Атомботы
ТЕМА НОМЕРА / #6_2019
Автор: Ингард ШУЛЬГА / Фото: Envato.com, Cybernetix.fr, Dailytitan.com, Irid.or.jp, Ncnr.org.uk Росатом, Flickr.com
Сегодня, когда в передовых государствах присутствие роботов ощущается в большинстве отраслей, впору вспомнить сферу, где они появились едва ли не раньше, чем где бы то ни было. Получив постоянную прописку в атомной индустрии примерно 60 лет назад, в наши дни роботизированные устройства «ядерных» специализаций подошли к порогу ускоренного развития.
Роботы — один из краеугольных камней «Индустрии 4.0», которую принято ассоциировать с четвертой промышленной революцией. Стремительное внедрение робототехники переросло в настоящий бум.
По данным Международной федерации робототехники (IFR), в 2018 году в мире было продано более 420 тыс. промышленных, свыше 270 тыс. профессиональных сервисных и 16,3 млн персональных и развлекательных роботов. Эти цифры в разы превышают показатели десятилетней давности, то есть темпы роботизации быстро нарастают. В мире уже действует свыше 2,5 млн производственных промышленных роботов, а к 2022 году их число может достигнуть 4 млн.
Бóльшая часть парка робототехники приходится на два десятка стран, сильно опережающих среднемировой уровень. По количественным показателям оснащенности индустрии робототехникой лидируют Сингапур (примерно один робот на 12 работников), Южная Корея (~1/13), Германия (~1/30), Япония (~1/31), Швеция (~1/41). В число прочих лидеров по этому параметру также не первый год входят Дания, остров Тайвань, США, Италия, Бельгия.
Однако по абсолютному объему рынка — общему количеству ежегодно внедряемых роботов — устойчиво лидирует Китай, где за последние 10 лет темпы роботизации выросли на два порядка. За Поднебесной с троекратным отрывом следует Япония, потом США, Южная Корея и Германия. На эти пять стран приходится около ¾ мирового рынка промышленных роботов.
Производственные роботы наиболее широко применяются в автомобилестроении, электронике и электротехнике, металлургии, химической промышленности и агропромышленном комплексе (АПК). Профессиональные сервисные роботы чаще всего используются в логистике, медицине, АПК и военной сфере.
На этом фоне масштабы применения роботов в атомной отрасли пока малозаметны.
По данным Международной федерации робототехники (IFR), в 2018 году в мире было продано более 420 тыс. промышленных, свыше 270 тыс. профессиональных сервисных и 16,3 млн персональных и развлекательных роботов. Эти цифры в разы превышают показатели десятилетней давности, то есть темпы роботизации быстро нарастают. В мире уже действует свыше 2,5 млн производственных промышленных роботов, а к 2022 году их число может достигнуть 4 млн.
Бóльшая часть парка робототехники приходится на два десятка стран, сильно опережающих среднемировой уровень. По количественным показателям оснащенности индустрии робототехникой лидируют Сингапур (примерно один робот на 12 работников), Южная Корея (~1/13), Германия (~1/30), Япония (~1/31), Швеция (~1/41). В число прочих лидеров по этому параметру также не первый год входят Дания, остров Тайвань, США, Италия, Бельгия.
Однако по абсолютному объему рынка — общему количеству ежегодно внедряемых роботов — устойчиво лидирует Китай, где за последние 10 лет темпы роботизации выросли на два порядка. За Поднебесной с троекратным отрывом следует Япония, потом США, Южная Корея и Германия. На эти пять стран приходится около ¾ мирового рынка промышленных роботов.
Производственные роботы наиболее широко применяются в автомобилестроении, электронике и электротехнике, металлургии, химической промышленности и агропромышленном комплексе (АПК). Профессиональные сервисные роботы чаще всего используются в логистике, медицине, АПК и военной сфере.
На этом фоне масштабы применения роботов в атомной отрасли пока малозаметны.
