核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

□ 秦基偉 □ 常 勇 □ 王天龍 □ 呂 鵬

1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110016 2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院 沈陽(yáng) 110016 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

1 研究背景

目前,商業(yè)運(yùn)行的核電站都是利用放射性重金屬鈾、钚核裂變反應(yīng)釋放的能量來(lái)發(fā)電的。核電作為一種清潔高效的能源,已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而,在反應(yīng)堆運(yùn)行中,特別是在乏燃料后處理過(guò)程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生放射性污染物,使設(shè)備和工作人員受到不同程度的放射性污染,因此需要定期對(duì)核設(shè)施進(jìn)行去污。由于核環(huán)境的高放射性,人工去污會(huì)增大工作人員的職業(yè)照射量。對(duì)此,各核能大國(guó)積極研制核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人,以代替人工完成去污作業(yè)。應(yīng)用核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人,能夠降低核設(shè)施和環(huán)境的放射性活度,減小工作人員的職業(yè)照射量,然而,核工業(yè)的惡劣環(huán)境提高了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的難度。筆者針對(duì)熱室內(nèi)放射性污染物去污的實(shí)際需求,對(duì)放射性污染物的種類、常用去污方法及核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),對(duì)核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)及每種技術(shù)面臨的具體問(wèn)題進(jìn)行了分析,并總結(jié)了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)及研究方向,為核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的研制提供參考。

2 放射性污染物去污方法

放射性污染物指因含有放射性核素或被放射性核素污染,放射性濃度或放射性比活度超過(guò)國(guó)家規(guī)定限值的廢棄物[2]。放射性污染物可能產(chǎn)生于鈾礦開(kāi)采和加工、反應(yīng)堆運(yùn)行、乏燃料后處理過(guò)程中,特別是在乏燃料后處理過(guò)程中,產(chǎn)生的廢物放射性活度較高。根據(jù)物質(zhì)表面與放射性成分相互作用的不同性質(zhì),污染機(jī)制可以分為三類[3]。

(1) 附著性污染。核素與物體表面通過(guò)分子力相結(jié)合,基本上屬于物理性質(zhì),易于去污。

(2) 弱固定性污染。放射性成分以分子或離子形式通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附、離子交換與物體表面相結(jié)合,屬于表面化學(xué)性質(zhì),較難去污。

(3) 強(qiáng)固定性污染。放射性成分通過(guò)擴(kuò)散或其它過(guò)程滲入基質(zhì)內(nèi)部,很難去污。

附著性污染和弱固定性污染是在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中需要去除的主要污染物。

附著性污染可以采用真空抽吸、擦拭、干冰噴射等物理方法去除。真空抽吸用真空吸塵器吸除附著在物體表面的污染物,適用于去除天花板、管道系統(tǒng)、粗糙表面等去污裝置可接近的非黏性粒子[4]。干冰噴射利用干冰顆粒在沖擊瞬間氣化沖擊污垢層,清除金屬基材表面非金屬污垢的效果非常明顯。李燁等[5]采用干冰噴射去除核設(shè)施通風(fēng)管道表面的放射性污染物,去污效率達(dá)到95%以上,所研制的干冰噴射去污裝置具有去污效率高、對(duì)基材損傷小、二次廢物產(chǎn)生量小等優(yōu)點(diǎn)[6]。

弱固定性污染可以采用激光去污、化學(xué)去污、可剝離膜法等方法去除。激光去污的主要原理為物體表面污染物吸收激光能量后揮發(fā)或瞬間受熱膨脹,進(jìn)而克服表面的吸附力,脫離物體表面。激光去污效果好,速度快,二次廢物產(chǎn)生少,并能實(shí)現(xiàn)精密控制,在管道、不銹鋼表面清洗中均獲得了理想的去污效果[7-8],但是不適合復(fù)雜形狀構(gòu)件的去污?；瘜W(xué)去污利用化學(xué)去污劑溶解設(shè)備表面的放射性污染物?；瘜W(xué)去污劑包括無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、氧化還原劑、絡(luò)合劑、堿類、表面活性劑等[9],主要去除粘附在金屬及其氧化膜表面的放射性核素。對(duì)于富集在不銹鋼表面的鈾、钚等放射性核素,可采用化學(xué)擦拭法進(jìn)行有效去污[10-12]。采用可剝離膜法,在成膜劑成膜過(guò)程中,高分子鏈上的官能團(tuán)及其中的絡(luò)合劑與污染核素發(fā)生物理、化學(xué)作用,使污染核素從被污染表面進(jìn)入膜中,剝掉膜便可達(dá)到去污目的?？蓜冸x膜法對(duì)大部分表面松散型浮塵類污染的去污效率為80%～90%,對(duì)不銹鋼表面核素的去污效率達(dá)96%～99%[13-15],適用于壁面、地面和天花板的去污,當(dāng)污染物沉積較厚時(shí)則不適用。

