哈工程王刚：水下检测机器人补齐核电安全短板

核能具有清洁、稳定、供应充足的特点，对发展清洁能源、实现双碳目标、推进气候治理有重大意义。安全是核工业的生命线，重视核电设备安全检测装备研发，是核能可持续发展的重要前提。《机器人产业》杂志专访哈尔滨工程大学王刚教授，解读我国新一代自主化高性能核电水下检测机器人，深度剖析我国水下特种作业机器人行业发展现状及未来走向。

近年来，我国核电运行装机规模持续增长，核能发电量持续提高。截至2023年4月，我国在建核电机组共24台，总装机容量约2681万千瓦，整体规模居全球第一；中国大陆商用核电机组54台，总装机容量5682万千瓦，位居全球第三。2022年3月，中核集团研发设计的具有完全自主知识产权的三代压水堆核电创新成果“华龙一号”已全面建成投运，标志着我国实现了由二代向自主三代核电技术的全面跨越。目前，我国正在从“核电大国”向“核电强国”迈进，未来核技术应用产业有望成为我国新的经济增长点。

我国在世界核电格局中占据重要地位。党的二十大报告提出，要积极安全有序发展核电。“核电发展的过程中，都把安全放在了首位，并且近几年的检测标准也不断提高，因此研究一款能够下水检测核电设施的机器人至关重要，”哈尔滨工程大学王刚教授说。王刚教授带领团队历时4年，研发出了首台完全国产化的高性能核电水下检测机器人（以下简称“水下检测机器人”）。2023年6月，水下检测机器人前往惠州完成了实地检测测试，运行稳定、数据采集便捷，并按计划完成了各项测试工作，为进一步提高我国核安全监管能力和水平做出贡献。

100%适配核电水下关键设施

核电水下检测设备主要有悬浮式作业机器人和TIME机。悬浮式作业机器人可以完成对核电水池的视觉检测，但检测精度较低，且无法掌握缺陷的确切数量及大小。TIME机可以对RPV（反应堆压力容器）进行检测，但由于其需要大量时间进行安装部署，导致整体检测效率较低。现阶段，核电水下检测存在测不全、耗时长、成本高三大核心痛点，严重制约核电行业的发展，亟需自主可控的高适配性核电水下检测设备。

▲哈尔滨工程大学核电水下检测机器人

王刚教授团队研发的水下检测机器人集成多个驱动装置，最大游动速度1m/s，贴壁爬行速度0.5m/s，能在0~200m水深的环境下执行检测任务，且抗辐射能力大于1000Gy，可以100%适配核电水下关键设施（多种核电水池及反应堆压力容器）。

三大核心技术临“危”不乱

在核电水下环境中应用， 机器人必须要做到轻量化。王刚教授介绍：“我们的水下检测机器人整体设计尺寸为340mm×300mm×250mm，重量仅12kg，在水下作业时具有爬行、游动双模运动能力。”

当机器人处于游动模式时，侧翼推进器启动，推动机器人在水平方向运动。同时，顶部推进器可保持机器人在垂直方向的位置，并带动机器人在垂直方向移动。当机器人航行至目标位置正上方时，切换为爬行模式，侧翼推进器停止工作，顶部推进器推动机器人下潜，直至与待检测表面接触。此时，顶部推进器继续工作，为机器人提供向下的压力，使机器人在待测表面能够稳定运动。同时，机器人驱动轮带动机器人在待测表面移动，调整检测位姿。“双模运动能力保证了机器人能够达成核电水下关键设施检修的全场景适配。”王刚解释说。

·非接触式水下吸附技术——涡旋吸盘

水下吸附技术包括磁性吸附、真空吸附、推进器反推、伯努利负压吸附等，但这些吸附技术都有其对应的局限性。例如，磁性吸附不能应用于弱磁性材料，真空吸附对吸附表面粗糙度有一定要求，推进器反推和伯努利负压吸附所需的功耗较大，而涡旋吸盘的出现完美克服了上述技术存在的缺点。