Наследственные признаки
Атомная индустрия была одной из первых сфер деятельности человека, где начали применяться роботизированные устройства. Это объясняется опасностью или невозможностью прямого участия человека в некоторых операциях, связанных с высокой радиацией или токсичностью. Поэтому возникла необходимость применения технологий опосредованного управления рядом процессов или их автоматизации, частичной либо полной. Среди первых разработок такого рода были дистанционно управляемые мобильные манипуляторы. Уже в 1950—1960-х годах появились такие устройства, разработанные, в частности, американскими компаниями Hughes Aircraft, Westinghouse, Martin Marietta для площадок ядерно-оружейного комплекса США в Хэнфорде, Окридже, Саванна-Ривер.
С того времени закрепилась традиция давать некоторым роботам человеческие имена: например, разработку Westinghouse назвали Луи (Louie), а аналогичную машину Martin Marietta — Германом (Herman). В те же годы интенсивно внедрялись канальные реакторы разных типов, работавшие на природном и слабообогащенном уране и требовавшие частой перегрузки топлива без глушения всего реактора. Это привело к появлению первых роботизированных систем регулярной загрузки-выгрузки топлива и обращения с ОЯТ.
После возникновения в 1960-х годах ядерной энергетики промышленного масштаба роботизация стала постепенно проникать в гражданский сектор отрасли. Важнейшими сферами применения роботизированных систем стали обращение с радиоактивными материалами, эксплуатация АЭС, а позже — ликвидация последствий ядерных аварий и демонтаж объектов использования атомной энергии. Для выполнения этих функций от робототехники, как правило, требовались особые качества, не нужные в большинстве других областей использования роботов: устойчивость к экстремальным внешним воздействиям, исключительная мобильность и чрезвычайная надежность.
По устойчивости к неблагоприятным внешним факторам некоторые атомные роботы сравнимы с немногими аналогами в других сферах применения, прежде всего — с военными, космическими и глубоководными роботизированными системами. Защита от радиации в ядерной индустрии беспрецедентна: отдельные роботизированные устройства приспособлены для действий в активной зоне остановленного атомного реактора, в бассейне выдержки или для непосредственных манипуляций с «горячими» ОЯТ и ВАО. Даже роботы с радиационно уязвимой аппаратурой (электроника, навигационные системы, камеры и др.), в задачу которых не входит «лезть в самое пекло», могут работать в среде, где доза для человека составила бы десятки зивертов в час (для сравнения: японские нормативы для участника ликвидации аварии на АЭС «Фукусима‑1» соответствуют 1/20 зиверта в год).
Атомная индустрия была одной из первых сфер деятельности человека, где начали применяться роботизированные устройства. Это объясняется опасностью или невозможностью прямого участия человека в некоторых операциях, связанных с высокой радиацией или токсичностью. Поэтому возникла необходимость применения технологий опосредованного управления рядом процессов или их автоматизации, частичной либо полной. Среди первых разработок такого рода были дистанционно управляемые мобильные манипуляторы. Уже в 1950—1960-х годах появились такие устройства, разработанные, в частности, американскими компаниями Hughes Aircraft, Westinghouse, Martin Marietta для площадок ядерно-оружейного комплекса США в Хэнфорде, Окридже, Саванна-Ривер.
С того времени закрепилась традиция давать некоторым роботам человеческие имена: например, разработку Westinghouse назвали Луи (Louie), а аналогичную машину Martin Marietta — Германом (Herman). В те же годы интенсивно внедрялись канальные реакторы разных типов, работавшие на природном и слабообогащенном уране и требовавшие частой перегрузки топлива без глушения всего реактора. Это привело к появлению первых роботизированных систем регулярной загрузки-выгрузки топлива и обращения с ОЯТ.
После возникновения в 1960-х годах ядерной энергетики промышленного масштаба роботизация стала постепенно проникать в гражданский сектор отрасли. Важнейшими сферами применения роботизированных систем стали обращение с радиоактивными материалами, эксплуатация АЭС, а позже — ликвидация последствий ядерных аварий и демонтаж объектов использования атомной энергии. Для выполнения этих функций от робототехники, как правило, требовались особые качества, не нужные в большинстве других областей использования роботов: устойчивость к экстремальным внешним воздействиям, исключительная мобильность и чрезвычайная надежность.