3 核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用場(chǎng)合包括熱室內(nèi)壁、地板及設(shè)備表面、蒸汽發(fā)生器管內(nèi)[16]。目前,可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化的去污方式有真空抽吸、濕布擦拭、激光去污、高壓水沖洗、機(jī)械剝離等。

1996年,美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用安裝于熱室窺視窗兩側(cè)的主從機(jī)械臂夾持去污裝置,采用真空抽吸和濕布擦拭的方法,對(duì)熱室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行去污[17]。這一方法去污范圍及效率有限,后續(xù)還需要人工去污。

韓國(guó)原子能院研制了一種主從機(jī)械臂輔助遠(yuǎn)程去污系統(tǒng),可在熱室內(nèi)自由移動(dòng),采用真空抽吸的方式收集熱室地板、內(nèi)壁與設(shè)備表面的乏燃料殘?jiān)?以及在乏燃料處理過(guò)程中產(chǎn)生的放射性污染物[18]。這一遠(yuǎn)程去污系統(tǒng)如圖1所示,包括移動(dòng)單元、收集單元、鼓風(fēng)機(jī)單元、抽吸單元,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于拆裝。工作時(shí),位于熱室外的操作者控制遠(yuǎn)程去污系統(tǒng)到達(dá)熱室內(nèi)指定位置,利用主從機(jī)械臂抓住抽吸單元末端,將其移動(dòng)至待去污表面,將污染物吸入收集單元內(nèi)部,污染物經(jīng)過(guò)濾器使尺寸0.3 μm以上的顆粒留在收集單元內(nèi)部。

▲圖1 遠(yuǎn)程去污系統(tǒng)

韓國(guó)原子能院設(shè)計(jì)的KSI柔性觸手運(yùn)動(dòng)靈活,可像象鼻一樣彎曲,其結(jié)構(gòu)如圖2所示[19-20]。KSI柔性觸手采用真空抽吸的方法收集地板上及管道內(nèi)部的放射性粉末、小碎片,成本較低,在完成熱室去污后可直接棄用,省去對(duì)其自身進(jìn)行放射性去污的麻煩。KSI柔性觸手自身不能移動(dòng),需要用起重機(jī)懸吊至工作地點(diǎn)。受限于真空泵功率和觸手長(zhǎng)度,KSI柔性觸手去污范圍有限,觸手難以靠近的地方不能實(shí)現(xiàn)去污。

▲圖2 KSI柔性觸手結(jié)構(gòu)

以上兩款核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人均采用真空抽吸方法,用于去除熱室內(nèi)壁、地板及設(shè)備可接近表面上松散的附著性污染物。

韓國(guó)原子能院還研發(fā)了三套遙控清潔機(jī)器人系統(tǒng),分別為ROCCS-Ⅰ、ROCCS-Ⅱ、TORMS[21-22],用于收集熱室地板表面的核燃料碎片等附著性污染物。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),方便進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和維護(hù)。

ROCCS-Ⅰ采用刷洗與真空吸附相結(jié)合的去污方式,主要由履帶式移動(dòng)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)刷、真空吸附裝置、過(guò)濾裝置組成,由電纜進(jìn)行供電和控制,結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時(shí),利用旋轉(zhuǎn)刷使污染物脫離地板表面,由真空吸附裝置將污染物吸入內(nèi)部,經(jīng)過(guò)濾裝置使尺寸在0.3 μm以上的顆粒留在內(nèi)部。

▲圖3 ROCCS-Ⅰ結(jié)構(gòu)

ROCCS-Ⅱ相比ROCCS-Ⅰ,增加了自主導(dǎo)航能力和圖形模擬器,包括機(jī)器人本體和控制臺(tái)兩大部分,有自主控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。由于操作者對(duì)熱室內(nèi)環(huán)境并不完全了解,因此為實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能,在ROCCS-Ⅱ四周安裝12個(gè)超聲傳感器,采集周圍環(huán)境信息。ROCCS-Ⅱ可根據(jù)輸入的位置指令及周圍環(huán)境自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[23]。圖形模擬器可以顯示在熱室內(nèi)的工作狀態(tài)及地板清潔情況,方便操作者進(jìn)行控制操作。

