2025年11月13日，哈尔滨工程大学教授王刚在深圳核博会核电厂在役检查论坛发表《面向核电蒸汽发生器检测的机器人技术及应用》主旨报告。
报告介绍了面向核电蒸汽发生器管板检测的下一代检测机器人系统，目标是在辐射环境下实现更强适配性、更高效率与更高安全可靠性。团队提出四足“蜘蛛型”机器人并实现“边走边检”、多探头任务优化与视觉全局定位，从而显著提升管孔覆盖能力、检测效率并降低漏检与孔位偏差风险。
关键点：
1. 报告背景与检测系统需求框架（00:01）
报告人来自哈尔滨工程大学智能水下航行器技术全国重点实验室，聚焦特种机器人在核电检测中的应用。其对“检测”的理解包括：检测工艺（受法规约束）、探头/设备满足工艺要求、以及在辐射环境中工作的载具（机器人）需求。报告主题为核电蒸汽发生器管板检测，强调蒸汽发生器作为一回路与二回路关键换热部件与安全屏障的重要性。
2. 合作背景与现有装备调研：对标ZR100与国产化诉求（02:15）
团队自2021年起与中国核电相关技术单位及检测公司合作，目标是提升现有蒸汽发生器检测装备的能力与效果。在国际合作受限与“走自己的路”的大背景下，报告调研了固定机座与爬行式两类检测工具，指出爬行式为主流，并以ZTEI公司的ZR100作为关键对标对象，提出要在狭小空间、入口受限条件下实现更强能力的检测机器人。
3. 面临的三大痛点：多型号适配、检测耗时长、缺乏绝对定位（04:34）
当前蒸汽发生器管板型号多（如EPR、AP1000、CPR、华龙一号等），现有机器人往往只能适配单一型号或通过更换末端部件勉强适配，亟需从设计层面解决多型号管板适应问题。检测时间长主要由机器人移动与涡流探头送入/拔出等过程叠加造成。与此同时，现有检测缺少绝对定位，孔位多靠推算，推算不准会导致检测孔与实际孔位偏差，带来漏检与误检风险。
4. 整体系统方案：机器人+视觉定位+涡流推拔+安装系统（05:57）
团队搭建了较完整的平台系统，由四部分组成：蜘蛛型特种机器人、独立视觉定位系统、涡流传感器推拔系统、以及机器人安装系统。系统总体目标是适配性强、效率高且安全可靠；部分工作由高校承担，部分由检测技术单位/公司共同完成，形成面向蒸汽发生器管板检测的一体化解决方案。
5. 核心技术一：四足（4RR）蜘蛛型构型实现高覆盖与模块化可靠性（06:54）
提出四足构型检测机器人，通过构型与参数优化实现管板“100%覆盖”目标，并显著提升单次覆盖面积：单步覆盖约480个管口，整体运动覆盖可达500个以上；对比国外较优单步约19个管口，覆盖能力提升约20倍以上。设计强调大负载、多管板适配与轻量化，并以模块化理念实现运行期间易拆易换、降低成本；入口尺寸约440mm，机器人需可进入受限空间。关键夹持/气爪机构通过5万至10万次耐久测试，并具备胀紧/松开、断电断气保持与高负载防坠等安全功能，以满足核电场景“安全可靠优先”的要求。
6. 核心技术二：边走边检（运动与检测融合）显著提升效率并降本（09:46）
将传统检测时间分解为安装、机器人移动、探头检测（送入/拔出）三部分后，团队通过四足构型实现“行走时间与检测时间融合”，提出“边走边检”：在单孔检测约40秒窗口内，机器人同步移动至下一检测点，实现检测点位无缝切换。效果上可近似认为未来管板上“无额外运动时间”，更接近全程用于检测；效率估算从传统每小时约30孔提升至每小时约90孔，显著缩短停机窗口并降低运营检测成本（后续需与检测单位进一步量化）。
7. 核心技术三：爬行运动规划与落足点选择（海量组合下的高效求解）（11:37）
围绕4RR构型，团队对落足点选择、机构约束与最短爬行周期等开展系统研究，需解决路径规划与探索策略问题。报告给出量级示例：单次到位可选落足组合达约789万种，无法依靠暴力穷举，因而开发了自研爬行运动规划方法。通过离线运动姿态库结合改进搜索优化算法，在管板模拟体上实现类似蜘蛛的灵活运动，为高覆盖与边走边检提供运动学与规划支撑。
8. 核心技术四：多探头任务分配优化提升整体检测节拍（13:49）
为进一步提升效率，系统规划采用两套探头（推拔器）并行检测，但关键在于覆盖区域内的最优配对与任务划分。团队采用类似“匈牙利算法/整数规划”的优化思路进行0-1整数规划求解，相比传统按行列分配方式，可节省约48分钟，整体提升约18.32%，并在上位机规划与实际执行对照中完成大量测试验证。