По устойчивости к неблагоприятным внешним факторам некоторые атомные роботы сравнимы с немногими аналогами в других сферах применения, прежде всего — с военными, космическими и глубоководными роботизированными системами. Защита от радиации в ядерной индустрии беспрецедентна: отдельные роботизированные устройства приспособлены для действий в активной зоне остановленного атомного реактора, в бассейне выдержки или для непосредственных манипуляций с «горячими» ОЯТ и ВАО. Даже роботы с радиационно уязвимой аппаратурой (электроника, навигационные системы, камеры и др.), в задачу которых не входит «лезть в самое пекло», могут работать в среде, где доза для человека составила бы десятки зивертов в час (для сравнения: японские нормативы для участника ликвидации аварии на АЭС «Фукусима‑1» соответствуют 1/20 зиверта в год).
Школа аварий
За последние четыре десятилетия атомная робототехника получила несколько мощных импульсов для развития после аварий на ядерных и радиационно опасных объектах: прежде всего на АЭС «Три-Майл-Айленд» в США в 1979 году, Чернобыльской станции в СССР в 1986 году, на заводе ЯТЦ в японской Токаймуре в 1999 году и на АЭС «Фукусима‑1» в 2011 году.
Авария на втором энергоблоке АЭС «Три-Майл-Айленд» в марте 1979 года привела к расплавлению активной зоны, радиоактивному загрязнению внутренней части контейнмента и вспомогательных зданий, а также к незначительной утечке радиоактивности в окружающую среду. В течение многих лет ряд помещений оставались недоступными для персонала, и к ликвидации последствий активно привлекались роботы. Специально созданная для этого Университетом Карнеги-Меллон (CMU) машина RRV (неформально Rover) представляла собой многофункциональный, удаленно управляемый посредством кабеля шестиколесный вездеход. На станции использовались три таких робота, два из которых действовали в наиболее загрязненных помещениях и осуществляли замеры радиации (достигавшей 10−30 Зв/ч) и других параметров, передачу видеоизображения от трех телекамер, сбор образцов, снятие и удаление радиоактивно загрязненного слоя бетона с пола контейнмента и некоторые демонтажные работы. Робот Louie, две усовершенствованные модификации которого работали на АЭС «Три-Майл-Айленд», был создан ранее Westinghouse для площадки ядерно-оружейного комплекса в Хэнфорде, штат Вашингтон. Это был многоцелевой манипулятор с громоздкими камерами и освещением, установленный на гусеничную тележку. Один из этих «одноруких» роботов использовался для замера радиации в местах, недоступных для RRV; второй применялся для очистительных работ. Робот Fred весом около 200 кг представлял собой удаленно управляемый манипулятор, способный поднять груз весом с человека на двухметровую высоту. Он был установлен на шестиколесную полноприводную тележку, оснащен мойкой высокого давления и использовался для очистки помещений и оборудования во вспомогательных зданиях. Один из первых «атомных» мини-роботов SISI весом около 12 кг и размером с микроволновку был на гусеничном ходу и занимался осмотром и измерением радиации вокруг загрязненного вспомогательного оборудования.
Под влиянием аварии на АЭС «Три-Майл-Аленд» в 1980-х годах был разработан целый ряд новых роботов для атомной отрасли, таких как IRIS, ODEX, Kluge, Rocomp, Surbot, Surveyor (тезка современной разработки GE Hitachi). Особенно революционным для того времени казался ODEX, созданный компанией Odetics (позже Iteris) и доработанный американским Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI). Этот «шестилапый» шагающий робот-паук при весе 170 кг мог приподнять легковой автомобиль и нести до 400 кг груза. Он обладал автономной энергетикой и невиданной по тем временам ловкостью движений благодаря координации с помощью нескольких микропроцессоров и участию удаленного оператора или компьютера.
