本刊記者 劉 江

拉開核電機器人時代的序幕
——記中國科學院光電技術研究所高級工程師、碩士生導師馮常

本刊記者 劉 江

工作照

機器人被稱為“未來制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。我國從20世紀70年代就開始發(fā)展機器人，經(jīng)過40多年的發(fā)展，目前已完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?，各類機器人制造企業(yè)也同時脫穎而出，成為智能工業(yè)化產(chǎn)業(yè)中的一枝新秀。

智能機器人從應用環(huán)境來劃分，一般分為兩大類——工業(yè)機器人和特種機器人。馮常的研究屬于后者。作為“中國核用特種機器人先行者”的他積極參與著這場機器人時代的發(fā)展歷程。他主持發(fā)明的“反應堆水下異物打撈機器人”成為國內(nèi)首臺應用于核電站核島內(nèi)的特種機器人裝備，被《科技導報》評選為2006年國內(nèi)重大科技進步之一；近年來自主研發(fā)的“高耐輻射攝像系統(tǒng)”關鍵技術指標也達國際先進水平，耐輻射劑量率達到1×106rad/h，耐輻射總劑量達到1×108rads，也是目前國內(nèi)唯一能夠達到此項指標的高耐輻射攝像系統(tǒng)。

一心專注“中國制造”

根據(jù)國家能源發(fā)展特別是核電大發(fā)展的戰(zhàn)略需要，到2020年核電裝機容量占有率將由現(xiàn)在的2%增長到5%，相當于從現(xiàn)在到2020年平均每年增加3～4座商業(yè)核反應堆。因此，我國的核電建設還有很大的發(fā)展空間。

建得多，還要行得穩(wěn)。馮常介紹說，核電站的平均設計壽命一般在40年，其運行必須借助相關輔助產(chǎn)業(yè)的支持，特別是對核環(huán)境的監(jiān)視檢測、設備的維護保養(yǎng)、運行的診斷預測是確保核運行安全必不可少的環(huán)節(jié)。如此一來，與之相配套的核用檢測設備，特別是高耐輻射視頻傳感器將會得到廣泛應用。

然而，作為核電站必備的高耐輻射視頻傳感系統(tǒng)，產(chǎn)品長期依賴進口。為打破國外壟斷馮常深感壓力和責任重大，因此他下定決心一定要解決其中的技術難題，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的高耐輻射攝像系統(tǒng)。

從零開始，絕非易事。馮常帶領團隊歷經(jīng)兩年的潛心研究、刻苦鉆研，終于在關鍵技術上做出了重大突破，研制出低耐輻射、中耐輻射、高耐輻射、耐輻射高分辨率、耐輻射高幀頻等一系列耐輻射攝像系統(tǒng)，他們具有一個共同點，那就是通通印有“中國造”的標簽。

高耐輻射攝像系統(tǒng)一經(jīng)問世，就帶著自主創(chuàng)新特色血統(tǒng)亮相于核行業(yè)。據(jù)馮常介紹，系統(tǒng)采用耐輻射的光導管、水下動態(tài)密封、行場掃描和聚焦線圈等作為傳感器頭部；掃描線圈控制、圖像處理及驅(qū)動處理電路等作為后端控制系統(tǒng)，并通過30m特制電纜對傳感器頭部進行控制及圖像傳輸，由此達到系統(tǒng)具有耐高輻射的特性，繼而可以進入高輻射區(qū)工作。視頻傳感器頭部還可增加具有較強耐輻射能力的多個微型電機，對攝像鏡頭進行對焦、變倍、光圈控制及定向照明。

另外，水下高清耐輻射攝像系統(tǒng)采用了獨特輻射屏蔽技術，可在水平方向360度旋轉無盲區(qū)，即便在水下100米工作也依然穩(wěn)定可靠。經(jīng)多次試驗表明，該系統(tǒng)可在500Gy/h的環(huán)境劑量率條件下穩(wěn)定工作100小時。系統(tǒng)也采用了高性能高分辨率圖像穩(wěn)定傳感器，可輸出200萬像素1080P高清視頻，在精密電機驅(qū)動下，任何速度下都能捕捉到無抖動的畫面圖像。其應用在核電站燃料組件相關操作系統(tǒng)設備中，可大大提高核燃料操作的安全性，確保燃料組件入堆后能長期安全運行；在核電站大修堆芯換料過程中，該系統(tǒng)能夠全方位監(jiān)控水下燃料組件操作，以確保燃料正確就位；并可實現(xiàn)對核燃料組件進行專項水下高清外觀檢查和測量，了解燃料組件的運行狀況。此外，它還可對核電站乏燃料水池及堆芯燃料組件進行最終安全檢查，確保燃料組件正確裝載。