TORMS采用濕拖布清理地板表面的污染物,由位于熱室內(nèi)的拖地車和熱室外的控制器組成,如圖4所示。拖地車包括履帶式移動(dòng)平臺(tái)、卷布筒、濕布料,利用卷布筒帶動(dòng)濕布料接觸地板運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)地板的擦拭。卷布筒單筒可擦拭24 m2地板,裝置簡(jiǎn)單,去污效率高。TORMS采用雙邊力反饋控制,控制器可以將布料與地板表面的接觸力反饋給操作者,便于操作者控制拖地力。

▲圖4 TORMS系統(tǒng)組成

以上三款遙控清潔機(jī)器人系統(tǒng)適用于去除地板表面的附著性污染物。

蒸汽發(fā)生器管內(nèi)的淤渣沉積會(huì)腐蝕管材,并導(dǎo)致傳熱效率降低。美國(guó)研制的SECIL4機(jī)器人采用高壓水沖洗蒸汽發(fā)生器管內(nèi)沉積的淤渣,安裝有小型攝像機(jī),便于遙控機(jī)器人完成任務(wù)。美國(guó)薩斯克漢那核電站中的噴射器管嘴經(jīng)常發(fā)生堵塞,研究人員對(duì)此開(kāi)發(fā)了一種帶機(jī)械臂和液體激光器的Romote Andros Mark Ⅵ機(jī)器人清洗系統(tǒng),如圖5所示。操作者遠(yuǎn)程控制Romote Andros Mark Ⅵ將液體激光器插入管嘴,利用高能激光束對(duì)管嘴進(jìn)行清洗。以上兩種核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人適用于去除管道內(nèi)的附著性污染物。

▲圖5 Romote Andros Mark Ⅵ機(jī)器人清洗系統(tǒng)

斯洛伐克在核事故堆退役過(guò)程中設(shè)計(jì)了化學(xué)去污裝置。DEZA-OD用于管道、槽罐及類似設(shè)備拆卸解體前的預(yù)去污,可以完成去污液加熱、浸泡去污對(duì)象、循環(huán)去污、排泄去污廢液、收集固體顆粒物等去污流程。MT-15是一種遙操作化學(xué)去污裝置,可配置多種作業(yè)工具清理、裝桶高輻射區(qū)內(nèi)散放的高污染雜物,并對(duì)地面高污染物進(jìn)行機(jī)械剝離,實(shí)現(xiàn)真空吸塵去污。DOV-Deco配置高壓水噴嘴和真空集水集塵頭,可以對(duì)污染物表面進(jìn)行高壓水沖洗,去污后的廢水及污染物由裝在噴嘴下的真空集水集塵頭收集于桶內(nèi)。

中國(guó)工程物理研究院研制的遠(yuǎn)距測(cè)量和去污機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)Brokk180機(jī)器人、放射性污染遠(yuǎn)距離測(cè)量裝置和去污工具進(jìn)行集成,用于反應(yīng)堆等核設(shè)施的退役去污。Brokk180機(jī)器人如圖6所示。Brokk180機(jī)器人攜帶測(cè)量裝置,獲取污染源的輻射信息,并利用去污工具將污染源剝離。Brokk180機(jī)器人去污速度快,單次剝離厚度為2～5 mm,缺點(diǎn)為存在時(shí)延問(wèn)題。

▲圖6 Brokk180機(jī)器人

4 核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于在常規(guī)環(huán)境下工作的機(jī)器人,核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下特殊要求:① 本體必須具有耐輻射能力、模塊化結(jié)構(gòu)、可靠的供電系統(tǒng)及系統(tǒng)故障狀態(tài)下的應(yīng)急處理裝置;② 需配備攝像機(jī)和射線傳感器,對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并保證在封閉環(huán)境中的可靠通信;③ 去污裝置應(yīng)具備去污能力強(qiáng)、去污效率高、拆卸方便、便于控制等特點(diǎn);④ 完成去污作業(yè)后自身應(yīng)便于去污。耐輻射技術(shù)、可靠通信技術(shù)、高效去污技術(shù)是核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 耐輻射技術(shù)

