2025年11月14日，中国科学院合肥物质科学研究院副研究员潘洪涛在深圳核博会机器人与人工智能论坛发表《聚变堆多功能重载机械臂系统研发进展》主旨报告。
报告介绍了聚变堆远程维护的需求、难点和研发进展，强调聚变装置内部存在高辐射、大质量部件、高安装精度和狭小维护空间等挑战。团队已围绕观测、堆芯部件维护、多功能重载机械臂、工具系统和总控系统开展研发，并完成了长臂重载电驱机械臂本体及部分测试。未来工作将重点面向辐射环境适应性、可靠性、故障诊断以及BEST和后续聚变堆远程维护系统建设。
关键点
1. 报告主题与范围（00:16）
潘洪涛研究员说明，本次报告主要介绍聚变堆远程维护或遥操作的基本形态、当前研发进展，以及未来五到十年需要开展的工作，技术细节不会展开太多。
2. 报告结构与聚变发展规划（01:05）
报告分为聚变堆远程维护特点、等离子体所相关工作、多功能重载机械臂研发进展、未来工作和总结五部分。合肥方面围绕磁约束核聚变布局了夸父平台、BEST装置以及面向二零三零年代的CFEDR等后续聚变工程目标。
3. 聚变堆维护的核心挑战（03:20）
聚变堆运行和停堆维护期间仍面临热辐射、中子辐射、电磁力和高剂量环境，人工维护不适合进入。堆芯内部包层可达六十吨，偏滤器靶板约一点五吨，同时安装轮廓精度要求在正负一毫米以内，且维护只能通过有限窗口进入，空间非常狭小。
4. 维护对象不只限于堆芯（06:20）
除堆芯包层和偏滤器外，聚变装置主机外围、热室等区域也存在大量维护需求。观测系统受到真空和高温限制，大质量内部部件维护还受到空间、大变形等约束。
5. 团队前期研发脉络（07:18）
团队自二零一三年前后开始相关工作，先致力于观测系统，用于判断装置内部哪些部件是否损坏。二零一五年重点研发计划中与哈尔滨工业大学、上海交通大学等单位合作开发维护设备；二零一九年依托夸父平台，面向下一代聚变堆开展关键原型件研究。
6. 面向包层和偏滤器的设备研发（08:43）
针对六十吨级包层，团队开发了环向移动和垂直拉伸结构；针对偏滤器靶板维护，开发了重载机械臂。该机械臂采用全电驱方案，避免液压漏油影响真空和洁净度，长度约十米、负载两点五吨、七个自由度，并已完成本体制造和负载测试。
7. 多功能重载机械臂系统组成（10:31）
系统包括重载机械臂本体、双臂执行器、直线移动底盘和多类工具。双臂执行器用于切割、焊接、螺栓拆卸、焊后涡流探伤等轻型维护；工具系统的特殊之处在于针对管件的切割、焊接和探伤均从内部进行。
8. 重载臂可靠性与测试平台（11:54）
每个机械臂关节内设置三个电机，以支持单个或多个电机故障后的继续工作，并预留驱动救援接口以便在严重故障时退回。团队还搭建了大型关节测试平台，可进行弯矩、扭矩复合加载，测量精度和壳体变形等指标。
9. 组装与定位精度测试（13:15）
重载机械臂完成各关节组装后，需要与底盘精密安装，十多个滑块同时安装并保证零点几毫米级精度。八月份开始的测试显示，在两点五吨负载下，重复定位精度可达到正负毫米以内，绝对定位精度约为正负二十多毫米，结果好于预期。
10. 内部集成布线与变形补偿（14:32）
机械臂将线缆、气管、拖链和电连接等集成在内部，使外观整洁，但也带来长距离信号传输、通断连接和焊接大电流干扰等问题。由于机械臂本体十几吨、负载两点五吨且需要高精度操作，团队正在发展数字孪生系统，用于预测和补偿结构变形，并监测关节应力。
11. 双臂执行器与智能维护（17:49）
双臂系统用于执行小型切割、焊接、检漏、探伤和螺栓拆卸等任务，设计目标包括主从操作和智能化维护两种模式。自动化维护中的难点包括双臂防碰撞、孔识别定位、基于柔顺力控的轴孔装配以及虚拟现实系统开发。
12. 反光和辐射环境下的视觉定位（18:44）
聚变堆内钨和不锈钢等材料可能产生反光，给视觉特征识别带来困难；三维相机在辐射场景下也难以使用。团队尝试用深度学习方法，在虚拟模型中建立大量物理仿真模型，并基于单目相机研究轴孔装配，但目前仍处于研发和仿真验证阶段。
13. 工具系统与全流程自动化（20:03）
工具系统包括抓取、管内焊接、管内切割、螺栓拆卸和管内探伤等设备，部分由合作单位开发。团队搭建了面向偏滤器靶板切割、焊接、检漏和探伤的全流程平台，涉及视觉识别、力控和自动化操作，但完整流程仍未全部完成。
14. 观测与总控系统设计（21:06）