9. 核心技术五：视觉全局定位新思路（码贴机器人+相机落底板）（15:47）
蒸汽发生器水室环境无法使用GPS，SLAM或无线定位也受限制；传统做法在水室内贴二维码标记，但受辐射影响且粘贴精度难保证，进而影响定位精度。团队反向设计：将二维码贴在机器人上，把相机布置在水室底板，通过该低成本方式实现全局定位。在苍南现场验证中，定位精度由约11.84mm提升至约6.75mm；考虑管孔间距约20多mm，只要误差小于约12.5mm即可可靠判定所在孔位，从而在上位机实时显示检测孔位，减少漏检、错孔等风险，相当于为核电检测增加“保险”。
10. 测试验证与工程进展：迭代三版与现场疫前检测（18:44）
团队在检测公司环境完成长时间大负载可靠性测试，持续发现问题并改进，目前系统已迭代三版。2024年12月31日完成华龙一号的疫前检测测试（含四足局部与相关工况检测），并计划与检测公司在苍南再次完成疫前检测，为后续进入实际检测业务奠定基础；同时与CR100、CSTAR等进行参数对比，认为方案具备优势但仍需行业共同持续提升。
11. 人才培养与结束致谢（19:55）
报告提到学生通过与核电企业深度接触获得成长，部分未来将进入行业工作，体现产学研合作对人才培养的价值。最后简要介绍期刊编委与投稿信息，并以致谢结束汇报。
时间线：
00:01 - 开场致谢与自我介绍，给出核电检测的工艺-探头-载具（机器人）三层需求框架。
01:32 - 蒸汽发生器的重要性与检测背景铺垫，说明面向管板检测开展工作。
02:15 - 2021年起产学研合作背景，调研现有检测装备与国际环境变化下的国产化与效率提升诉求。
03:07 - 对标主流爬行式装备ZR100，分析狭小空间下的运动机构与检测作业模式。
04:34 - 提出三大工程痛点：多型号管板适配、检测耗时长、缺少绝对定位导致错孔风险。
05:57 - 展示完整系统平台：蜘蛛型机器人、视觉定位、涡流推拔、安装系统与总体目标。
06:54 - 核心构型方案：四足蜘蛛型机器人实现100%覆盖与大面积覆盖能力，强调模块化与可靠性测试。
09:46 - 效率提升方法：边走边检融合移动与检测，估算检测效率由30孔/小时提升至90孔/小时。
11:37 - 运动规划难题与解决：海量落足点组合下的自研爬行规划、离线姿态库与改进搜索优化。
13:49 - 多探头协同与任务分配优化：用整数规划/匹配优化提升节拍，节省时间并完成测试验证。
15:47 - 视觉全局定位：二维码贴机器人、相机放底板，苍南验证将精度提升至6.75mm并降低漏检错孔。
18:44 - 可靠性与现场进展：长时大负载测试、三版迭代、华龙一号与苍南疫前检测计划及对标对比。
19:55 - 人才培养、期刊投稿信息与总结致谢，汇报结束。
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“蜘蛛型”机器人助力核电蒸汽发生器检测装备国产化升级
哈尔滨工程大学教授王刚围绕“面向核电蒸汽发生器检测的机器人技术及应用”介绍了团队在核电蒸汽发生器管板检测机器人方向的研究进展。依托哈尔滨工程大学智能水下航行器技术全国重点实验室，团队长期从事特种机器人技术研究，并自2021年起与中核相关技术单位开展合作，面向下一代蒸汽发生器检测装备开展联合攻关，目标是提升检测能力、检测效果和检测效率，同时推动关键装备国产化替代。
核电蒸汽发生器检测涉及工艺和法规要求、探头与检测设备、载具或机器人等多个环节。由于核电一回路具有辐射环境、空间狭小、可靠性要求极高等特点，检测机器人不仅要完成精确移动和探头送入，还必须满足安全、稳定、可维护等工程约束。现有蒸汽发生器检测装备主要包括固定机座式和爬行式两类，其中爬行式装备是当前主流。国外典型系统如ZR100可通过人口进入水室等狭小空间，依靠平面运动机构、作业臂和上位机软件完成局部区域检测。团队在研发过程中将其作为重要对标对象，提出在适配性、覆盖能力、检测效率和定位能力等方面实现性能提升。