核放射環(huán)境中主要存在伽馬、阿爾法、貝塔和中子輻射。阿爾法粒子和貝塔射線在物質(zhì)中的射程較短,利用外殼即可屏蔽。只有在反應(yīng)堆運(yùn)行期間,壓力容器附近區(qū)域才存在強(qiáng)中子輻射場(chǎng),而伽馬輻射普遍存在于核放射環(huán)境中,因此伽馬輻射是核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人輻射防護(hù)主要需要考慮的對(duì)象。根據(jù)輻射損傷機(jī)理,可以將輻射效應(yīng)分為單粒子事件、電離總劑量、位移損傷等[24]。

對(duì)于單粒子事件,高能粒子射入電路板后,會(huì)在徑跡附近發(fā)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)電離,產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體,使寄生器件狀態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致各類損傷。

對(duì)于電離總劑量,高能粒子射入場(chǎng)效應(yīng)管或雙極性器件時(shí),使二氧化硅電離產(chǎn)生大量電子空穴對(duì);有外加電場(chǎng)時(shí),電子和空穴沿電場(chǎng)方向相向運(yùn)動(dòng),空穴的累積形成柵氧空穴捕獲和界面捕獲,柵氧空穴捕獲和界面捕獲產(chǎn)生的額外電場(chǎng)導(dǎo)致元器件異常。

對(duì)于位移損傷,高能粒子射入元器件及材料時(shí),與原子核產(chǎn)生庫(kù)侖彈性碰撞,使晶格原子離開(kāi)正常位置,造成器件功能部位的晶格缺陷,導(dǎo)致器件性能參數(shù)退化,缺陷逐步累積,直至器件喪失功能。

應(yīng)從耐輻射材料的選擇、各電氣部件的耐輻射策略展開(kāi)核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人耐輻射研究。將組成核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的所有材料或器件分為金屬及其合金、光學(xué)材料、有機(jī)材料、電子學(xué)器件[25]。金屬結(jié)構(gòu)的耐輻射性能較好,特別是鐵、鎳、鉛、鎢等元素,對(duì)伽馬射線和快中子都具有較好的減弱作用。其中,含硼奧氏體不銹鋼對(duì)中子和伽馬射線的綜合屏蔽性能較好,同時(shí)具備高強(qiáng)度和良好的韌性,可以作為結(jié)構(gòu)材料使用[26]。光學(xué)材料的輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)為透光率降低,在光學(xué)材料中摻雜某些元素或在鏡頭外包裹屏蔽材料,能提高耐輻射性能[27]。對(duì)于輪胎、絕緣材料、密封劑、潤(rùn)滑劑、粘合劑等有機(jī)材料,輻射易造成力學(xué)性能和絕緣性能降低[28]。通過(guò)改進(jìn)材料組分,可以提高有機(jī)材料的耐輻射性能。對(duì)于塑料、橡膠、樹(shù)脂、油漆、涂料等耐輻射性能較差的材料[29],應(yīng)盡量替換為耐輻射性能較好的材料。電子學(xué)器件涉及無(wú)源器件、半導(dǎo)體元件、成品配件和集成電路。通過(guò)材料和工藝的改進(jìn),可以提高無(wú)源器件和半導(dǎo)體元件的耐輻射性能,當(dāng)然,需要在使用前進(jìn)行輻照試驗(yàn)篩選。攝像機(jī)中一般選用電荷耦合器件相機(jī),并通過(guò)改進(jìn)傳感器生產(chǎn)工藝,采用抗輻射加固材料提高耐輻射性能。選用電機(jī)時(shí),應(yīng)首選電容啟動(dòng)的單相交流電機(jī)、帶永久密封軸承的電機(jī)、低壓電機(jī)或高溫絕緣電機(jī),避免使用內(nèi)置電子電路的直流電機(jī)。核環(huán)境中使用超聲傳感器和無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器,可靠性較高。電磁傳感器可將電子電路布置在遠(yuǎn)端,提高耐輻射性能[30]。標(biāo)準(zhǔn)的光電編碼器耐輻射性能較差[31]。

