器人硬件電路過程中，針對易被損壞的電路采用多通道冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)某一通道受到輻射粒子擊壞后，其他通道能夠代替擊壞通道，確保硬件系統(tǒng)仍能正常工作。此種方式在不增加機(jī)器人重量的前提下提高了耐輻射能力，但在高輻射環(huán)境下，抗輻射能力仍不夠。

圖13 Packbot屏蔽帶

圖14 屏蔽加固防護(hù)

3）采用新型材料防護(hù)。如機(jī)器人底盤常用到的橡膠，由于普通橡膠在接受一定輻射劑量后往往會(huì)失效，目前一種解決方式是：如尹強(qiáng)等[22]介紹的一種普通橡膠中加入稀土改性聚合物三元乙丙和氧化鉍方式，抗輻射性能將大幅提高,但目前相關(guān)介紹較少，并未普及。姜懿峰等[23]采用蒙特卡羅MCNP程序完成了新型耐高溫環(huán)氧樹脂基中子屏蔽復(fù)合材料的制備，該材料對0～2 MeV范圍內(nèi)的中子射線有著較好屏蔽性能,但制備較大面積的材料時(shí)，板材將產(chǎn)生裂紋。

1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人在應(yīng)急情況下需要執(zhí)行對關(guān)鍵閥門開關(guān)、清除障礙物、管道堵漏等動(dòng)作，這就需要機(jī)器人根據(jù)不同需求配置不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。東南大學(xué)[12]設(shè)計(jì)了一款小型四自由度機(jī)器手臂，如圖15所示。手臂前端手抓最大可抓取直徑φ85 mm，最大抓取重量5 kg。該機(jī)器手臂為擴(kuò)大適用性，前端手抓可替換成鏟斗。但由于手臂自身結(jié)構(gòu)和大小的原因，只適用于抓取或鏟起重量較輕體積略小的物體。在清除大型障礙物方面，瑞典的Brokk機(jī)器人[24]性能較為先進(jìn)，如圖16所示為機(jī)器人本體及配套的多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)，效率高，針對性強(qiáng)，不僅用于核應(yīng)急處理而且還在搶險(xiǎn)救援、水泥、冶金行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但價(jià)格過于高昂，離普及還有一段距離。

圖15 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)

圖16 Brokk機(jī)器人及多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2 結(jié)語

總結(jié)了巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、傳感檢測系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、核防護(hù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，其中核防護(hù)是巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人的特點(diǎn)也是重點(diǎn)之一，隨著材料技術(shù)的發(fā)展用于機(jī)器人的核防護(hù)技術(shù)也將有重大進(jìn)展。同時(shí)文中介紹了目前國內(nèi)外研制的多款巡檢與核應(yīng)急機(jī)器人技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用情況，為研制同類機(jī)器人提供參考。

[1] 劉青松,張一心,向文元,等.核電站機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2011(3):12-16.

[2] 杜樹標(biāo),蔣韋韋,丁泮.核環(huán)境機(jī)器人現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016(5):93-97,103.

[3] 楊秀清,駱敏舟,梅濤.核環(huán)境下的機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2008(1):31-39.

[4] 沈華亞,朱萬寧,董強(qiáng)敏,等.耐強(qiáng)輻射遙控探測機(jī)器人研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2015(1):74-78.

[5] 崔建偉.東南大學(xué)研制成功小型核化探測與應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2012(1):44-45.

[6] 成豐,柳宗曉.水下機(jī)器人在核電廠取水口海生物監(jiān)測中的初步應(yīng)用[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2016(4):27-30.

[7] 錢輝環(huán).核環(huán)境下遙操作機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[C]//中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)、中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì).第三十二屆中國控制會(huì)議論文集(D卷).2013:6.

[8] 錢夔,宋愛國,熊鵬文,等.基于高斯模型的核探測機(jī)器人尋找核輻射源方法[J].高技術(shù)通訊,2013(3):282-288.

[9] 賈松敏,王可,郭兵,等.基于RGB-D相機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人三維SLAM[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(1):103-109.

[10]董曄.基于混合算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃及編隊(duì)研究[D].鞍山:遼寧科技大學(xué),2016.

[11]熊鵬文.核電站巡檢與應(yīng)急處理機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2015.

[12]吳玉,顧毅,董鵬飛.核電站環(huán)境監(jiān)測履帶式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2016(3):41-45.

[13] 夏楠,邱天爽,李景春,等.一種卡爾曼濾波與粒子濾波相結(jié)合的非線性濾波算法[J].電子學(xué)報(bào),2013(1):148-152.

[14]JILEK T,ZALUD L,KOCMANOVA P.Robotic Autonomous Outdoor Gamma Radiation Monitoring and Mapping[J].International Journal of Systems Applications,Engineering&Development,2016,10:162-168.

[15] 劉呈則,嚴(yán)智,鄧景珊,等.核電站應(yīng)急機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].核科學(xué)與工程,2013(1):97-105.

[16]NAGATANI K,KIRIBAYASHI S,OKADA Y,et al.Emegrency ResPonse to the Nuclear Accident at the Fuktshima Daiihci Nuclear Power Plants using Mobile Rescue Robots[J].Jounal of Field Robotics Jounral of Field Robotics.2O13,30(l):44-63.

[17]STEW M.Search and Resucue Robots Needed,But Market Has Yet to Develop[J].National Defense,2011(96):24-26

[18]iRobotCorporation.robotPackbotAccessories One Robot Unlimited Possibilities[EB/OL].［2015].http://www.irobot.com.

[19]趙慧,姚黎志,尚云龍.核環(huán)境下信息的采集與處理技術(shù)研究[J].電子制作,2013(13):122.

[20] 高曉菊,燕東明,曹劍武,等.核防護(hù)用中子吸收材料的研究現(xiàn)狀[J].陶瓷,2016(11):15-22.

[21]郭永飛.遙感CCD相機(jī)的抗輻射策略研究[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2010(6):534-545.

[22] 尹強(qiáng),林蓉,李芳.輻射環(huán)境下探測機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].輕工科技,2014(1):73-74,86.

[23]姜懿峰.核電救災(zāi)機(jī)器人中子屏蔽材料制備及輻射防護(hù)研究[D].上海:華東理工大學(xué),2016.

[24] 蔣君.遙操作拆除機(jī)器人工作裝置的設(shè)計(jì)與研究[D].綿陽:西南科技大學(xué),2016.