在核领域释放机器人潜力

2022年5月5日

Spot是一个可四脚行走的机器人，用于开展环境特征描述

机器人和自动化领域有一句众所周知的说法：如果一项任务“肮脏、乏味或危险”，那么它应该实现自动化。“难度大”和“成本高”的任务有时也应该实现自动化。核工业中很多任务都可以归于这五类，但机器人仍然用得较少。

核设施是最具挑战性的环境之一，辐射水平高、进入受限、缺少自动化基础设施，所有这些操作风险正是使用机器人的原因：尽量减少对人类的风险。然而，核设施所使用的技术必须具有较高的成熟度和稳健性，而这一要求通常导致无法开展新兴技术应用实验。

那么我们应该如何克服这些障碍，来释放机器人在核电领域的潜力呢？

从其他领域汲取灵感

在汽车、电子和包装等其他行业，机器人并不是新兴技术。机器人通常擅长在结构良好的环境中执行重复性任务，例如汽车工厂的生产线。当环境可预测时，对于诸如物料搬运或机器照看等任务，机器人仅需要有限的智能水平便能完成任务，而当产量较高时，自动化和机器人技术通常就有了很好的商业案例。

鉴于其他行业生产成本的增加和机器人价格的下降，其他行业也开始寻求利用机器人来解决他们的挑战。航空航天就是一个很好的例子。与汽车行业相比，该行业产量相对较低，制造过程相对复杂，但仍有大量应用需要实现自动化。这可能是出于对安全（避免重复操作）、质量（有时手动过程无法满足精度和公差要求）或成本效率的考虑。农业同样具有挑战性，其操作环境杂乱无章，这又是一个应用机器人的例子。十年前，人们并不认为采摘水果是一种可以实现的应用。

核工业应用机器人的挑战可能是独一无二的，但解决方案和技术不一定如此，这就是为什么要考虑其他行业如何利用机器人技术，这是有意义的。

支持在核领域部署机器人

为了让机器人在具有挑战性的条件下工作，提高了机器人的感知能力和与环境交互的能力。虽然机器人技术的标准方法一直是改变流程以简化自动化，即使环境适应机器人，但这在核工业中并不总是可行的。拥有能够适应外部世界的机器人变得越来越重要，反之则行不通。

机器人如何感知环境的一个常见例子是使用相机和机器视觉。近年来，相机以及将机器学习与更大处理能力相结合的算法的成本降低，产生了可能有利于核能的新功能。在电子商务履行中心，一些机器人现在使用低成本的3D视觉传感器和人工智能来准备消费品订单。如果机器人能够适应核能这样具有挑战性的环境的话，那么这种识别和选择不同形状和外观物体的能力可以应用于核废料分离。

力量控制方面也取得了进展，为机器人提供了触觉。机械创新也可以提供帮助，例如自适应机器人抓手，它可以抓取不同形状和大小的物体，而无需依赖复杂的传感器和软件。

特别是当我们使用机器人技术来降低风险和提高劳动力安全时，人机协作的进步将有助于机器人在未来的部署。

例如，协作机器人是一种可以安全地部署在人周围的机器人，具有碰撞检测和力量限制等功能。在部署任何机器人之前，始终需要进行完整的安全风险评估，但在适当的条件下，这些机器人可以在没有安全围栏的情况下与操作员一起工作。在核设施中，便可以安排机器人进行检查和测量，同时不会干扰现场人员的正常操作。

与传统工业机器人相比，协作机器人通常会牺牲速度和有效载荷，但它们可能具有支持直观操作和编程的功能。安全设备也可以与机器人配对，使人机协作更加方便。例如，可以对安全扫描仪进行编程，以便在有人进入警示区时限制机器人的速度，并在有人进入危险区时停止机器人。

将这些技术转化为实际应用，是了解机器人如何以不同方式提高安全性和生产力的有用方法。

以下是我们的机器人团队如何探索多种应用的示例。

机器人数据搜集

数据收集对于核电站越来越重要，无论是核电站安全运行和应用程序，还是性能监测、预测性维护还是数字孪生体的开发，都是如此。这些数据包括放射性测量、图像采集和3D扫描，这些都是机器人可以代替人类完成的任务。

收集数据有两个主要好处。首先，降低风险，因为它能避免将人员送入危险区域。如果需要在未进行特征描述的环境中收集数据，那么首先派机器人来评估风险并适当地规划进一步的活动要安全得多。其次，即使在进行了特征描述的环境中，仍需进行常规调查。

在这种情况下，机器人可以帮助在预先编程的时间和地点获取数据，因此人们可以专注于数据处理，从而提高生产力和安全性。

波士顿动力公司的Spot就是一个很好的例子。Spot是一款可四脚行走的机器人，可用作仪器部署平台，如相机、3D扫描仪和伽马监视器。它可以在非结构化环境中导航、越过障碍物以及上下楼梯，它配备了一个手臂来打开门并拾取或拖动物体，从而能够跨越不同站点和挑战性环境进行远程数据收集。

远程操作：信息增强

对于无法实现完全自动化的情况，远程操作机器人可能是最佳解决方案。机器人可以增强人的能力，因此可以更安全、有效地完成工作。

在英国，我们正在开发遥控机器人系统，从而将手从手套箱操作中解放出来。机械臂可以设置在手套箱的现有端口处（端口的最小内径为150毫米），从而使人们远离伤害。对于此应用，Kinova Gen3协作臂配备了夹具、角磨机、螺丝刀和等离子切割机等工具，可有效执行手套箱任务，并能进行编程以避免干扰手套箱及其内容物。

选择和安装机器人只是解决方案的一小部分。远程操作机器人需要将直观的用户界面、复杂的机器人控制、低延迟通信和传感器结合起来，以便为操作员提供所有必需的信息，例如摄像头、扫描仪和触觉反馈。在这种情况下，可以利用工具和技术，例如用于可视化和用户界面的游戏引擎、软件后端的机器人操作系统(ROS)、捕捉机器人环境的3D摄像头和虚拟现实(VR)来开发身临其境和直观的用户体验。

开发这些类型的解决方案创建了一种可复制的方法，可以适应其他应用程序。这里的重点是调整现有的机器人和成熟的技术，创建新的并适用于核能的功能，这种方法比开发新的机器人更快、更高效。

工业操作：自动化

还有一些应用，我们可以采用标准工业机器人并围绕它们设计自动化流程，例如处理受α污染的手套箱或管理退役废物。对于后者，我们可以根据其放射性水平对废物进行分类，以优化存储并节省成本，使用具有复杂视觉系统和软件的工业机器人并将其与标准表征仪器配对。

加快机器人应用

为了真正实现机器人技术的潜力并制定强大的解决方案，我们不能闭门造车。我们需要最大限度地从其他行业开发的技术中吸取经验教训，并对其进行调整以解决核领域的挑战。

我们作为系统集成商，与机器人行业的制造商和供应商合作，寻找适应和增强现有技术以满足核能特定要求的机会。这种合作弥合了学术界和工业界之间的差距：它满足了这些特定要求，支持实验，并将研发工作集中在需要新技术的领域或用例上。

核工业对于机器人应用是一个具有挑战性的环境，但同时它也提供了很多的潜在机会和回报。释放这些好处可以真正改变我们的行业。

（编译：国核自仪陈潇莉，转载请注明出处）