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机器人机构设计研究及越障能力分析

一 战论

1.1 研究意义

随着世界人口的快速增长以及各国工业的迅猛发展，传统能源的消耗将会加快，核能、风能、太阳能等可再生能源越来越受到重视。但由于其它能源的局限性，核能成为目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源。在一些国家，核能成为主要的电力能源。世界目前有30多个国家拥有核电站，这420多座核电站提供了全球总电力的17%，在法国，核电甚至占到70%以上。开发和利用核能不仅可以节省煤炭、原油等不可再生资源，还能改善人类生存环境。随着大型核电站、加速器和后处理厂大型热室的发展，面对成百上千个复杂的子系统和有关安全设备，需要上百个训练有素的工作人员来维修这些设备，以保证工厂安全有效工作。但核电设施的维护作业大多是在放射线环境下进行的，工作人员若直接进入对设备进行维修、检查等操作，无疑会因放射剂量过高而造成人员伤亡事故。而且环境复杂，场地狭窄，有些地方还有阶梯，地面上管道纵横交错。虽然可以停止核设备的运行工况或急剧降低运行功率，创造人能安全进行工作的条件，但是这将造成一定的经挤损失。

远距离操作技术是核工业不可缺少的工具，是核工业的生命线。采用现代的先进遥控操作和机器人技术就能够解决上述难题，克服安全与经济的矛盾，并可显著提高核工业设备的经济和社会效益。据资料显示，一座反应堆使用机器人进行检查与维修后，其寿命可以提高到四十年左右。美国公用事业电力与煤气公司于80年代中期开始实施PSE&G机器人计划，在电力公司的三个核电站（Salem-1、Salem-2和Hope creek）中取得了进展。在1986年4月到1991年12月第一个核机器人五年计划期间，PSE&G耗费了160万美元，但节省了530万美元，投入效益比可达1:3，其中减少电站停堆时间是节省的主要原因之一。最近几年由于各国需要处理的放射性废物与需要拆卸和去污的废弃核装置与日俱增，加上日益增长的人工费用和核辐射低剂量限值等问题，研制一些功能更强、技术更先进、真正能实现远距离控制的核环境机器人，成为当今世界的热门课题。

此外，“3.11”日本9级大地震引发了福岛核电站危机，但是机器人技术最为先进的日本却没有合适的机器人可以用于福岛核电站的救援，笼罩在核泄露威胁下的民众迫切要求核电站具有高效的事故预防和解决措施，这起核事故给全世界核电站敲响了警钟。采用机器人进行核事故预防、控制和救援已成为社会的共识，目前我国核电站越来越多，发展核环境救援机器人迫在眉睫。

1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状

据资料文献记载，美国、日本、法国等发达国家早在上个世纪四十年代就开始研发并研制成功了某些可以应用在核环境下的机器人，并在当地的核电站进行了验证，取得了一定的成果，其中具有代表性的机器人有：在美国，四十年代末阿贡实验室研制了第一台用于核工业的机械手，取名M1，后期研制出核环境机器人Odex系列机器人；在日本，1977年早稻田大学研制出了世界上第一台双足行走机器人；在欧洲，法国核机器人技术处于领先地位，研制出了用于核反应堆检查的机器人。

最近20年，由于核电站的迅速发展，各国政府对核电站日常维护和事故处理及其重要的核机器人的发展也越来越受到重视，纷纷制订了研究开发核工业机器人的计划，提供财政支持，呈现了一派繁荣景象。如由美国能源部（DOE）组织佛罗里达、密歇根、田纳西和德克萨斯四所大学以及橡树岭国家实验室（ORNL）联合制订的美国先进反应堆用机器人发展计划（ARS），这个计划的目的是开发机器人进行危险作业，减少工人在辐射环境下作业或停留的时间，以便高效经济地监督、维修和修复核装置或其他设备。另外，日本和法国也有各自的核工业机器人发展计划。

经过几十年的技术发展和积淀，这些国家又研制出了一些功能更强，技术更先进的核环境机器人，这些机器人真正实现了远距离控制，如美国Remotec公司用于核环境检测的机器人SURBOT，德国的EMSM系列，意大利Ario Romiti,Terenziano Raparelli等人研制成功的应用于危险核环境下的多功能机器人SECURITAS，法国SRA-SAVAC公司研制的可对核屏蔽热室进行放射性检测的RICA2核电站机器人等。这些机器人可以通过电脑遥控，具有很好的越障性能，不仅能行走转弯，还可以翻越40cm高的障碍物。它们主要应用于处理放射性物质泄漏事故和更换失灵的系统零部件等。

另外，值得一提的是，日本在福岛核危机中使用了一款高辐射区域人员无法工作的专用Monirobo机器人（Monitoring Robot）（图1-1）。Monirobo是由日本核安全技术中心在日本东海村核燃料加工厂核辐射事故发生后而研制的，体积为800×1500×1500mm，约1300磅重，属于针对地震灾害救援的复杂性设计迷你型机器人。Monirobo靠两条履带驱动行走，每分钟可走40米，时速最高可达2.4千米。另外，它还配有一支机械手用于移动障碍物和收集样本。

Monirobo共分为两种型号：红色Monirobo A和黄色Monirobo B。红色那台配备辐射探测、3D摄像机、温度湿度传感等。黄色那台则用于收集粉尘样品和检测可燃气体。两台机器人的外表都拥有辐射遮蔽层，用于辐射环境下工作，其内部电子电路不会受到干扰和破坏。当然两台机器人也少不了人类对其进行操控，最远操作距离可达1.1公里。

图1-1 Monirobo机器人

1.2.2 国内研究现状

国外在较早时期就积极开展防核机器人的研究工作，而我国在这方面研究开展较晚。为了赶超国外先进技术和满足国内核机器人的需求，在国家高技术研究发展计划（863计划）中列入了恶劣环境智能机器人的研究项目，并将移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人作为开发目标。另外，山东鲁能集团公司也研制出一种名为JP-DZ-06的核电站设备巡检机器人（图1-2）。它通过底部电机驱动的轮子导航，并具有自主或遥控两种控制方式，可以代替人

对核电站高压设备进行实时巡检，协助发现变电 图1-2 核电站巡检机器人 站设备的故障隐患、内部热缺陷等异常现象。东南大学和相关部门合作，也于2011年初研制