在核領(lǐng)域釋放機(jī)器人潛力

2022年5月5日

Spot是一個(gè)可四腳行走的機(jī)器人，用于開(kāi)展環(huán)境特征描述

        機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域有一句眾所周知的說(shuō)法：如果一項(xiàng)任務(wù)“骯臟、乏味或危險(xiǎn)”，那么它應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。“難度大”和“成本高”的任務(wù)有時(shí)也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。核工業(yè)中很多任務(wù)都可以歸于這五類，但機(jī)器人仍然用得較少。

        核設(shè)施是最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境之一，輻射水平高、進(jìn)入受限、缺少自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施，所有這些操作風(fēng)險(xiǎn)正是使用機(jī)器人的原因：盡量減少對(duì)人類的風(fēng)險(xiǎn)。然而，核設(shè)施所使用的技術(shù)必須具有較高的成熟度和穩(wěn)健性，而這一要求通常導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)展新興技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

        那么我們應(yīng)該如何克服這些障礙，來(lái)釋放機(jī)器人在核電領(lǐng)域的潛力呢？

從其他領(lǐng)域汲取靈感

        在汽車、電子和包裝等其他行業(yè)，機(jī)器人并不是新興技術(shù)。機(jī)器人通常擅長(zhǎng)在結(jié)構(gòu)良好的環(huán)境中執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如汽車工廠的生產(chǎn)線。當(dāng)環(huán)境可預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)于諸如物料搬運(yùn)或機(jī)器照看等任務(wù)，機(jī)器人僅需要有限的智能水平便能完成任務(wù)，而當(dāng)產(chǎn)量較高時(shí)，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)通常就有了很好的商業(yè)案例。

        鑒于其他行業(yè)生產(chǎn)成本的增加和機(jī)器人價(jià)格的下降，其他行業(yè)也開(kāi)始尋求利用機(jī)器人來(lái)解決他們的挑戰(zhàn)。航空航天就是一個(gè)很好的例子。與汽車行業(yè)相比，該行業(yè)產(chǎn)量相對(duì)較低，制造過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但仍有大量應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這可能是出于對(duì)安全（避免重復(fù)操作）、質(zhì)量（有時(shí)手動(dòng)過(guò)程無(wú)法滿足精度和公差要求）或成本效率的考慮。農(nóng)業(yè)同樣具有挑戰(zhàn)性，其操作環(huán)境雜亂無(wú)章，這又是一個(gè)應(yīng)用機(jī)器人的例子。十年前，人們并不認(rèn)為采摘水果是一種可以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

        核工業(yè)應(yīng)用機(jī)器人的挑戰(zhàn)可能是獨(dú)一無(wú)二的，但解決方案和技術(shù)不一定如此，這就是為什么要考慮其他行業(yè)如何利用機(jī)器人技術(shù)，這是有意義的。

支持在核領(lǐng)域部署機(jī)器人

        為了讓機(jī)器人在具有挑戰(zhàn)性的條件下工作，提高了機(jī)器人的感知能力和與環(huán)境交互的能力。雖然機(jī)器人技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法一直是改變流程以簡(jiǎn)化自動(dòng)化，即使環(huán)境適應(yīng)機(jī)器人，但這在核工業(yè)中并不總是可行的。擁有能夠適應(yīng)外部世界的機(jī)器人變得越來(lái)越重要，反之則行不通。

        機(jī)器人如何感知環(huán)境的一個(gè)常見(jiàn)例子是使用相機(jī)和機(jī)器視覺(jué)。近年來(lái)，相機(jī)以及將機(jī)器學(xué)習(xí)與更大處理能力相結(jié)合的算法的成本降低，產(chǎn)生了可能有利于核能的新功能。在電子商務(wù)履行中心，一些機(jī)器人現(xiàn)在使用低成本的3D視覺(jué)傳感器和人工智能來(lái)準(zhǔn)備消費(fèi)品訂單。如果機(jī)器人能夠適應(yīng)核能這樣具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境的話，那么這種識(shí)別和選擇不同形狀和外觀物體的能力可以應(yīng)用于核廢料分離。

        力量控制方面也取得了進(jìn)展，為機(jī)器人提供了觸覺(jué)。機(jī)械創(chuàng)新也可以提供幫助，例如自適應(yīng)機(jī)器人抓手，它可以抓取不同形狀和大小的物體，而無(wú)需依賴復(fù)雜的傳感器和軟件。

        特別是當(dāng)我們使用機(jī)器人技術(shù)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)和提高勞動(dòng)力安全時(shí)，人機(jī)協(xié)作的進(jìn)步將有助于機(jī)器人在未來(lái)的部署。

        例如，協(xié)作機(jī)器人是一種可以安全地部署在人周圍的機(jī)器人，具有碰撞檢測(cè)和力量限制等功能。在部署任何機(jī)器人之前，始終需要進(jìn)行完整的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些機(jī)器人可以在沒(méi)有安全圍欄的情況下與操作員一起工作。在核設(shè)施中，便可以安排機(jī)器人進(jìn)行檢查和測(cè)量，同時(shí)不會(huì)干擾現(xiàn)場(chǎng)人員的正常操作。

        與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人通常會(huì)犧牲速度和有效載荷，但它們可能具有支持直觀操作和編程的功能。安全設(shè)備也可以與機(jī)器人配對(duì)，使人機(jī)協(xié)作更加方便。例如，可以對(duì)安全掃描儀進(jìn)行編程，以便在有人進(jìn)入警示區(qū)時(shí)限制機(jī)器人的速度，并在有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)停止機(jī)器人。

