SNC Lavalin (是一家位于蒙特利爾的加拿大公司)的核工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主管 Christian Pilon 探討了在核工業(yè)中將機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制和數(shù)字孿生技術(shù)集成的機(jī)會。

上圖：Spot 是一個四足機(jī)器人

在機(jī)器人技術(shù)和自動化領(lǐng)域有一句眾所周知的說法，如果一項任務(wù)“骯臟、乏味或危險”，那么它應(yīng)該是自動化的。有時會將“困難”和“親愛的”添加到列表中。核工業(yè)中有很多任務(wù)屬于這五類之一，但機(jī)器人的使用仍然相對較少。

核設(shè)施是機(jī)器人面臨的最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境之一，具有高輻射水平、有限的訪問權(quán)限和缺乏自動化基礎(chǔ)設(shè)施。所有這些操作風(fēng)險正是應(yīng)該使用機(jī)器人的原因——以盡量減少對人類的風(fēng)險。然而，在核設(shè)施上使用的技術(shù)必須處于高度的準(zhǔn)備和穩(wěn)健水平，而這一要求通常會阻止采用新興技術(shù)的實驗。

我們?nèi)绾慰朔@些障礙，釋放機(jī)器人在核領(lǐng)??域的潛力?

從其他領(lǐng)域汲取靈感

在汽車、電子和包裝等其他行業(yè)，機(jī)器人并不是新興技術(shù)。機(jī)器人通常擅長在結(jié)構(gòu)良好的環(huán)境中執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如汽車工廠的生產(chǎn)線。當(dāng)環(huán)境可預(yù)測時，對于諸如物料搬運或機(jī)器照料等任務(wù)，機(jī)器人需要有限的智能來完成其工作，而當(dāng)產(chǎn)量很高時，自動化和機(jī)器人技術(shù)通常具有良好的商業(yè)案例。

隨著其他行業(yè)生產(chǎn)成本的增加和機(jī)器人價格的下降，其他行業(yè)也開始尋求機(jī)器人來解決他們的挑戰(zhàn)。航空航天就是一個很好的例子。與汽車行業(yè)相比，產(chǎn)量相對較低，制造過程的復(fù)雜性較高，但仍有大量應(yīng)用需要自動化。這可能是出于安全考慮(避免重復(fù)操作);質(zhì)量(有時手動過程無法滿足精度和公差要求)或成本效率。農(nóng)業(yè)是機(jī)器人進(jìn)入的另一個具有挑戰(zhàn)性、結(jié)構(gòu)較少的環(huán)境的例子。十年前，采摘水果不會被認(rèn)為是一種可實現(xiàn)的應(yīng)用。

核工業(yè)對機(jī)器人實施的挑戰(zhàn)可能是獨一無二的，但解決方案和技術(shù)不一定如此，這就是為什么考慮其他行業(yè)如何擁抱機(jī)器人技術(shù)是有意義的。

支持在核領(lǐng)域部署機(jī)器人

為了讓機(jī)器人在具有挑戰(zhàn)性的條件下運行，他們的技術(shù)提高了感知能力和與環(huán)境交互的能力。雖然機(jī)器人技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法一直是改變流程以簡化自動化——使環(huán)境適應(yīng)機(jī)器??人——但這在核工業(yè)中并不總是可行的。擁有能夠適應(yīng)世界的機(jī)器人變得越來越重要，而不是相反。

機(jī)器人如何感知環(huán)境的一個常見例子是使用相機(jī)和機(jī)器視覺。近年來，將機(jī)器學(xué)習(xí)與更大處理能力相結(jié)合的相機(jī)和算法成本降低，產(chǎn)生了可能有利于核能的新功能。在電子商務(wù)履行中心，一些機(jī)器人現(xiàn)在使用低成本的 3D 視覺傳感器和人工智能來準(zhǔn)備消費品訂單。如果該技術(shù)能夠適應(yīng)這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，這種識別和選擇不同形狀和外觀物體的能力可以應(yīng)用于核廢料分離。

在力控制方面也取得了進(jìn)展，為機(jī)器人提供了觸覺。機(jī)械創(chuàng)新也可以提供幫助，例如自適應(yīng)機(jī)器人抓手，它可以抓取形狀和大小不同的物體，而無需依賴復(fù)雜的傳感器和軟件。

人機(jī)協(xié)作的進(jìn)步將促進(jìn)未來機(jī)器人的部署，特別是當(dāng)我們使用機(jī)器人技術(shù)來降低風(fēng)險和提高勞動力安全時。

例如，協(xié)作機(jī)器人是一種旨在安全部署在人周圍的機(jī)器人，具有碰撞檢測和力限制等功能。在部署任何機(jī)器人之前，始終需要進(jìn)行完整的安全風(fēng)險評估，但在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些機(jī)器人可以在沒有安全圍欄的情況下與操作員一起工作。在核設(shè)施上，這可以轉(zhuǎn)化為機(jī)器人進(jìn)行檢查和測量，而不會干擾現(xiàn)場人員進(jìn)行正常操作。

