淺談核工業(yè)機(jī)器人及其自控與遙控切換技術(shù)

【摘 要】在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程中，科學(xué)技術(shù)起著重要地位，在科技發(fā)展的帶動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)也在不斷的發(fā)展。日本福島核事故后，深入核電站內(nèi)部操作機(jī)器人成為了公眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文將對(duì)我國(guó)核工業(yè)中遙控技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】核工業(yè)；遙控技術(shù)；機(jī)器人技術(shù)

在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程中，科學(xué)技術(shù)起著重要地位，在科技發(fā)展的帶動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)也在不斷的發(fā)展。日本福島核事故后，深入核電站內(nèi)部操作機(jī)器人成為了公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將對(duì)我國(guó)核工業(yè)中遙控技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.機(jī)器人應(yīng)用和發(fā)展前景綜述

日本福島核事故后，深入核電站內(nèi)部操作機(jī)器人成為了公眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一。核電機(jī)器人在福島第一核電站中拍攝到的圖像讓人們更切實(shí)地了解了電站內(nèi)部的真實(shí)狀況，尤其是在福島核電站危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)及瓦礫的清除工作中，核電救災(zāi)機(jī)器人更是發(fā)揮了重要作用。隨著世界核電的可持續(xù)發(fā)展，核電機(jī)器人的應(yīng)用也將日益廣泛，并將向更加小型化、智能化、實(shí)用化方向發(fā)展。

我國(guó)的機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開(kāi)展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五”、“八五”、“九五”機(jī)器人技術(shù)國(guó)家攻關(guān)、“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開(kāi)發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。在機(jī)器人的應(yīng)用工程方面：目前國(guó)內(nèi)已建立了多條弧焊機(jī)器人生產(chǎn)線，裝配機(jī)器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊裝生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)研發(fā)力量已經(jīng)具備了大型機(jī)器人工程設(shè)計(jì)和實(shí)施的能力，整體性能已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而整體價(jià)格僅為國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價(jià)格比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級(jí)的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，到2015年中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的容量約達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)套。我國(guó)近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶(hù)帶來(lái)顯著效益。

2.我國(guó)核工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

核工業(yè)用機(jī)器人是為滿足核工業(yè)特殊要求與使用環(huán)境所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人。核工業(yè)機(jī)器人最早于20世紀(jì)50年代開(kāi)始使用，后逐漸發(fā)展成為遙控機(jī)器人。運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)可以減少操作者在各種檢查和維護(hù)處理中所受的核輻射劑量，并可以提供監(jiān)控能力，以節(jié)省替換發(fā)電設(shè)備，降低運(yùn)營(yíng)成本。適用于核工業(yè)的機(jī)器人主要有以下幾個(gè)特征：可移動(dòng)性，方便穿越和繞過(guò)障礙物；具有各種攝像機(jī)和傳感器，有很好的偵察能力；可以快速到達(dá)操作地點(diǎn)，有很好的機(jī)動(dòng)性；具有雙向控制器，可以快速將狀態(tài)反饋給操作者；具有很好的力反饋，能夠保護(hù)操作對(duì)象。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自主機(jī)器人將逐漸代替人工操作。目前，核工業(yè)迫切需要機(jī)器人技術(shù)，但由于核工業(yè)場(chǎng)所的特殊性，大部分核工業(yè)機(jī)器人雖然采用雙模態(tài)工作方式既自主+搖操工作方式，但兩種控制方式是并行關(guān)系。機(jī)器人一旦進(jìn)入此惡劣環(huán)境中很可能發(fā)生因接收不到控制信號(hào)，失去人工控制，然而此時(shí)機(jī)器人又不能自行的切換到自主控制模式。這時(shí)就會(huì)造成機(jī)器人由于失去控制，滯留于核輻射環(huán)境中難以回收的問(wèn)題。

3.我國(guó)核工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

3.1雙模態(tài)切換電路的研究

在核工業(yè)機(jī)器人具有雙模態(tài)工作的基礎(chǔ)上，采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)總線分布式結(jié)構(gòu)，基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種模態(tài)可以切換的電路，并且根據(jù)信號(hào)的基本原理，設(shè)計(jì)一套通信信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊，加載與其中，其工作原理是：即當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度降到一個(gè)閾值或中斷一定時(shí)間時(shí)，機(jī)器人自行切換到自主控制模式，并按照已經(jīng)設(shè)定好的程序完成任務(wù)，從而可以保證機(jī)器人繼續(xù)完成任務(wù)或原路退回。