據(jù)悉，核級水下高分辨率耐輻射攝像系統(tǒng)目前已成功應用于國內(nèi)各大核電基地。已完全替代進口產(chǎn)品，每年為國家節(jié)約外匯達數(shù)千萬元。就這樣，馮常帶領的團隊被國內(nèi)同行譽為“核用耐輻射視頻成像技術第一團隊”。

潛心研制只為“水下機器人”

不需要呼吸氧氣，也不需要休息，就能同步實時傳回水底信息……這都是水下機器人的神奇之處。近年來，在水下搜救、海底勘探、水面應急處理等方面，水下機器人正在發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著中國核電大發(fā)展的趨勢，核電站對水下特種機器人的使用需求也在不斷提高，借鑒國際上先進核電站的寶貴經(jīng)驗，國內(nèi)核電站迫切需要一種水下爬行與潛浮雙功能機器人為核電站服役。

2000年開始，馮常主持中科院西部之光項目“水下雙功能機器人的機械手設計與分析”，并入選中科院西部之光人才培養(yǎng)計劃，獲得“西部學者”稱號。

在前期大量實驗室研究基礎上，馮常提出了一種水下爬行與潛浮機器人通用的機械手設計方案，通過正逆運動學分析、機械手工作空間的求解與仿真以及基于SolidWorks運動仿真模塊的仿真與計算，驗證了該機械手設計方案滿足要求以及搭載在爬行式和潛浮式機器人上作業(yè)的要求；并和他的團隊迅速建立了深度水下運動學模型，以得到水下特殊工況運動學特征方程，解出機械手運動學正解和逆解，以及工作空間仿真系統(tǒng)。這些研究都為之后的機械手動力學分析、實時控制和軌跡規(guī)劃提供了重要的理論基礎。

通過綜合分析國內(nèi)外智能水下檢查機器人系統(tǒng)設計后發(fā)現(xiàn)：對于這種多任務的機器人，采用傳統(tǒng)的集中控制方法很難實現(xiàn)機器人各功能模塊協(xié)作、重構等多種形式的運動。他們進而提出采用分層混合式控制結構和CAN總線技術，將導航規(guī)劃控制、仿人智能控制、成像控制、運動控制以及多傳感器等功能封裝成獨立模塊，由不同的控制器實現(xiàn)，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

團隊照

分身有術悉心人才培養(yǎng)和團隊建設

馮常不但潛心關鍵技術攻關，而且非常重視科研團隊及科技人才培養(yǎng)。近年來在他的積極主導下，先后組建了特種機器人技術、特種光電檢測技術、耐輻射視頻成像技術及水下機器視覺技術四個研究團隊。值得欣喜的是，團隊在馮常的帶領下陸續(xù)開發(fā)出了數(shù)十個型號產(chǎn)品，基本覆蓋了國內(nèi)現(xiàn)役核電站、核設施基地、核廢料處理等領域，團隊骨干也由原來的寥寥幾人，發(fā)展到如今30多人。

作為碩士生導師，馮常還承擔起繁重的研究生指導工作。盡管日常的科研工作異常繁忙，他仍每天抽出時間安排和學生共同討論技術問題，參與到課題組進行指導共同試驗，每次從研究生選題到其中關鍵問題的解決都傾注了他大量的心血。他的學生們都表示自己遇到了一位好導師，畢業(yè)多年后仍舊想念這個團隊。

憶起往昔崢嶸歲月，馮常感概頗深。1996年，馮常畢業(yè)于重慶大學機械電子工程專業(yè)，2003年碩士畢業(yè)于電子科技大學光學工程專業(yè)。他勤奮刻苦，不畏艱難，在科研的道路上不斷攻艱克難，直到如今成長為中國科學院光電技術研究所微電子裝備總體研究室副主任。他先后參與了多個“863”“973”等國家重大科研任務及專項。近年來在國內(nèi)權威媒體上發(fā)表文章10余篇，申請發(fā)明專利6項，實用新型專利10余項。培養(yǎng)碩士研究生8名。

未來，馮常不會止步于此，“路漫漫而修遠兮，吾將上下而求索，我將繼續(xù)在科研道路上遠行”。近期，馮常計劃在原有技術研發(fā)基礎及現(xiàn)有平臺上，加大科研力量投入，爭取在核電救災應急機器人的模塊化、小型化技術研究上取得突破，同時在水下3D掃描及測量、伽馬射線成像等方面開展研究。工欲善其事，必先利其器，馮常長期專注“器”之研究，必將在我國核工程光電檢測領域奠定更加堅實的基礎、書寫下濃墨重彩的一筆。