與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人通常會犧牲速度和有效載荷，但可能具有支持直觀操作和編程的功能。安全設(shè)備也可以與機(jī)器人配對，以使人與機(jī)器人之間的協(xié)作或合作更容易。例如，可以對安全掃描儀進(jìn)行編程，以在有人進(jìn)入警告區(qū)時限制機(jī)器人的速度，并在有人進(jìn)入危險區(qū)時停止機(jī)器人。

將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用是了解機(jī)器人如何以不同方式提高安全性和生產(chǎn)力的有用方法。

以下是我們的機(jī)器人團(tuán)隊如何探索多種應(yīng)用的示例：

機(jī)器人數(shù)據(jù)采集

從性能監(jiān)測到預(yù)測性維護(hù)和數(shù)字雙胞胎的開發(fā)，數(shù)據(jù)收集對于核電站的安全運行和通知應(yīng)用程序都越來越重要。這些數(shù)據(jù)包括放射測量、圖像采集和 3D 掃描，這些都是機(jī)器人可以代替人類完成的任務(wù)。

這樣做有兩個主要好處。首先，它降低了風(fēng)險，因為它避免了將人員送入危險區(qū)域。如果需要在非特征化的環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，那么首先派機(jī)器人來評估風(fēng)險并適當(dāng)?shù)赜媱澾M(jìn)一步的活動要安全得多。其次，即使在具有特征的環(huán)境中，仍需進(jìn)行常規(guī)調(diào)查。

在這種情況下，機(jī)器人可以幫助在預(yù)先編程的時間和地點獲取數(shù)據(jù)，因此人們可以專注于如何處理數(shù)據(jù)，從而提高生產(chǎn)力和安全性。

波士頓動力公司的 Spot 就是一個很好的例子。Spot 是一款四足機(jī)器人，可用作部署儀器的平臺，如相機(jī)、3D 掃描儀和伽馬監(jiān)視器。它可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中導(dǎo)航、越過障礙物以及上下樓梯，它配備了一個手臂來打開門并拾取或拖動物體，從而能夠跨不同站點和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集。

遠(yuǎn)程操作：增強(qiáng)

對于無法實現(xiàn)完全自動化的情況，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人可能是最佳解決方案。機(jī)器人可以增強(qiáng)人的能力，因此可以安全、更有效地完成工作。

在英國，我們正在通過開發(fā)遙控機(jī)器人系統(tǒng)將手從手套箱操作中解放出來。機(jī)械臂可以通過手套箱的現(xiàn)有端口(端口的最小內(nèi)徑為 150 毫米)展開，使人們遠(yuǎn)離傷害。對于此應(yīng)用，Kinova Gen3 協(xié)作臂配備了夾具、角磨機(jī)、螺絲刀和等離子切割機(jī)等工具，可有效執(zhí)行手套箱任務(wù)，并可進(jìn)行編程以避免干擾手套箱及其內(nèi)容。

選擇和安裝機(jī)器人只是解決問題的一小部分。遠(yuǎn)程操作機(jī)器人需要結(jié)合直觀的用戶界面、復(fù)雜的機(jī)器人控制、低延遲通信和傳感器，以便為操作員提供所有必需的信息，例如攝像頭、掃描儀和觸覺反饋。在這種情況下，可以利用工具和技術(shù)，例如用于可視化和用戶界面的游戲引擎、我們軟件后端中的機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS)、捕捉機(jī)器人環(huán)境的 3D 攝像頭和虛擬現(xiàn)實 (VR) 來開發(fā)身臨其境和直觀的用戶體驗。

開發(fā)這些類型的解決方案創(chuàng)建了一種可復(fù)制的方法，可以適應(yīng)其他應(yīng)用程序。這里的重點是調(diào)整現(xiàn)有的機(jī)器人和成熟的技術(shù)，以比為該行業(yè)研發(fā)新的機(jī)器人技術(shù)更快、更有效地創(chuàng)建新的、特定于核的功能。

工業(yè)運營：自動化

還有一些應(yīng)用，我們可以采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人并圍繞它們設(shè)計自動化流程，例如處理受 α 污染的手套箱或管理退役廢物。在后者中，我們可以根據(jù)其放射性水平對廢物進(jìn)行分類，以優(yōu)化存儲并節(jié)省成本，使用具有復(fù)雜視覺系統(tǒng)和軟件的工業(yè)機(jī)器人并將其與標(biāo)準(zhǔn)表征儀器配對。

為了真正實現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)的潛力并創(chuàng)建強(qiáng)大的解決方案，我們必須避免重新發(fā)明引擎和孤立地工作。我們需要最大限度地從其他行業(yè)開發(fā)的技術(shù)中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，并對其進(jìn)行調(diào)整以解決來自于核領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

核工業(yè)是實施機(jī)器人的具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，但它具有很高的潛在機(jī)會和回報。釋放這些好處可以真正改變我們的行業(yè)。