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拉开核电机器人时代的序幕

来源:  发布时间:2016-06-06

  
——记中国科学院光电技术研究所高级工程师、硕士生导师冯常
  
本刊记者 刘 江

  
  
  机器人被称为“未来制造业皇冠顶端的明珠”。我国从20世纪70年代就开始发展机器人,经过40多年的发展,目前已完全实现产业规模化,各类机器人制造企业也同时脱颖而出,成为智能工业化产业中的一枝新秀。
  智能机器人从应用环境来划分,一般分为两大类——工业机器人和特种机器人。冯常的研究属于后者。作为“中国核用特种机器人先行者”的他积极参与着这场机器人时代的发展历程。他主持发明的“反应堆水下异物打捞机器人”成为国内首台应用于核电站核岛内的特种机器人装备,被《科技导报》评选为2006年国内重大科技进步之一;近年来自主研发的“高耐辐射摄像系统”关键技术指标也达国际先进水平,耐辐射剂量率达到1×106rad/h,耐辐射总剂量达到1×108rads,也是目前国内唯一能够达到此项指标的高耐辐射摄像系统。
  
一心专注“中国制造”
  
  根据国家能源发展特别是核电大发展的战略需要,到2020年核电装机容量占有率将由现在的2%增长到5%,相当于从现在到2020年平均每年增加3~4座商业核反应堆。因此,我国的核电建设还有很大的发展空间。
  建得多,还要行得稳。冯常介绍说,核电站的平均设计寿命一般在40年,其运行必须借助相关辅助产业的支持,特别是对核环境的监视检测、设备的维护保养、运行的诊断预测是确保核运行安全必不可少的环节。如此一来,与之相配套的核用检测设备,特别是高耐辐射视频传感器将会得到广泛应用。
  然而,作为核电站必备的高耐辐射视频传感系统,产品长期依赖进口。为打破国外垄断冯常深感压力和责任重大,因此他下定决心一定要解决其中的技术难题,形成具有我国自主知识产权的高耐辐射摄像系统。
  从零开始,绝非易事。冯常带领团队历经两年的潜心研究、刻苦钻研,终于在关键技术上做出了重大突破,研制出低耐辐射、中耐辐射、高耐辐射、耐辐射高分辨率、耐辐射高帧频等一系列耐辐射摄像系统,他们具有一个共同点,那就是通通印有“中国造”的标签。
  高耐辐射摄像系统一经问世,就带着自主创新特色血统亮相于核行业。据冯常介绍,系统采用耐辐射的光导管、水下动态密封、行场扫描和聚焦线圈等作为传感器头部;扫描线圈控制、图像处理及驱动处理电路等作为后端控制系统,并通过30m特制电缆对传感器头部进行控制及图像传输,由此达到系统具有耐高辐射的特性,继而可以进入高辐射区工作。视频传感器头部还可增加具有较强耐辐射能力的多个微型电机,对摄像镜头进行对焦、变倍、光圈控制及定向照明。
  另外,水下高清耐辐射摄像系统采用了独特辐射屏蔽技术,可在水平方向360度旋转无盲区,即便在水下100米工作也依然稳定可靠。经多次试验表明,该系统可在500Gy/h的环境剂量率条件下稳定工作100小时。系统也采用了高性能高分辨率图像稳定传感器,可输出200万像素1080P高清视频,在精密电机驱动下,任何速度下都能捕捉到无抖动的画面图像。其应用在核电站燃料组件相关操作系统设备中,可大大提高核燃料操作的安全性,确保燃料组件入堆后能长期安全运行;在核电站大修堆芯换料过程中,该系统能够全方位监控水下燃料组件操作,以确保燃料正确就位;并可实现对核燃料组件进行专项水下高清外观检查和测量,了解燃料组件的运行状况。此外,它还可对核电站乏燃料水池及堆芯燃料组件进行最终安全检查,确保燃料组件正确装载。
  据悉,核级水下高分辨率耐辐射摄像系统目前已成功应用于国内各大核电基地。已完全替代进口产品,每年为国家节约外汇达数千万元。就这样,冯常带领的团队被国内同行誉为“核用耐辐射视频成像技术第一团队”。
  