集成電路的耐輻射性能都相對(duì)較弱,因此針對(duì)集成電路的耐輻射設(shè)計(jì)是核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人耐輻射技術(shù)的關(guān)鍵,目前主要有兩種方法:采用抗輻射加固的材料或器件,硬件或軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)?？馆椛浼庸滩捎霉杓夹g(shù)、硅單晶膜、砷化鎵、金剛石和鐵電材料等加固器件,提高大規(guī)模集成電路在強(qiáng)輻射條件下的可靠性,僅有少數(shù)制造商能夠生產(chǎn),造價(jià)昂貴,品種和型號(hào)較少[32]。硬件或軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有分離、屏蔽、冗余、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制軟件設(shè)計(jì)。分離指將機(jī)械部分與電子學(xué)部分相分離,但工作距離受限,不適合用于機(jī)電一體化機(jī)器人。屏蔽指采用輻射屏蔽材料對(duì)元器件進(jìn)行整體防護(hù),屏蔽材料可減緩一次粒子的能量產(chǎn)生,并吸收次級(jí)輻射,從而使被屏蔽的元器件不受或少受輻射損傷,但會(huì)增大核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人自重,影響其靈活性。為減小屏蔽材料的厚度,經(jīng)常在器件表面的管殼上進(jìn)行局部屏蔽。冗余設(shè)計(jì)主要指利用半導(dǎo)體器件,尤其是集成電路芯片在斷電時(shí)能承受更大輻射量這一現(xiàn)象,重復(fù)配置關(guān)鍵元器件,提高系統(tǒng)的可靠性。電路優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)電路失效模式進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)輻射損傷的薄弱環(huán)節(jié),通過(guò)容差設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等方法提高電路的耐輻射性能。中國(guó)工程物理研究院采用降額使用、冗余設(shè)計(jì)方法提高了三端穩(wěn)壓器電源電路的抗中子注量水平,降低了因器件輻射性能分散而引起的加固失效風(fēng)險(xiǎn)[33]。中國(guó)輻射防護(hù)研究院選用耐輻射的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片,通過(guò)降額與容差設(shè)計(jì),提高了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)電路的耐輻射性能[34]。該院研制的核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人選用耐輻射性能較強(qiáng)的電子元器件,通過(guò)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)將電路體積減至最小,并選擇鎢作為屏蔽材料,可以在100 Gy/h的強(qiáng)輻射環(huán)境中工作[35]?？刂栖浖O(shè)計(jì)中采用容錯(cuò)控制方法,可以提高核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的耐輻射性能。丑武勝等[36]設(shè)計(jì)了雙機(jī)冗余容錯(cuò)控制系統(tǒng),根據(jù)不同層面的情況采用多種檢測(cè)方法判斷故障的具體位置,并針對(duì)各種故障采用相應(yīng)的處理方法,提高了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的可靠性。

4.2 可靠通信技術(shù)

核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人工作于人不能到達(dá)的放射性環(huán)境,一般采用遙操作控制,因此必須保證核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制終端的可靠通信。在核輻射環(huán)境中,光纖通信條件差,通信數(shù)據(jù)可靠性低、錯(cuò)誤率高。受混凝土墻體的屏蔽作用,通信帶寬低,信號(hào)強(qiáng)度弱。通信環(huán)節(jié)中存在時(shí)間延遲。以上因素均會(huì)對(duì)遙操作閉合回路的穩(wěn)定性和透明性產(chǎn)生不利影響[37]。

高能輻射易引起光纖中電子或原子核移位,使光纖發(fā)生物理或化學(xué)變化,信號(hào)的傳輸能力降低[38]。在光纖中摻雜適量的氟、氮等元素,可以提高耐輻射性能,但摻雜元素的種類和濃度會(huì)影響光纖的光學(xué)性能。針對(duì)數(shù)據(jù)通信可能存在的錯(cuò)誤,將里德-所羅門碼應(yīng)用于核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人遙操作系統(tǒng),可以提高數(shù)據(jù)通信的可靠性[39]。

在熱室內(nèi)工作的核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人與控制器之間存在厚度為1.5～2 m的混凝土墻體,混凝土墻體對(duì)無(wú)線通信信號(hào)有極強(qiáng)的屏蔽,有線通信則易引起通信線纜纏繞,影響核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的行進(jìn)和工作。針對(duì)這一問(wèn)題,主要采用三方面措施:通信線纜防纏繞設(shè)計(jì),發(fā)展高頻無(wú)線通信,在核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與遠(yuǎn)程終端間增加通信中繼。參與福島核事故救援的背包機(jī)器人采用無(wú)線與有線通信相結(jié)合的方式,無(wú)線通信距離為800 m,同時(shí)配備200 m長(zhǎng)通信線纜,在無(wú)線通信不可用時(shí)使用有線通信。線纜卷軸器能夠根據(jù)背包機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)收放線纜,盡可能減少線纜纏繞。背包機(jī)器人可根據(jù)需要配備2.4 GHz或4.9 GHz頻段全向天線,增強(qiáng)信號(hào)的穿透能力。同樣參與救援的Quince2號(hào)機(jī)器人采用光纖通信加中繼器模式,如圖7所示。其中,一臺(tái)機(jī)器人作為中繼器,中繼器與基站之間采用無(wú)線通信,與另一臺(tái)機(jī)器人之間采用光纖通信,擴(kuò)大了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍,提高了通信可靠性。

