哈工程青年研发智能机器人能为核电站“体检”

本文转自：人民日报客户端

郭晓龙

在崎岖道路灵活旋转、跳跃，爬坡过坎毫不费力，哈尔滨工程大学本科生研发的核电领域智能巡检机器人在高辐射剂量核环境下，对核电站核心设备、管道进行日常巡检，1台机器人可抵近百人的工作量。

这个核电领域智能巡检机器人获第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。项目团队获13项发明专利、4项软件著作、2篇高质量论文。

“在这片科技创新的沃土上，一个个创新梦想萌芽、生长。”在学校创新创业教育工作推进会上，创翼科技社负责人、智能学院机器人工程专业2020级本科生陈阳向全校师生讲述了自己从技术小白到拿到国赛特等奖的创新经历。

参观核电站萌生“创新点”

“反应堆压力容器是核电站的‘心脏’，对于它的检测存在难度大、风险高等问题，研发好的检查装备是迫切需要。”

2020年秋天，还是大一学生的陈阳与同学们，在张兰勇老师带领下，第一次来到大亚湾核电站了解核能。

陈阳了解到核电站需要定期对压力容器进行检测，主要依靠人工或者传统机器人完成。人工巡检时每人每周最多工作4个小时，常用的传统履带式核电检测机器人存在地形适应性弱、复用性差、抗辐射性能差等缺点。

听到工程师关于设备检测机器人的介绍，彼时刚加入创翼科技社的陈阳，在心里埋下了科技创新的种子。

能不能开发一款高性能核电机器人完成日常实时巡检，既能抵抗高辐射环境对电子系统的影响，又能在结构复杂的压力容器内灵活运动自动循迹？陈阳带着这个想法，敲开了张兰勇办公室的门。

“将技术与行业需求相结合搞创新，这个想法可行。”张兰勇鼓励陈阳大胆尝试。

于是，陈阳组建了一支由不同学院、不同专业的本科生组成的科创团队，分为机械、嵌入式、视觉感知三个技术组别，开始了长达两年的研究。

陈阳和廖雨菲来自智能学院，负责控制算法研究；古翱翔来自物理学院，主要负责视觉算法的创新设计；朱一达来自南安普顿海洋工程联合学院，负责研究机械结构。

“这是一个复杂的学科交叉问题，我们相信一定能克服困难，做一个机器人出来。”陈阳说。

轮腿结构的灵活机器人

什么结构能更加适应核电站的复杂环境？

团队创新设计了五连杆轮腿底盘结构，结合轮与腿两种构型的优点，为机器人打造了灵活的“身体”。机器人五连杆的构造能更好地控制腿部伸缩高度，腿部最大延伸高度近半米，最大可以跳跃0.35米高的台阶。

“就像人走路时突然被推了一下，需要马上调整身体防止摔倒，机器人要对遇到的外界干扰能‘条件反射’地做出调整。”廖雨菲说。

算法设计是机器人设计的核心。团队花费大半年时间集中开展被动态势感知的算法创新与验证，融合了多个调节器、控制器和虚拟模型，又加入航向角控制、横滚角补偿、腿长控制等算法。“在正常工作状态下，用脚使劲踢也不会倒，机器人不会因为外界干扰影响正常工作状况。”陈阳说。

还要让机器人拥有“大脑”和“眼睛”，团队创新设计了主动态势感知系统，能让机器人主动感知周围环境。机器人通过搭载的相机、激光雷达以及深度学习等算法自主避障、跟踪追踪等。

“模块化、插件式的设计，让机器人根据不同需要更新多种功能，应用场景更广。”古翱翔说。

团队设计的核电领域巡检机器人可飞跃0.75米宽台阶，最快速度可达每秒5米，最大爬坡角度达45度，可在核电站内完成日常仪器仪表的数值读取、管道异物勘测等人力难及区域的检测。

无数个“再试一次”

哈尔滨工程大学61号楼，有近400平方米的实践创新区域供学生们进行科创实验，是团队的“大本营”，造型精美、功能齐全的机器人诞生于此。

机器人共需10个电机来作业控制。在两款电机的选型上，团队总共进行7次迭代，终于解决了电压不稳、扭矩不足等情况。

机器人轮子打滑严重的问题，让研究一度停滞不前。“坚持不住的时候，就再试一次，办法总比困难多。”陈阳说。通过慢速回放机器人运动的录像，团队察觉到是控制器的算法出现了偏差。陈阳和廖雨菲重新调整了10余次，才解决问题。

“除了控制方面的改进，结构组也要做出调整，把轮子从原来的小轮径换成合适的大轮径增大摩擦性，让机器人行驶更稳定。”朱一达说，“这不是一场单打独斗，我们需要通力合作。”。

正是无数个“再试一次”的努力，2023年初，团队设计的巡检机器人实现了在核电站环境内试用。

在研究过程中，校内校外的专家给了团队很多建议和帮助。中国广核集团运营公司首席维修技师陈永伟认为该项目具有非常好的工程应用价值。

“在推进新型工业化，加快发展新质生产力的形势下，哈工程教师和学子都将大有可为。”张兰勇说。如今，即将本科毕业的陈阳选择继续留校读研深造，从事智能机器人相关研究。