        將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，是了解機(jī)器人如何以不同方式提高安全性和生產(chǎn)力的有用方法。

        以下是我們的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)如何探索多種應(yīng)用的示例。

機(jī)器人數(shù)據(jù)搜集

        數(shù)據(jù)收集對(duì)于核電站越來(lái)越重要，無(wú)論是核電站安全運(yùn)行和應(yīng)用程序，還是性能監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)還是數(shù)字孿生體的開(kāi)發(fā)，都是如此。這些數(shù)據(jù)包括放射性測(cè)量、圖像采集和3D掃描，這些都是機(jī)器人可以代替人類完成的任務(wù)。

        收集數(shù)據(jù)有兩個(gè)主要好處。首先，降低風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼙苊鈱⑷藛T送入危險(xiǎn)區(qū)域。如果需要在未進(jìn)行特征描述的環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，那么首先派機(jī)器人來(lái)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)并適當(dāng)?shù)匾?guī)劃進(jìn)一步的活動(dòng)要安全得多。其次，即使在進(jìn)行了特征描述的環(huán)境中，仍需進(jìn)行常規(guī)調(diào)查。

        在這種情況下，機(jī)器人可以幫助在預(yù)先編程的時(shí)間和地點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，因此人們可以專注于數(shù)據(jù)處理，從而提高生產(chǎn)力和安全性。

        波士頓動(dòng)力公司的Spot就是一個(gè)很好的例子。Spot是一款可四腳行走的機(jī)器人，可用作儀器部署平臺(tái)，如相機(jī)、3D掃描儀和伽馬監(jiān)視器。它可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中導(dǎo)航、越過(guò)障礙物以及上下樓梯，它配備了一個(gè)手臂來(lái)打開(kāi)門(mén)并拾取或拖動(dòng)物體，從而能夠跨越不同站點(diǎn)和挑戰(zhàn)性環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集。

遠(yuǎn)程操作：信息增強(qiáng)

        對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的情況，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人可能是最佳解決方案。機(jī)器人可以增強(qiáng)人的能力，因此可以更安全、有效地完成工作。

        在英國(guó)，我們正在開(kāi)發(fā)遙控機(jī)器人系統(tǒng)，從而將手從手套箱操作中解放出來(lái)。機(jī)械臂可以設(shè)置在手套箱的現(xiàn)有端口處（端口的最小內(nèi)徑為150毫米），從而使人們遠(yuǎn)離傷害。對(duì)于此應(yīng)用，Kinova Gen3協(xié)作臂配備了夾具、角磨機(jī)、螺絲刀和等離子切割機(jī)等工具，可有效執(zhí)行手套箱任務(wù)，并能進(jìn)行編程以避免干擾手套箱及其內(nèi)容物。

        選擇和安裝機(jī)器人只是解決方案的一小部分。遠(yuǎn)程操作機(jī)器人需要將直觀的用戶界面、復(fù)雜的機(jī)器人控制、低延遲通信和傳感器結(jié)合起來(lái)，以便為操作員提供所有必需的信息，例如攝像頭、掃描儀和觸覺(jué)反饋。在這種情況下，可以利用工具和技術(shù)，例如用于可視化和用戶界面的游戲引擎、軟件后端的機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)、捕捉機(jī)器人環(huán)境的3D攝像頭和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)來(lái)開(kāi)發(fā)身臨其境和直觀的用戶體驗(yàn)。

        開(kāi)發(fā)這些類型的解決方案創(chuàng)建了一種可復(fù)制的方法，可以適應(yīng)其他應(yīng)用程序。這里的重點(diǎn)是調(diào)整現(xiàn)有的機(jī)器人和成熟的技術(shù)，創(chuàng)建新的并適用于核能的功能，這種方法比開(kāi)發(fā)新的機(jī)器人更快、更高效。

工業(yè)操作：自動(dòng)化

        還有一些應(yīng)用，我們可以采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人并圍繞它們?cè)O(shè)計(jì)自動(dòng)化流程，例如處理受α污染的手套箱或管理退役廢物。對(duì)于后者，我們可以根據(jù)其放射性水平對(duì)廢物進(jìn)行分類，以優(yōu)化存儲(chǔ)并節(jié)省成本，使用具有復(fù)雜視覺(jué)系統(tǒng)和軟件的工業(yè)機(jī)器人并將其與標(biāo)準(zhǔn)表征儀器配對(duì)。

加快機(jī)器人應(yīng)用

        為了真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)的潛力并制定強(qiáng)大的解決方案，我們不能閉門(mén)造車。 我們需要最大限度地從其他行業(yè)開(kāi)發(fā)的技術(shù)中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以解決核領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

        我們作為系統(tǒng)集成商，與機(jī)器人行業(yè)的制造商和供應(yīng)商合作，尋找適應(yīng)和增強(qiáng)現(xiàn)有技術(shù)以滿足核能特定要求的機(jī)會(huì)。這種合作彌合了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的差距：它滿足了這些特定要求，支持實(shí)驗(yàn)，并將研發(fā)工作集中在需要新技術(shù)的領(lǐng)域或用例上。

        核工業(yè)對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，但同時(shí)它也提供了很多的潛在機(jī)會(huì)和回報(bào)。釋放這些好處可以真正改變我們的行業(yè)。

        （編譯：國(guó)核自儀 陳瀟莉，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處）