淺談核工業機器人及其自控與遙控切換技術

【摘 要】在人類社會的發展進程中，科學技術起著重要地位，在科技發展的帶動下，機器人技術也在不斷的發展。日本福島核事故后，深入核電站內部操作機器人成為了公眾關注的焦點之一。本文將對我國核工業中遙控技術與機器人技術進行闡述。

【關鍵詞】核工業；遙控技術；機器人技術

在人類社會的發展進程中，科學技術起著重要地位，在科技發展的帶動下，機器人技術也在不斷的發展。日本福島核事故后，深入核電站內部操作機器人成為了公眾關注的焦點。本文將對我國核工業中遙控技術與機器人技術進行闡述。

1.機器人應用和發展前景綜述

日本福島核事故后，深入核電站內部操作機器人成為了公眾關注的焦點之一。核電機器人在福島第一核電站中拍攝到的圖像讓人們更切實地了解了電站內部的真實狀況，尤其是在福島核電站危險區域的監測及瓦礫的清除工作中，核電救災機器人更是發揮了重要作用。隨著世界核電的可持續發展，核電機器人的應用也將日益廣泛，并將向更加小型化、智能化、實用化方向發展。

我國的機器人研究開發工作始于20世紀70年代初，到現在已經歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態，發展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發展比較快。特別是在“七五”、“八五”、“九五”機器人技術國家攻關、“863”高技術發展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發展。在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發，具有多傳感器控制系統的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。在機器人的應用工程方面：目前國內已建立了多條弧焊機器人生產線，裝配機器人生產線，噴涂生產線和焊裝生產線。國內的機器人技術研發力量已經具備了大型機器人工程設計和實施的能力，整體性能已達到國際同類產品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。根據發達國家產業發展與升級的歷程和工業機器人產業化發展趨勢，到2015年中國機器人市場的容量約達十幾萬臺套。我國近幾年機器人自動化生產線已經不斷出現，并給用戶帶來顯著效益。

2.我國核工業機器人發展現狀

核工業用機器人是為滿足核工業特殊要求與使用環境所設計的工業機器人。核工業機器人最早于20世紀50年代開始使用，后逐漸發展成為遙控機器人。運用此項技術可以減少操作者在各種檢查和維護處理中所受的核輻射劑量，并可以提供監控能力，以節省替換發電設備，降低運營成本。適用于核工業的機器人主要有以下幾個特征：可移動性，方便穿越和繞過障礙物；具有各種攝像機和傳感器，有很好的偵察能力；可以快速到達操作地點，有很好的機動性；具有雙向控制器，可以快速將狀態反饋給操作者；具有很好的力反饋，能夠保護操作對象。隨著機器人技術的發展，自主機器人將逐漸代替人工操作。目前，核工業迫切需要機器人技術，但由于核工業場所的特殊性，大部分核工業機器人雖然采用雙模態工作方式既自主+搖操工作方式，但兩種控制方式是并行關系。機器人一旦進入此惡劣環境中很可能發生因接收不到控制信號，失去人工控制，然而此時機器人又不能自行的切換到自主控制模式。這時就會造成機器人由于失去控制，滯留于核輻射環境中難以回收的問題。

3.我國核工業機器人技術

3.1雙模態切換電路的研究

在核工業機器人具有雙模態工作的基礎上，采用CAN總線技術實現總線分布式結構，基于CPLD技術實現兩種模態可以切換的電路，并且根據信號的基本原理，設計一套通信信號強度檢測模塊，加載與其中，其工作原理是：即當信號強度降到一個閾值或中斷一定時間時，機器人自行切換到自主控制模式，并按照已經設定好的程序完成任務，從而可以保證機器人繼續完成任務或原路退回。

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產生瞬時干擾或永久性燒毀的因素，為保證該切換模塊在核輻射環境及現場可能出現的復雜環境下可以正常的工作，所以必須對本項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影響取決于芯片技術的實際結構。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，減少了可能的激發電流，從而消除了SEL。另外，在基片的工藝上應盡量選用013Lm以上器件，同時保證選擇的器件具有一定的輻射設計余量（RDM>2）。

（2）屏蔽加固。在選擇抗輻射器件出現困難時或者選擇抗輻射器件達不到應用要求時，設計者就只有求助于另一種解決方法）附加屏蔽和加固。這是抗輻射的一個傳統和自然的辦法，即采用抗輻射材料加固器件和在外殼和架構上的鋁板外涂覆抗輻射材料加強對輻射的屏蔽。

（3）抗閂鎖電路。CMOS結構的集成器件有眾多優點，但它并非完美無缺。主要是CMOS結構會形成電路的閂鎖（又稱閉鎖、自鎖、閘流效應），這是CMOS集成器件與生俱來的寄生效應，它會嚴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法工作或燒毀。由于CMOS集成器件的SEL主要表現為內部的低阻態產生的大電流，只要限制其電流大小，就可避免將CMOS集成器件燒毀。抗SEL措施包括：限流、基于電流檢測的電源管理、周期性切機、設備自檢等。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載有差異，工作電流IDD的區別會很大，從幾-幾十毫安。為此，可針對每個CMOS集成器件的使用情況進行設計和調試確定。

4.結束語

未來的核電站機器人首先必須具有良好的抗輻射能力；其次，要能夠到達多個位置，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動能力；第三，機器人需要攜帶相應的敏感器，對核電站內部環境、相關設施等進行探測，即機器人具有充分的智能感知能力；最后，機器人既要具有自主運行的能力，也要支持遙操作，使得操作員可隨時干預、控制機器人的運動，并能臨機處理突發事件。由于核輻射環境的特殊性和復雜性，要替代完成人類所不可能完成的任務，核電機器人的研發還需要攻克許多技術難點。核電機器人的研制也將面臨更多的挑戰。

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