Еще более серьезным полигоном для испытаний робототехники стала авария на Чернобыльской АЭС, произошедшая в апреле 1986 года. В результате сильнейшей по радиационным последствиям катастрофы в истории ядерной энергетики было разрушено реакторное здание, а сама станция и окружающие районы радиоактивно загрязнены, что потребовало масштабных работ по приведению объекта в безопасное состояние, очистке и дезактивации. Использовались уже существовавшие на тот момент, доработанные или вновь сконструированные роботы и дистанционно управляемые устройства, созданные в СССР при сотрудничестве нескольких десятков организаций, а также купленные за рубежом. Начиная с первых месяцев после катастрофы такие системы с разной степенью успешности применялись для визуального осмотра и измерения радиации (машины радиационной разведки типа РР, РР-Г, РКК, РДК, РДГ), разбора завалов, тяжелых земляных работ в районе станции, захоронения РАО (машины разграждения и тяжелые бульдозеры: советский «Клин‑1», финский Tamrock, японский Kamatsu D‑155, немецкий Liebherr PR751 и др.); расчистки, снятия и удаления радиоактивно загрязненного слоя на станции, в том числе на крышах зданий (СТР‑1, МОБОТ, ТР-А, ТР-Б, ТР-Г, ДДК-Р1, немецкие MF2, и MF3); погрузки РАО (ПДП, финский манипулятор Foresteri); дезактивации и сбора отдельных радиоактивных фрагментов («Урал», «Крот», РПБ, «Белоярец») и т. д.
В целом, по оценкам разных специалистов, эффективность применения таких устройств в первой, самой тяжелой фазе ликвидации последствий аварии в Чернобыле оказалась невысокой, и бóльшую часть работ выполнили люди — вручную или в биозащищенной технике. Многие роботизированные устройства оказались неэффективными или неспособными работать в условиях сильных радиационных полей (сотни и тысячи рентген в час), выводивших из строя аппаратуру, быстро разряжавших источники питания. Они не обладали достаточной проходимостью, действенными инструментами, надежностью и т. д. Среди роботизированных устройств, вызвавших наименьшие нарекания и принесших ощутимую пользу, были, в частности, машины типа МОБОТ, СТР‑1, «Клин‑1», ДДК-Р‑1, ТР-Г, РКК‑1, ПДП. МОБОТ, разработанный МВТУ им. Н. Э. Баумана, в усовершенствованной модификации МОБОТ Ч-ХВ‑2 (от «мобильный робот, Чернобыль, химические войска»), представлял собой компактную гусеничную машину весом порядка полутонны, оснащенную фронтальным погрузчиком с бульдозерным ковшом, отбойным молотком, манипулятором с грейфером (клещевым хватом для обломков и сыпучих грузов). Робот был оснащен электромеханическими приводами, управлялся и получал энергию по кабелю, оборудованному кабелеукладчиком, и мог передавать операторам визуальную (от двух телекамер), акустическую и дозиметрическую информацию. СТР‑1 (специализированный транспортный робот), в котором были соединены разработки ВНИИТрансмаша, ГосИФТП, ВНИИ АЭС, НПО «Энергия» и других организаций, представлял собой легкий (1,1 тонны) радиоуправляемый бульдозер с регулируемым ковшом, телекамерами, автономным электропитанием и шасси, созданным на основе конструкций луноходов и концептуального марсохода. «Клин‑1», разработку которого возглавлял ВНИИТрансмаш, был тяжелой многоцелевой машиной — роботизированной версией ИРМ (инженерной машины разграждения), созданной на основе танка Т‑72 для расчистки завалов и обеспечения прохода войск. «Клин‑1» оснащался бульдозерным отвалом, мощным манипулятором, грейфером, телекамерами, дозиметрическими приборами. Роботизированная машина действовала в полях повышенной радиации и управлялась по радиоканалу из располагавшейся поодаль машины управления. «Клин‑1», наряду с другой тяжелой техникой, снимал слой почвы вокруг станции, валил погибший, радиоактивно загрязненный лес, расчищал наиболее серьезные завалы, осуществлял дозиметрическую разведку.