▲2023年6月在惠州进行测试

涡旋吸盘通过叶轮的快速转动，带动腔室内的流体快速旋转产生涡流，在离心效应作用下，吸盘腔室内的流体压强减小，导致吸盘外壳的压强大于腔室内的压强，进而产生稳定的吸附力。因为涡流困在吸盘腔室内，其与外界交换的能量较小，电机只需要维持腔室内的流体的旋转便可持续产生负压吸附力，相比较于推进器反推和伯努利负压吸附，获得同等吸附力只需更小的功率。

叶轮叶片数、杯壳形状、吸附间隙和叶轮转速等关键结构和操作参数对吸盘的吸附性能均有不同程度的影响，通过大量的CFD（流体动力学模拟仿真）和实验验证优化吸盘设计，使其在满足工作指标的情况下尽量缩小尺寸和减少功耗。

▲涡旋吸盘实物图及水动力仿真图

“通过水动力仿真模拟，我们成功构建了水下吸附力与流场的关系，并依此设计了非接触式水下吸附装置，”王刚教授表示。“该装置根据传感器获取环境信息、感知机身姿态，自动调整吸附力大小，平衡吸附牢靠性与运动灵活性之间的矛盾。”他解释，该水下吸附装置不仅保证了机器人吸附的稳定性，还提高了核电水下关键部件的检测精准度和高效性。

·自主研发水下弹性驱动关节

碰撞测试中，水下弹性驱动关节是检测机器人是否与目标物体产生有效接触的核心元件。在水下环境中，机器人往往需要与周围环境或目标物体进行接触和交互，传统的接触方式存在压紧力大小难以有效控制、检测结果一致性差等问题，还可能发生错检、漏检等致命错误，严重影响核设施安全。

▲水下弹性驱动关节实物图

“为了让机器人具备较好的碰撞检测和接触控制能力，我们自主设计了一种具有力检测功能的模块化水下弹性驱动关节。”王刚教授讲解道，该自研水下弹性驱动关节具备位置、速度、力矩和混合控制等多种模式。可以通过设置参数，实现不同程度的柔韧性姿态和刚性姿态，从而适应不同的工作负载和检测需求。

▲基于模型的关节控制方法误差曲线

“关节采用基于模型的控制方法，有效减小了跟踪误差，并且大幅提高了关节的响应速度，改善了关节输出性能，在作业的过程中能够使机器人始终保持动态稳定的状态。”王刚耐心地解释了弹性驱动关节应对外部干扰具备抗冲击性的由来。水下弹性驱动关节解决了机器人在水下检测过程中与被检修设备柔性接触和模块化设计的难题，同时为未来拓展更多领域的应用打下了技术基础。

·水下复合推进器动力学耦合方法

水下机器人难以保持本体姿态稳定，需要通过推进器合理分配推力，使水下机器人在洋流干扰下仍能处于相对平衡状态。如何估计多推进器产生的耦合效应，成为有待解决的一个关键技术问题。

▲多推进器动力学耦合分析

为此，王刚教授团队提出了一种水下复合推进系统动力学耦合方法，阐释了多推进装置的互馈关系。在复杂流场下，相比于传统的线性叠加方法，该方法对推力的预测精度提升约40%。王刚强调：“更精准的推力预测也使得机器人贴壁运动更加稳定，从控制层保证了检测的精准度，使检测结果的一致性更好。”

这款水下检测机器人具备2节水流流速下的抗水流冲击能力，并且由于其三段式的总体结构可以通过变形来稳定附着在大于300mm曲率直径的曲面之上，可以对海底管道、海洋导管架、水坝等场景检测。

目前，水下检测机器人已经过相关场景下的实验室测试，通过三轴联动结构的检测工具架，完成导管架相贯焊缝的检测任务。王刚表示，未来会继续优化机器人的设计和控制方法，进一步解决“复杂桁架结构空间相贯焊缝检测”的国际公认难题。

人类正处于开发海洋资源和利用海洋空间的新阶段，以海洋为载体和纽带的经济文化交流日益密切，中国海洋安全战略永远在路上。加速海洋布局，需要促进涉海科技自主创新，推动水下特种机器人等细分技术自立自强，为应对海洋生态系统监测、海洋能源开发、核电设备水下检测等特殊场景，贡献“中国方案”。

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