拉開核電機(jī)器人時(shí)代的序幕

劉江

機(jī)器人被稱為“未來制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。我國(guó)從20世紀(jì)70年代就開始發(fā)展機(jī)器人，經(jīng)過40多年的發(fā)展，目前已完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，各類機(jī)器人制造企業(yè)也同時(shí)脫穎而出，成為智能工業(yè)化產(chǎn)業(yè)中的一枝新秀。

智能機(jī)器人從應(yīng)用環(huán)境來劃分，一般分為兩大類——工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。馮常的研究屬于后者。作為“中國(guó)核用特種機(jī)器人先行者”的他積極參與著這場(chǎng)機(jī)器人時(shí)代的發(fā)展歷程。他主持發(fā)明的“反應(yīng)堆水下異物打撈機(jī)器人”成為國(guó)內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用于核電站核島內(nèi)的特種機(jī)器人裝備，被《科技導(dǎo)報(bào)》評(píng)選為2006年國(guó)內(nèi)重大科技進(jìn)步之一；近年來自主研發(fā)的“高耐輻射攝像系統(tǒng)”關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)也達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，耐輻射劑量率達(dá)到1×106rad/h，耐輻射總劑量達(dá)到1×108rads，也是目前國(guó)內(nèi)唯一能夠達(dá)到此項(xiàng)指標(biāo)的高耐輻射攝像系統(tǒng)。

一心專注“中國(guó)制造”

根據(jù)國(guó)家能源發(fā)展特別是核電大發(fā)展的戰(zhàn)略需要，到2020年核電裝機(jī)容量占有率將由現(xiàn)在的2%增長(zhǎng)到5%，相當(dāng)于從現(xiàn)在到2020年平均每年增加3～4座商業(yè)核反應(yīng)堆。因此，我國(guó)的核電建設(shè)還有很大的發(fā)展空間。

建得多，還要行得穩(wěn)。馮常介紹說，核電站的平均設(shè)計(jì)壽命一般在40年，其運(yùn)行必須借助相關(guān)輔助產(chǎn)業(yè)的支持，特別是對(duì)核環(huán)境的監(jiān)視檢測(cè)、設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)行的診斷預(yù)測(cè)是確保核運(yùn)行安全必不可少的環(huán)節(jié)。如此一來，與之相配套的核用檢測(cè)設(shè)備，特別是高耐輻射視頻傳感器將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

然而，作為核電站必備的高耐輻射視頻傳感系統(tǒng)，產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。為打破國(guó)外壟斷馮常深感壓力和責(zé)任重大，因此他下定決心一定要解決其中的技術(shù)難題，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高耐輻射攝像系統(tǒng)。

從零開始，絕非易事。馮常帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)兩年的潛心研究、刻苦鉆研，終于在關(guān)鍵技術(shù)上做出了重大突破，研制出低耐輻射、中耐輻射、高耐輻射、耐輻射高分辨率、耐輻射高幀頻等一系列耐輻射攝像系統(tǒng)，他們具有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是通通印有“中國(guó)造”的標(biāo)簽。

高耐輻射攝像系統(tǒng)一經(jīng)問世，就帶著自主創(chuàng)新特色血統(tǒng)亮相于核行業(yè)。據(jù)馮常介紹，系統(tǒng)采用耐輻射的光導(dǎo)管、水下動(dòng)態(tài)密封、行場(chǎng)掃描和聚焦線圈等作為傳感器頭部；掃描線圈控制、圖像處理及驅(qū)動(dòng)處理電路等作為后端控制系統(tǒng)，并通過30m特制電纜對(duì)傳感器頭部進(jìn)行控制及圖像傳輸，由此達(dá)到系統(tǒng)具有耐高輻射的特性，繼而可以進(jìn)入高輻射區(qū)工作。視頻傳感器頭部還可增加具有較強(qiáng)耐輻射能力的多個(gè)微型電機(jī)，對(duì)攝像鏡頭進(jìn)行對(duì)焦、變倍、光圈控制及定向照明。

另外，水下高清耐輻射攝像系統(tǒng)采用了獨(dú)特輻射屏蔽技術(shù)，可在水平方向360度旋轉(zhuǎn)無盲區(qū)，即便在水下100米工作也依然穩(wěn)定可靠。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可在500Gy/h的環(huán)境劑量率條件下穩(wěn)定工作100小時(shí)。系統(tǒng)也采用了高性能高分辨率圖像穩(wěn)定傳感器，可輸出200萬像素1080P高清視頻，在精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，任何速度下都能捕捉到無抖動(dòng)的畫面圖像。其應(yīng)用在核電站燃料組件相關(guān)操作系統(tǒng)設(shè)備中，可大大提高核燃料操作的安全性，確保燃料組件入堆后能長(zhǎng)期安全運(yùn)行；在核電站大修堆芯換料過程中，該系統(tǒng)能夠全方位監(jiān)控水下燃料組件操作，以確保燃料正確就位；并可實(shí)現(xiàn)對(duì)核燃料組件進(jìn)行專項(xiàng)水下高清外觀檢查和測(cè)量，了解燃料組件的運(yùn)行狀況。此外，它還可對(duì)核電站乏燃料水池及堆芯燃料組件進(jìn)行最終安全檢查，確保燃料組件正確裝載。