潜心研制只为“水下机器人”
  
  不需要呼吸氧气,也不需要休息,就能同步实时传回水底信息……这都是水下机器人的神奇之处。近年来,在水下搜救、海底勘探、水面应急处理等方面,水下机器人正在发挥着越来越重要的作用。
  随着中国核电大发展的趋势,核电站对水下特种机器人的使用需求也在不断提高,借鉴国际上先进核电站的宝贵经验,国内核电站迫切需要一种水下爬行与潜浮双功能机器人为核电站服役。
  2000年开始,冯常主持中科院西部之光项目“水下双功能机器人的机械手设计与分析”,并入选中科院西部之光人才培养计划,获得“西部学者”称号。
  在前期大量实验室研究基础上,冯常提出了一种水下爬行与潜浮机器人通用的机械手设计方案,通过正逆运动学分析、机械手工作空间的求解与仿真以及基于SolidWorks运动仿真模块的仿真与计算,验证了该机械手设计方案满足要求以及搭载在爬行式和潜浮式机器人上作业的要求;并和他的团队迅速建立了深度水下运动学模型,以得到水下特殊工况运动学特征方程,解出机械手运动学正解和逆解,以及工作空间仿真系统。这些研究都为之后的机械手动力学分析、实时控制和轨迹规划提供了重要的理论基础。
  通过综合分析国内外智能水下检查机器人系统设计后发现:对于这种多任务的机器人,采用传统的集中控制方法很难实现机器人各功能模块协作、重构等多种形式的运动。他们进而提出采用分层混合式控制结构和CAN总线技术,将导航规划控制、仿人智能控制、成像控制、运动控制以及多传感器等功能封装成独立模块,由不同的控制器实现,从而大大提高了系统的稳定性和可靠性。
  
分身有术悉心人才培养和团队建设
  
  冯常不但潜心关键技术攻关,而且非常重视科研团队及科技人才培养。近年来在他的积极主导下,先后组建了特种机器人技术、特种光电检测技术、耐辐射视频成像技术及水下机器视觉技术四个研究团队。值得欣喜的是,团队在冯常的带领下陆续开发出了数十个型号产品,基本覆盖了国内现役核电站、核设施基地、核废料处理等领域,团队骨干也由原来的寥寥几人,发展到如今30多人。  
  作为硕士生导师,冯常还承担起繁重的研究生指导工作。尽管日常的科研工作异常繁忙,他仍每天抽出时间安排和学生共同讨论技术问题,参与到课题组进行指导共同试验,每次从研究生选题到其中关键问题的解决都倾注了他大量的心血。他的学生们都表示自己遇到了一位好导师,毕业多年后仍旧想念这个团队。
  忆起往昔峥嵘岁月,冯常感概颇深。1996年,冯常毕业于重庆大学机械电子工程专业,2003年硕士毕业于电子科技大学光学工程专业。他勤奋刻苦,不畏艰难,在科研的道路上不断攻艰克难,直到如今成长为中国科学院光电技术研究所微电子装备总体研究室副主任。他先后参与了多个“863”“973”等国家重大科研任务及专项。近年来在国内权威媒体上发表文章10余篇,申请发明专利6项,实用新型专利10余项。培养硕士研究生8名。
  未来,冯常不会止步于此,“路漫漫而修远兮,吾将上下而求索,我将继续在科研道路上远行”。近期,冯常计划在原有技术研发基础及现有平台上,加大科研力量投入,争取在核电救灾应急机器人的模块化、小型化技术研究上取得突破,同时在水下3D扫描及测量、伽马射线成像等方面开展研究。工欲善其事,必先利其器,冯常长期专注“器”之研究,必将在我国核工程光电检测领域奠定更加坚实的基础、书写下浓墨重彩的一笔。
  

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