在核領(lǐng)域釋放機器人潛力

2022年5月5日

Spot是一個可四腳行走的機器人，用于開展環(huán)境特征描述

        機器人和自動化領(lǐng)域有一句眾所周知的說法：如果一項任務“骯臟、乏味或危險”，那么它應該實現(xiàn)自動化。“難度大”和“成本高”的任務有時也應該實現(xiàn)自動化。核工業(yè)中很多任務都可以歸于這五類，但機器人仍然用得較少。

        核設(shè)施是最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境之一，輻射水平高、進入受限、缺少自動化基礎(chǔ)設(shè)施，所有這些操作風險正是使用機器人的原因：盡量減少對人類的風險。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，而這一要求通常導致無法開展新興技術(shù)應用實驗。

        那么我們應該如何克服這些障礙，來釋放機器人在核電領(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)，機器人并不是新興技術(shù)。機器人通常擅長在結(jié)構(gòu)良好的環(huán)境中執(zhí)行重復性任務，例如汽車工廠的生產(chǎn)線。當環(huán)境可預測時，對于諸如物料搬運或機器照看等任務，機器人僅需要有限的智能水平便能完成任務，而當產(chǎn)量較高時，自動化和機器人技術(shù)通常就有了很好的商業(yè)案例。

        鑒于其他行業(yè)生產(chǎn)成本的增加和機器人價格的下降，其他行業(yè)也開始尋求利用機器人來解決他們的挑戰(zhàn)。航空航天就是一個很好的例子。與汽車行業(yè)相比，該行業(yè)產(chǎn)量相對較低，制造過程相對復雜，但仍有大量應用需要實現(xiàn)自動化。這可能是出于對安全（避免重復操作）、質(zhì)量（有時手動過程無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)境雜亂無章，這又是一個應用機器人的例子。十年前，人們并不認為采摘水果是一種可以實現(xiàn)的應用。

        核工業(yè)應用機器人的挑戰(zhàn)可能是獨一無二的，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)如何利用機器人技術(shù)，這是有意義的。

支持在核領(lǐng)域部署機器人

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

        機器人如何感知環(huán)境的一個常見例子是使用相機和機器視覺。近年來，相機以及將機器學習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。在電子商務履行中心，一些機器人現(xiàn)在使用低成本的3D視覺傳感器和人工智能來準備消費品訂單。如果機器人能夠適應核能這樣具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境的話，那么這種識別和選擇不同形狀和外觀物體的能力可以應用于核廢料分離。

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

        特別是當我們使用機器人技術(shù)來降低風險和提高勞動力安全時，人機協(xié)作的進步將有助于機器人在未來的部署。

        例如，協(xié)作機器人是一種可以安全地部署在人周圍的機器人，具有碰撞檢測和力量限制等功能。在部署任何機器人之前，始終需要進行完整的安全風險評估，但在適當?shù)臈l件下，這些機器人可以在沒有安全圍欄的情況下與操作員一起工作。在核設(shè)施中，便可以安排機器人進行檢查和測量，同時不會干擾現(xiàn)場人員的正常操作。

        與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人通常會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)備也可以與機器人配對，使人機協(xié)作更加方便。例如，可以對安全掃描儀進行編程，以便在有人進入警示區(qū)時限制機器人的速度，并在有人進入危險區(qū)時停止機器人。

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

        以下是我們的機器人團隊如何探索多種應用的示例。

機器人數(shù)據(jù)搜集

        數(shù)據(jù)收集對于核電站越來越重要，無論是核電站安全運行和應用程序，還是性能監(jiān)測、預測性維護還是數(shù)字孿生體的開發(fā)，都是如此。這些數(shù)據(jù)包括放射性測量、圖像采集和3D掃描，這些都是機器人可以代替人類完成的任務。

        收集數(shù)據(jù)有兩個主要好處。首先，降低風險，因為它能避免將人員送入危險區(qū)域。如果需要在未進行特征描述的環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，那么首先派機器人來評估風險并適當?shù)匾?guī)劃進一步的活動要安全得多。其次，即使在進行了特征描述的環(huán)境中，仍需進行常規(guī)調(diào)查。

        在這種情況下，機器人可以幫助在預先編程的時間和地點獲取數(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。

        波士頓動力公司的Spot就是一個很好的例子。Spot是一款可四腳行走的機器人，可用作儀器部署平臺，如相機、3D掃描儀和伽馬監(jiān)視器。它可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中導航、越過障礙物以及上下樓梯，它配備了一個手臂來打開門并拾取或拖動物體，從而能夠跨越不同站點和挑戰(zhàn)性環(huán)境進行遠程數(shù)據(jù)收集。

遠程操作：信息增強

        對于無法實現(xiàn)完全自動化的情況，遠程操作機器人可能是最佳解決方案。機器人可以增強人的能力，因此可以更安全、有效地完成工作。

        在英國，我們正在開發(fā)遙控機器人系統(tǒng)，從而將手從手套箱操作中解放出來。機械臂可以設(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），從而使人們遠離傷害。對于此應用，Kinova Gen3協(xié)作臂配備了夾具、角磨機、螺絲刀和等離子切割機等工具，可有效執(zhí)行手套箱任務，并能進行編程以避免干擾手套箱及其內(nèi)容物。

        選擇和安裝機器人只是解決方案的一小部分。遠程操作機器人需要將直觀的用戶界面、復雜的機器人控制、低延遲通信和傳感器結(jié)合起來，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、軟件后端的機器人操作系統(tǒng)(ROS)、捕捉機器人環(huán)境的3D攝像頭和虛擬現(xiàn)實(VR)來開發(fā)身臨其境和直觀的用戶體驗。

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

工業(yè)操作：自動化

        還有一些應用，我們可以采用標準工業(yè)機器人并圍繞它們設(shè)計自動化流程，例如處理受α污染的手套箱或管理退役廢物。對于后者，我們可以根據(jù)其放射性水平對廢物進行分類，以優(yōu)化存儲并節(jié)省成本，使用具有復雜視覺系統(tǒng)和軟件的工業(yè)機器人并將其與標準表征儀器配對。

加快機器人應用

        為了真正實現(xiàn)機器人技術(shù)的潛力并制定強大的解決方案，我們不能閉門造車。 我們需要最大限度地從其他行業(yè)開發(fā)的技術(shù)中吸取經(jīng)驗教訓，并對其進行調(diào)整以解決核領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

        我們作為系統(tǒng)集成商，與機器人行業(yè)的制造商和供應商合作，尋找適應和增強現(xiàn)有技術(shù)以滿足核能特定要求的機會。這種合作彌合了學術(shù)界和工業(yè)界之間的差距：它滿足了這些特定要求，支持實驗，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)對于機器人應用是一個具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，但同時它也提供了很多的潛在機會和回報。釋放這些好處可以真正改變我們的行業(yè)。

        （編譯：國核自儀 陳瀟莉，轉(zhuǎn)載請注明出處）