據(jù)悉，核級(jí)水下高分辨率耐輻射攝像系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大核電基地。已完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，每年為國(guó)家節(jié)約外匯達(dá)數(shù)千萬元。就這樣，馮常帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)被國(guó)內(nèi)同行譽(yù)為“核用耐輻射視頻成像技術(shù)第一團(tuán)隊(duì)”。

潛心研制只為“水下機(jī)器人”

不需要呼吸氧氣，也不需要休息，就能同步實(shí)時(shí)傳回水底信息……這都是水下機(jī)器人的神奇之處。近年來，在水下搜救、海底勘探、水面應(yīng)急處理等方面，水下機(jī)器人正在發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著中國(guó)核電大發(fā)展的趨勢(shì)，核電站對(duì)水下特種機(jī)器人的使用需求也在不斷提高，借鑒國(guó)際上先進(jìn)核電站的寶貴經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)核電站迫切需要一種水下爬行與潛浮雙功能機(jī)器人為核電站服役。

2000年開始，馮常主持中科院西部之光項(xiàng)目“水下雙功能機(jī)器人的機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析”，并入選中科院西部之光人才培養(yǎng)計(jì)劃，獲得“西部學(xué)者”稱號(hào)。

在前期大量實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，馮常提出了一種水下爬行與潛浮機(jī)器人通用的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，通過正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、機(jī)械手工作空間的求解與仿真以及基于SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真模塊的仿真與計(jì)算，驗(yàn)證了該機(jī)械手設(shè)計(jì)方案滿足要求以及搭載在爬行式和潛浮式機(jī)器人上作業(yè)的要求；并和他的團(tuán)隊(duì)迅速建立了深度水下運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以得到水下特殊工況運(yùn)動(dòng)學(xué)特征方程，解出機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解，以及工作空間仿真系統(tǒng)。這些研究都為之后的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析、實(shí)時(shí)控制和軌跡規(guī)劃提供了重要的理論基礎(chǔ)。

通過綜合分析國(guó)內(nèi)外智能水下檢查機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于這種多任務(wù)的機(jī)器人，采用傳統(tǒng)的集中控制方法很難實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各功能模塊協(xié)作、重構(gòu)等多種形式的運(yùn)動(dòng)。他們進(jìn)而提出采用分層混合式控制結(jié)構(gòu)和CAN總線技術(shù)，將導(dǎo)航規(guī)劃控制、仿人智能控制、成像控制、運(yùn)動(dòng)控制以及多傳感器等功能封裝成獨(dú)立模塊，由不同的控制器實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

分身有術(shù)悉心人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)

馮常不但潛心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，而且非常重視科研團(tuán)隊(duì)及科技人才培養(yǎng)。近年來在他的積極主導(dǎo)下，先后組建了特種機(jī)器人技術(shù)、特種光電檢測(cè)技術(shù)、耐輻射視頻成像技術(shù)及水下機(jī)器視覺技術(shù)四個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。值得欣喜的是，團(tuán)隊(duì)在馮常的帶領(lǐng)下陸續(xù)開發(fā)出了數(shù)十個(gè)型號(hào)產(chǎn)品，基本覆蓋了國(guó)內(nèi)現(xiàn)役核電站、核設(shè)施基地、核廢料處理等領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)骨干也由原來的寥寥幾人，發(fā)展到如今30多人。

作為碩士生導(dǎo)師，馮常還承擔(dān)起繁重的研究生指導(dǎo)工作。盡管日常的科研工作異常繁忙，他仍每天抽出時(shí)間安排和學(xué)生共同討論技術(shù)問題，參與到課題組進(jìn)行指導(dǎo)共同試驗(yàn)，每次從研究生選題到其中關(guān)鍵問題的解決都傾注了他大量的心血。他的學(xué)生們都表示自己遇到了一位好導(dǎo)師，畢業(yè)多年后仍舊想念這個(gè)團(tuán)隊(duì)。

憶起往昔崢嶸歲月，馮常感概頗深。1996年，馮常畢業(yè)于重慶大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，2003年碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)。他勤奮刻苦，不畏艱難，在科研的道路上不斷攻艱克難，直到如今成長(zhǎng)為中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所微電子裝備總體研究室副主任。他先后參與了多個(gè)“863”“973”等國(guó)家重大科研任務(wù)及專項(xiàng)。近年來在國(guó)內(nèi)權(quán)威媒體上發(fā)表文章10余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng)，實(shí)用新型專利10余項(xiàng)。培養(yǎng)碩士研究生8名。

未來，馮常不會(huì)止步于此，“路漫漫而修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索，我將繼續(xù)在科研道路上遠(yuǎn)行”。近期，馮常計(jì)劃在原有技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)及現(xiàn)有平臺(tái)上，加大科研力量投入，爭(zhēng)取在核電救災(zāi)應(yīng)急機(jī)器人的模塊化、小型化技術(shù)研究上取得突破，同時(shí)在水下3D掃描及測(cè)量、伽馬射線成像等方面開展研究。工欲善其事，必先利其器，馮常長(zhǎng)期專注“器”之研究，必將在我國(guó)核工程光電檢測(cè)領(lǐng)域奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、書寫下濃墨重彩的一筆。