维护过程中还考虑观测系统和无人机方案，但无人机在真空腔内无GPS信号，需要依赖雷达重建和定位，且小空间气流会影响飞控。总控系统包括运行管理、虚拟现实、命令控制和视频监控，并重点考虑DDS分布式实时通信和不同厂家设备控制器接口的标准化。
15. 未来五年的关键任务（23:06）
未来工作将重点考虑辐射环境影响，研究传感器、驱动器、控制器和电机等在一万戈瑞累积辐射剂量下的适应性。报告指出，除器件选择和屏蔽材料外，可靠性应从设计初期开始分配和验证，同时需要加强故障诊断与健康管理。
16. 从本体研制到任务能力仍有距离（26:22）
虽然重载机械臂本体已经完成并取得较好定位精度，但这只是第一步。后续更难的是实现既定维护任务，包括高精度控制、力交互、力反馈和真实操作能力。
17. BEST和后续商业堆需求（26:59）
BEST装置正在建设，将演示发电并点亮中国聚变第一盏灯，其中有大量远程维护任务尚待研发。面向二零三零年后续商业堆，还需要更大规模设备，例如负载六十吨的重载机械臂以及大量配套工具和维护方案。
18. 总结与合作呼吁（28:15）
聚变研究正从实验室阶段走向工程化，远程维护应尽早纳入整体设计。当前团队规模较小、技术成熟度仍低，BEST和CFEDR等装置的远程维护系统开发迫在眉睫，报告呼吁核领域、机器人和人工智能等方向的同行加强合作。
时间线
00:00 - 主持人介绍报告题目和报告人，随后报告人说明将围绕聚变堆远程维护和多功能重载机械臂研发进展展开。
01:05 - 报告首先交代整体结构，并介绍合肥聚变装置和未来聚变工程规划，包括夸父平台、BEST和面向二零三零年代的后续聚变堆设想。
03:20 - 报告进入聚变堆远程维护特点部分，集中说明高辐射、大质量部件、高精度安装和狭小窗口维护等工程难题。
06:20 - 随后扩展到堆芯以外的维护需求，并回顾团队从观测系统到维护设备、再到夸父平台原型件研发的工作基础。
08:43 - 报告重点介绍面向包层和偏滤器的维护装备，特别是全电驱重载机械臂的研制状态、主要参数和测试情况。
10:31 - 中段详细展开多功能重载机械臂系统的子系统，包括机械臂本体、双臂执行器、底盘、工具系统、观测方案和总控系统。
14:32 - 报告进一步讨论研发中的关键技术问题，如内部布线与信号干扰、重载臂变形预测补偿、数字孪生、双臂智能操作和视觉定位难题。
20:03 - 接着说明工具系统和全流程自动化维护平台的建设情况，并介绍无人机观测、虚拟现实、DDS通信和控制器标准化等系统集成内容。
23:06 - 报告转向未来研发任务，强调辐射环境适应性、可靠性设计、故障诊断和健康管理将成为未来五年的重点。
26:22 - 报告指出现有机械臂本体只是基础，真正完成聚变堆维护任务还需要突破高精度控制、力反馈和实际操作能力。
26:59 - 最后展望BEST和后续商业堆的远程维护需求，包括更多重载机械臂、窗口插入设备、热室相关设备和六十吨级负载机械臂。
28:15 - 报告总结聚变远程维护的重要性和紧迫性，说明当前技术成熟度仍低，并邀请相关领域同行共同合作。
AI 延伸阅读(下文由AI生成，其内容可能存在偏差，请注意甄别)：
中国聚变堆远程维护关键装备取得进展，十米级多功能重载机械臂完成研制测试
中国科学院合肥物质科学研究院副研究员潘洪涛围绕聚变堆远程维护技术与多功能重载机械臂系统研发进展进行了介绍。随着我国核聚变装置从物理实验逐步迈向工程化验证，远程维护已成为未来聚变堆能否长期、安全、稳定运行的关键支撑技术。我国正在推进夸父平台、BEST装置以及未来中国聚变工程试验堆等重大布局，其中BEST装置目标是开展燃烧等离子体实验并演示聚变发电，被寄予点亮中国聚变发电“第一盏灯”的期待。相比现有实验装置，未来聚变堆功率更高、尺寸更大、系统更复杂，对堆内关键部件拆装、检测、转运和修复提出了远超常规工业场景的要求。
聚变堆远程维护的难点主要来自高辐射、高热负荷、大质量部件、高安装精度和狭小作业空间的叠加。聚变运行过程中，堆内壁面长期承受中子辐射、热负荷和电磁力作用，即便停堆后仍存在较高辐射剂量，人员无法直接进入维护。堆芯内部的包层、偏滤器等关键部件质量巨大，单个包层部件可达约60吨，偏滤器靶板也约1.5吨，同时内部部件安装轮廓度需控制在正负1毫米以内，误差过大可能影响等离子体运行并造成局部热负荷异常。由于维护设备只能通过有限窗口进入堆芯，窗口又不能过大以免影响氚增殖率，大部件、高精度和窄空间共同构成了聚变堆维护的核心挑战。