3.2模塊的抗干擾與耐輻射研究

考慮到核輻射可以使電子系統(tǒng)產(chǎn)生瞬時(shí)干擾或永久性燒毀的因素，為保證該切換模塊在核輻射環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境下可以正常的工作，所以必須對(duì)本項(xiàng)目模塊采取必要的抗輻射措施。一般電子的抗輻射措施有5種，本項(xiàng)目模塊采用其中的三種，即：抗輻射元器件、屏蔽加固、抗閂鎖電路三種方法。

（1）抗輻射元件。通常，給定輻射劑量的相對(duì)影響取決于芯片技術(shù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。在材料選取方面， SOI（Silicon-On-Insulator）， SOS（Silicon-On-Sapphire），GaAs等材料的抗輻射能力比Si要高，如SOI器件中MOS管和襯底之間絕緣隔離，降低了寄生PNPN回路增益，減少了可能的激發(fā)電流，從而消除了SEL。另外，在基片的工藝上應(yīng)盡量選用013Lm以上器件，同時(shí)保證選擇的器件具有一定的輻射設(shè)計(jì)余量（RDM>2）。

（2）屏蔽加固。在選擇抗輻射器件出現(xiàn)困難時(shí)或者選擇抗輻射器件達(dá)不到應(yīng)用要求時(shí)，設(shè)計(jì)者就只有求助于另一種解決方法）附加屏蔽和加固。這是抗輻射的一個(gè)傳統(tǒng)和自然的辦法，即采用抗輻射材料加固器件和在外殼和架構(gòu)上的鋁板外涂覆抗輻射材料加強(qiáng)對(duì)輻射的屏蔽。

（3）抗閂鎖電路。CMOS結(jié)構(gòu)的集成器件有眾多優(yōu)點(diǎn)，但它并非完美無(wú)缺。主要是CMOS結(jié)構(gòu)會(huì)形成電路的閂鎖（又稱(chēng)閉鎖、自鎖、閘流效應(yīng)），這是CMOS集成器件與生俱來(lái)的寄生效應(yīng)，它會(huì)嚴(yán)重影響集成器件的功能，造成集成器件功能混亂甚至集成電路器件根本無(wú)法工作或燒毀。由于CMOS集成器件的SEL主要表現(xiàn)為內(nèi)部的低阻態(tài)產(chǎn)生的大電流，只要限制其電流大小，就可避免將CMOS集成器件燒毀?？筍EL措施包括：限流、基于電流檢測(cè)的電源管理、周期性切機(jī)、設(shè)備自檢等。限流是最常用的一種典型方法，一般是在CMOS集成器件的電源入口串接小限流電阻。因不同的CMOS集成器件工作頻率和負(fù)載有差異，工作電流IDD的區(qū)別會(huì)很大，從幾-幾十毫安。為此，可針對(duì)每個(gè)CMOS集成器件的使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試確定。

4.結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)的核電站機(jī)器人首先必須具有良好的抗輻射能力；其次，要能夠到達(dá)多個(gè)位置，需要在容器罐、管道以及地面上自由行走，因此要求有靈活的機(jī)動(dòng)能力；第三，機(jī)器人需要攜帶相應(yīng)的敏感器，對(duì)核電站內(nèi)部環(huán)境、相關(guān)設(shè)施等進(jìn)行探測(cè)，即機(jī)器人具有充分的智能感知能力；最后，機(jī)器人既要具有自主運(yùn)行的能力，也要支持遙操作，使得操作員可隨時(shí)干預(yù)、控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并能臨機(jī)處理突發(fā)事件。由于核輻射環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，要替代完成人類(lèi)所不可能完成的任務(wù)，核電機(jī)器人的研發(fā)還需要攻克許多技術(shù)難點(diǎn)。核電機(jī)器人的研制也將面臨更多的挑戰(zhàn)。

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