当前核电管板检测面临多方面难题。首先，不同堆型蒸汽发生器管板差异明显，EPR、AP1000、CPR、华龙一号等型号在结构尺寸和孔位布局上存在差别，现有机器人往往只能适配单一型号，或需要频繁更换末端部件，影响装备通用性。其次，检测周期长、效率受限，整个作业时间不仅包括探头检测时间，还包括设备安装、机器人移动、探头送入和拔出等环节，移动和等待时间占比较高。再次，现有作业方式缺乏绝对定位与可视化追踪，很多情况下依靠孔位推算完成作业，容易出现孔位偏差，进而带来漏检或检测结果与孔位对应错误的风险。
针对上述问题，团队提出了一体化检测系统方案，主要由特种“蜘蛛型”机器人、独立视觉定位系统、涡流探头推拔系统和机器人安装系统四部分组成。系统设计强调强适配性、高效率和安全可靠，其中安全可靠是核电应用场景中的最高优先级。通过机器人本体、视觉定位、探头推拔和安装辅助设备的协同，系统力求在复杂管板环境中实现稳定爬行、精准定位和高效检测。
四足“蜘蛛型”机器人是该系统的核心。该构型面向管板100%覆盖目标设计，单次覆盖区域可达约480个管口，整体覆盖能力较国外典型方案有明显提升。机器人研发过程中，团队围绕大负载、多管板适配和轻量化进行优化，并采用模块化设计，便于运行维护、拆装更换和后期降本。作为关键执行部件，气爪需要具备胀紧、松开、保持等功能，并能在断电断气情况下实现自保持，保证大负载条件下不会发生坠落。为满足核电现场的可靠性要求，相关气爪部件进行了约5万至10万次耐久测试，以验证长期运行稳定性。
在检测效率方面，团队提出“边走边检”的时间融合思路。传统检测流程中，机器人移动和探头检测往往串行进行，完成一个孔位检测后再移动到下一孔位，时间利用率不高。新方案将机器人行走时间与探头检测时间并行融合，使机器人在完成当前检测任务后能够无缝切换到下一孔位。通过这种流程优化，单位时间检测量有望由约30孔/小时提升至约90孔/小时，从而显著缩短停机检测时间，降低核电机组维护成本。
为实现复杂管板上的稳定爬行，团队还开展了运动规划与落足点决策研究。由于机器人每次落足点组合数量可达约789万种，若采用暴力搜索难以满足工程需求，因此必须建立专门的规划算法。团队采用离线运动姿态库结合改进优化搜索算法的方法，提前构建可行姿态集合，并在此基础上生成适用于管板环境的可执行路径，使机器人能够在密集管孔区域灵活爬行，同时避免不可达、干涉或稳定性不足等问题。
在双探头协同检测方面，系统通过多推拔、多探头方式进一步提升检测效率。其关键在于如何对覆盖区域内的孔位进行合理划分与配对，使两个探头协同工作时减少等待和无效移动。团队采用基于0-1整数规划的任务分配方法，并引入特定优化算法进行求解。与按行列简单分配相比，该方法可节省约48分钟，效率提升约18.32%，为大规模管板检测任务提供了更高效的调度策略。
定位与可视化也是该系统的重要创新方向。传统二维码定位方案通常考虑在水室内布设二维码，但现场存在辐射环境影响、贴码安装精度不足、布设难度大等问题，一旦二维码位置误差较大，会直接影响定位结果。团队提出反向布设策略，将二维码贴在机器人本体上，而相机作为外置设备部署在水室底部，从而实现低成本全局视觉定位和作业过程可视化。测试结果显示，该方案可将定位精度由约11.84毫米提升至约6.75毫米。结合蒸汽发生器管孔间距约20余毫米的结构特点，该精度能够可靠判定机器人当前所处孔位，降低漏检和错孔风险。
目前，系统已在模拟体上开展了长时间、大负载测试，并持续进行可靠性验证和版本迭代，已发展至第3版。2024年12月31日，团队完成了华龙一号役前检测测试，后续还计划在苍南与检测公司继续开展役前检测验证。通过与ZR100等系统的参数对比，团队认为该方案在覆盖能力、检测效率、适配性和定位可视化等方面具备一定优势，但核电检测装备的工程化落地仍需行业单位共同推进，在现场适应性、运行可靠性、标准化应用和持续迭代方面不断完善。
王刚还提到，产学研协同对核电检测机器人发展具有重要意义。学生在参与核电企业真实项目的过程中，能够深入理解行业需求，提升工程化设计、系统集成和现场问题解决能力，也为核电装备领域培养了后备人才。同时，团队积极参与学术期刊和行业交流工作，欢迎相关领域专家围绕核电检测机器人、特种机器人、智能检测装备等方向开展投稿、交流与合作。