等离子体所在远程维护方向已开展十余年研究。从2013年前后起，团队开始研制堆内观测系统，用于判断装置内部部件是否损坏、损坏位置以及维护时机；2015年前后依托重点研发计划，与哈尔滨工业大学、上海交通大学等单位合作开展维护装备研发；2019年后，在夸父平台支持下进一步面向下一代聚变堆和聚变电站需求，聚焦包层、偏滤器等堆芯关键部件的远程维护预研。针对约60吨包层部件，团队提出环向移动和垂直拉伸等维护方案；针对偏滤器靶板，则重点开发多功能重载机械臂系统，目前机械臂本体已完成研制并进入测试验证阶段。
多功能重载机械臂系统由重载机械臂本体、双臂执行器、移动底盘、专用维护工具、观测系统和总控系统组成。机械臂本体采用全电驱动设计，以避免液压系统泄漏对真空度和洁净度造成影响。该机械臂长度约10米，负载约2.5吨，具备7个自由度，与末端双臂执行器组合后系统自由度接近20个，可用于偏滤器靶板等大质量部件的拆装维护。为提升可靠性，每个关节配置三个电机，实现冗余驱动，在单个或两个电机故障的情况下仍可继续工作；同时关节设置外部救援驱动接口，确保严重故障时设备能够撤回，避免机械臂滞留在堆芯狭小空间内。
在测试方面，团队研制了大尺寸关节验证件，并搭建可施加弯矩和扭矩复合载荷的综合测试平台，对关节精度、壳体变形和承载性能进行验证。目前各关节组装、整机装配以及与移动底盘的安装已完成，并按工业机器人规范开展了重复定位精度和绝对定位精度测试。在2.5吨负载条件下，机械臂重复定位精度达到正负毫米量级，绝对定位精度约为正负二十多毫米，结果优于预期。由于机械臂自重十余吨且负载较大，结构变形不可忽略，团队正在推进数字孪生系统建设，用于实现末端偏差预测、关节应力监测、运动规划和健康管理等功能集成。
双臂执行器主要承担切割、焊接、螺栓拆装、检漏和涡流探伤等轻型维护任务，既支持主从遥操作，也面向智能化自动维护发展。自动化操作仍面临双臂避碰、孔位识别、轴孔装配以及柔顺力控等难题。团队通过三维虚拟现实系统辅助操作和任务规划，并结合虚拟模型开展物理仿真训练。由于聚变堆内钨、不锈钢等材料容易产生反光，且辐射环境下三维相机应用受限，二维视觉、单目视觉和深度学习方法更具现实可行性，但相关算法仍在研发中，尚未完全部署到实际系统。
围绕偏滤器靶板维护，团队还开发了管内焊接、管内切割、螺栓拆卸、管内探伤检测、抓取定位等多类型专用工具。相关维护对象包括内径约40多毫米、壁厚约3毫米的小管，切割、焊接和探伤均需从管内完成，与常规外部维护方式明显不同。目前团队已搭建偏滤器靶板维护验证平台，目标是实现切割、焊接、检漏、探伤等流程自动化，并解决快换盘识别、视觉定位、力控操作等工程细节，完整流程仍在持续完善。
观测系统和总控系统是远程维护体系的重要组成部分。维护过程中需要实时掌握设备状态、部件状态和操作环境，观测系统必须适应真空、辐射和狭小空间条件。团队还提出堆内无人机巡视设想，但真空腔内无GPS信号，需要依靠雷达重建与定位，狭小腔体气流对飞行控制的影响也需要进一步研究。总控系统则负责维护任务规划、状态反馈、虚拟现实辅助、视频监控和设备统一控制，并通过DDS分布式通信提升实时性。由于不同厂家设备可能采用PLC、嵌入式控制器或多轴控制器，未来需要通过接口封装实现通信协议和控制接口统一，推动工具和设备即插即用。
未来五到十年，聚变堆远程维护研发将重点转向辐射环境适应性、高可靠性设计、故障诊断与健康管理以及高精度力控。当前不少研究仍以原理验证为主，对辐射影响考虑不足，后续需围绕约10000戈瑞累积辐射剂量目标，对控制器、驱动器、传感器和电机等关键部件开展选型优化、屏蔽设计和复合屏蔽材料应用。可靠性也必须从设计阶段开始分配和验证，不能仅依赖产品完成后的测试评估。由于聚变领域缺乏长期工程应用数据，可靠性评估难度较大，需要通过测试、仿真、数字孪生和健康管理协同提升系统能力。
面向正在建设的BEST装置以及未来中国聚变工程试验堆，远程维护需求将进一步扩大。BEST中仍有大量远程维护任务尚待启动，包括约1吨负载级重载机械臂、窗口插拔设备和热室维护装备等。未来聚变工程试验堆尺寸将达到数十米量级，热室系统规模庞大，涉及遥操作、转运、检测和大型部件拆装等复杂任务，还将需要约60吨负载级重载机械臂及配套工具、控制系统、观测系统和安全救援方案。潘洪涛指出，聚变堆设计早期必须同步考虑维护通道、设备接口和遥操作方案，否则后期将面临巨大工程困难；相关技术仍需核工程、机器人、人工智能、辐射防护、检测和控制等多领域力量共同推进。