▲圖7 Quince2號(hào)機(jī)器人通信

目前,針對(duì)時(shí)延問(wèn)題的遙操作方法主要有力反饋雙邊控制、圖形預(yù)測(cè)控制和監(jiān)督控制。力反饋雙邊控制使操作者和遠(yuǎn)端通過(guò)力與速度的反饋相互作用,不需要對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境進(jìn)行建模。鄧啟文等[40]通過(guò)控制算法提高了力反饋雙邊控制的穩(wěn)定性和透明性,從而減小通信時(shí)延造成的影響。王?；萚41]將從操作臂的距離信息轉(zhuǎn)換為主操作臂施加給操作者的力,從而降低因時(shí)延造成從操作臂與環(huán)境發(fā)生碰撞的可能性。李焱等[42]基于監(jiān)控思想和遙編程概念,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的大時(shí)延遙操作。

4.3 高效去污技術(shù)

核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的去污能力是性能的重要指標(biāo)。目前,核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人常用的去污方法見(jiàn)表1。其中,真空抽吸和濕布擦拭僅適合去除表面松散污染物,激光和高壓水沖洗比較適合平面或管道內(nèi)部的去污。目前,去污裝置的應(yīng)用對(duì)象和范圍仍然有限,難以去除復(fù)雜形狀表面的弱固定性和強(qiáng)固定性污染物[43]。

表1 核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人去污方法

5 核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

去污技術(shù)的發(fā)展、集成電路的耐輻射性能及機(jī)器人智能化程度的提高推動(dòng)了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。然而,由于放射性環(huán)境惡劣、污染物種類多、去污過(guò)程復(fù)雜,核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。為了能夠在各種核環(huán)境中完成去污工作,核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人將向三方面發(fā)展。

(1) 集成電路耐輻射加固技術(shù)。集成電路是組件中耐輻射性能最差的部分,采用硬件或軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度,降低了系統(tǒng)的性能,并且不能從根本上提高系統(tǒng)的耐輻射性能。對(duì)半導(dǎo)體材料耐輻射性能進(jìn)行提高是提高集成電路耐輻射性能的根本方法,其主要研究?jī)?nèi)容包括:從微觀層面對(duì)半導(dǎo)體材料的輻射損傷機(jī)理進(jìn)行研究,對(duì)影響材料耐輻射性能的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),研制出耐輻射能力強(qiáng)的半導(dǎo)體材料,對(duì)材料的制造工藝進(jìn)行改進(jìn)等。

(2) 可靠性技術(shù)。核環(huán)境具有高放射性及封閉性,使工作于其中的核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人較易發(fā)生安全事故。因此,提高核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的可靠性是保證正常工作的前提?？蓮囊韵聨追矫嫣岣吆谁h(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的可靠性:優(yōu)化作業(yè)流程,以盡量減少工作時(shí)間;根據(jù)耐輻射性能規(guī)定在輻射環(huán)境中工作的最長(zhǎng)時(shí)間;控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,關(guān)鍵系統(tǒng)采取冗余備份;考慮突發(fā)事故的應(yīng)對(duì)策略;保證在較強(qiáng)屏蔽環(huán)境中的可靠通信,減少通信延時(shí)。

(3) 去污高效技術(shù)。目前,核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人對(duì)去污環(huán)境的適應(yīng)性較差,適合采用的去污方法有限。因此,進(jìn)一步提高核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的靈活性和智能化程度,并根據(jù)核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的作業(yè)能力和去污環(huán)境研制出合適的去污裝置,是提高核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人去污能力的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)利用機(jī)器人對(duì)核環(huán)境中放射性污染物進(jìn)行去污的需求,開(kāi)展了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)調(diào)研。根據(jù)放射性污染物的種類,介紹了常用的去污方法及現(xiàn)有幾種核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人的去污原理與應(yīng)用范圍。分析了核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。核環(huán)境去污作業(yè)機(jī)器人在核環(huán)境中的耐輻射性能、可靠性及高效的去污能力,仍然是研究的關(guān)鍵技術(shù),并且是性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。