如何释放机器人在核领域的潜力?

2022-05-06 14:37    核工业机器人  核废料  放射性废物

SNC Lavalin 的核工业机器人技术主管 Christian Pilon 探讨了在核工业中将机器人与远程控制和数字孪生技术集成的机会。


SNC Lavalin (是一家位于蒙特利尔的加拿大公司)的核工业机器人技术主管 Christian Pilon 探讨了在核工业中将机器人与远程控制和数字孪生技术集成的机会。

上图:Spot 是一个四足机器人

在机器人技术和自动化领域有一句众所周知的说法,如果一项任务“肮脏、乏味或危险”,那么它应该是自动化的。有时会将“困难”和“亲爱的”添加到列表中。核工业中有很多任务属于这五类之一,但机器人的使用仍然相对较少。

核设施是机器人面临的最具挑战性的环境之一,具有高辐射水平、有限的访问权限和缺乏自动化基础设施。所有这些操作风险正是应该使用机器人的原因——以尽量减少对人类的风险。然而,在核设施上使用的技术必须处于高度的准备和稳健水平,而这一要求通常会阻止采用新兴技术的实验。

我们如何克服这些障碍,释放机器人在核领​​域的潜力?

从其他领域汲取灵感

在汽车、电子和包装等其他行业,机器人并不是新兴技术。机器人通常擅长在结构良好的环境中执行重复性任务,例如汽车工厂的生产线。当环境可预测时,对于诸如物料搬运或机器照料等任务,机器人需要有限的智能来完成其工作,而当产量很高时,自动化和机器人技术通常具有良好的商业案例。

随着其他行业生产成本的增加和机器人价格的下降,其他行业也开始寻求机器人来解决他们的挑战。航空航天就是一个很好的例子。与汽车行业相比,产量相对较低,制造过程的复杂性较高,但仍有大量应用需要自动化。这可能是出于安全考虑(避免重复操作);质量(有时手动过程无法满足精度和公差要求)或成本效率。农业是机器人进入的另一个具有挑战性、结构较少的环境的例子。十年前,采摘水果不会被认为是一种可实现的应用。

核工业对机器人实施的挑战可能是独一无二的,但解决方案和技术不一定如此,这就是为什么考虑其他行业如何拥抱机器人技术是有意义的。

支持在核领域部署机器人

为了让机器人在具有挑战性的条件下运行,他们的技术提高了感知能力和与环境交互的能力。虽然机器人技术的标准方法一直是改变流程以简化自动化——使环境适应机器​​人——但这在核工业中并不总是可行的。拥有能够适应世界的机器人变得越来越重要,而不是相反。

机器人如何感知环境的一个常见例子是使用相机和机器视觉。近年来,将机器学习与更大处理能力相结合的相机和算法成本降低,产生了可能有利于核能的新功能。在电子商务履行中心,一些机器人现在使用低成本的 3D 视觉传感器和人工智能来准备消费品订单。如果该技术能够适应这种具有挑战性的环境,这种识别和选择不同形状和外观物体的能力可以应用于核废料分离。

在力控制方面也取得了进展,为机器人提供了触觉。机械创新也可以提供帮助,例如自适应机器人抓手,它可以抓取形状和大小不同的物体,而无需依赖复杂的传感器和软件。

人机协作的进步将促进未来机器人的部署,特别是当我们使用机器人技术来降低风险和提高劳动力安全时。

例如,协作机器人是一种旨在安全部署在人周围的机器人,具有碰撞检测和力限制等功能。在部署任何机器人之前,始终需要进行完整的安全风险评估,但在适当的条件下,这些机器人可以在没有安全围栏的情况下与操作员一起工作。在核设施上,这可以转化为机器人进行检查和测量,而不会干扰现场人员进行正常操作。

与传统工业机器人相比,协作机器人通常会牺牲速度和有效载荷,但可能具有支持直观操作和编程的功能。安全设备也可以与机器人配对,以使人与机器人之间的协作或合作更容易。例如,可以对安全扫描仪进行编程,以在有人进入警告区时限制机器人的速度,并在有人进入危险区时停止机器人。

将这些技术转化为实际应用是了解机器人如何以不同方式提高安全性和生产力的有用方法。

以下是我们的机器人团队如何探索多种应用的示例:

机器人数据采集

从性能监测到预测性维护和数字双胞胎的开发,数据收集对于核电站的安全运行和通知应用程序都越来越重要。这些数据包括放射测量、图像采集和 3D 扫描,这些都是机器人可以代替人类完成的任务。

这样做有两个主要好处。首先,它降低了风险,因为它避免了将人员送入危险区域。如果需要在非特征化的环境中收集数据,那么首先派机器人来评估风险并适当地计划进一步的活动要安全得多。其次,即使在具有特征的环境中,仍需进行常规调查。

在这种情况下,机器人可以帮助在预先编程的时间和地点获取数据,因此人们可以专注于如何处理数据,从而提高生产力和安全性。

波士顿动力公司的 Spot 就是一个很好的例子。Spot 是一款四足机器人,可用作部署仪器的平台,如相机、3D 扫描仪和伽马监视器。它可以在非结构化环境中导航、越过障碍物以及上下楼梯,它配备了一个手臂来打开门并拾取或拖动物体,从而能够跨不同站点和具有挑战性的环境进行远程数据收集。

远程操作:增强

对于无法实现完全自动化的情况,远程操作机器人可能是最佳解决方案。机器人可以增强人的能力,因此可以安全、更有效地完成工作。

在英国,我们正在通过开发遥控机器人系统将手从手套箱操作中解放出来。机械臂可以通过手套箱的现有端口(端口的最小内径为 150 毫米)展开,使人们远离伤害。对于此应用,Kinova Gen3 协作臂配备了夹具、角磨机、螺丝刀和等离子切割机等工具,可有效执行手套箱任务,并可进行编程以避免干扰手套箱及其内容。

选择和安装机器人只是解决问题的一小部分。远程操作机器人需要结合直观的用户界面、复杂的机器人控制、低延迟通信和传感器,以便为操作员提供所有必需的信息,例如摄像头、扫描仪和触觉反馈。在这种情况下,可以利用工具和技术,例如用于可视化和用户界面的游戏引擎、我们软件后端中的机器人操作系统 (ROS)、捕捉机器人环境的 3D 摄像头和虚拟现实 (VR) 来开发身临其境和直观的用户体验。

开发这些类型的解决方案创建了一种可复制的方法,可以适应其他应用程序。这里的重点是调整现有的机器人和成熟的技术,以比为该行业研发新的机器人技术更快、更有效地创建新的、特定于核的功能。

工业运营:自动化

还有一些应用,我们可以采用标准工业机器人并围绕它们设计自动化流程,例如处理受 α 污染的手套箱或管理退役废物。在后者中,我们可以根据其放射性水平对废物进行分类,以优化存储并节省成本,使用具有复杂视觉系统和软件的工业机器人并将其与标准表征仪器配对。

为了真正实现机器人技术的潜力并创建强大的解决方案,我们必须避免重新发明引擎和孤立地工作。我们需要最大限度地从其他行业开发的技术中吸取经验教训,并对其进行调整以解决来自于核领域的挑战。

核工业是实施机器人的具有挑战性的环境,但它具有很高的潜在机会和回报。释放这些好处可以真正改变我们的行业。



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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