В целом робототехника образца второй половины 1980-х годов оказалась слабо подготовленной к аварии такого масштаба. Необходимые устройства приходилось создавать или дорабатывать в спешке. После локализации «горячих» последствий аварии и сооружения объекта «Укрытие», ограничившего утечку радиоактивности в окружающую среду, появилась возможность более планомерно развивать робототехнику для Чернобыля. За прошедшие три десятилетия было создано много образцов такой техники, привлекавшейся к работам на станции. Это были, в частности, компактные дистанционно управляемые агрегаты, разработанные совместно украинскими и российскими организациями для действий в наиболее опасных зонах внутри «Укрытия» или на его периферии. Среди них: ТР‑3 (для визуального обследования внутренних помещений «Укрытия»), ТР‑4 (для отбора проб в радиоактивных завалах), ТР‑7 (для покрытия сильно фрагментированных РАО пылеподавляющими материалами), ТР‑11 (для дробления топливосодержащих осколков), ТР‑12 (для удаления труб реакторного контура), КТ (для упаковки РАО), КТ‑100 (для обследования наиболее радиационно опасных помещений), «Магнитоход» (для дозиметрического обследования опасных участков на металлических конструкциях «Укрытия»), ИЛ (для извлечения наиболее активных фрагментов из недр «Укрытия») и др.
Следующие после Чернобыля встряски мировой сектор «атомной» робототехники получил в Японии. В 1999 году на маленьком заводе по переработке урана в Токаймуре произошла авария с радиационными последствиями и жертвами (двое погибли): из-за нарушения технологии и техники безопасности возникла спонтанная цепная реакция в урановом материале, которая продолжалась около 20 часов. Вскоре после этого правительство Японии выделило средства на разработку новых технологий локализации ядерных аварий, и несколько японских организаций — Центр технологий ядерной безопасности (NSTC), Японский исследовательский институт атомной энергии (JAERI, ныне JAEA — ведущая японская организация атомных НИОКР) и Центр производственных науки и технологий (MSTC) — инициировали программы создания новых роботов, предназначенных для действий в аварийных ситуациях. К проектам были привлечены компании Hitachi, MHI, Toshiba, французская Cybernetix. В результате менее чем за два года были разработаны новые роботы и их семейства: Monirobo, RESQ, RaBOT, SMERT, MARS, MENHIR и SWAN. В частности, SWAN, созданный MSTC и Hitachi, — многоцелевой робот на трансформируемых гусеницах, способных менять конфигурацию для преодоления препятствий. Он может проводить визуальный осмотр тремя камерами, радиационную разведку, сбор образцов. У робота имеется сложный манипулятор с собственной миниатюрной камерой на нем и сменяемыми во время миссии рабочими органами, приспособленными для разнообразных операций. Проект RESQ (от JAERI/JAEA и Hitachi) — это три разных взаимодополняющих робота, предназначенных главным образом для обследования и осмотра аварийных объектов. Самый компактный из них — RESQ-A, на полноприводном четырехколесном шасси, создан для визуального осмотра камерами, размещенными на подъемной этажерке. RESQ-B на гусеничном ходу представляет собой передвижную лабораторию для замера радиации и других параметров среды. Гусеничный RESQ-С приспособлен для сбора образцов. Два последних робота оснащены манипуляторами для сложных активных действий. RaBOT (созданный JAERI/JAEA и MHI) — многоцелевое устройство с некоторыми антропоморфными чертами в дизайне, на двух совмещенных парах гусениц, с двумя способными действовать согласованно «руками"-манипуляторами и камерами в „голове“. SMERT-М (MSTC и Toshiba) — гусеничный робот, несущий на себе маленькую колесную машину SMERT-K, с помощью которой обследуются труднодоступные места. SMERT-М включает обычные и инфракрасную камеры, средства для измерения гамма- и нейтронного излучения, концентрации кислорода и водорода, температуры и влажности. Он оснащен сложным манипулятором для разнообразных действий. Большинство перечисленных роботов рассчитаны на работу в полях высокой радиации (десятки зивертов в час), могут функционировать в беспроводном режиме, но предусмотрен и кабельный вариант на случай сильных радиопомех. Все они — относительно компактные машины (габариты — в пределах 1−2 метров, вес — до нескольких сотен килограммов), приспособленные для работы в ограниченных пространствах, в условиях затрудненного передвижения.
В общем, к началу нынешнего века в Японии была разработана целая плеяда специализированных роботов для атомной отрасли, в конструкции которых учтены опыт и потребности предыдущих ядерных аварий и воплощены современные технологические достижения. Однако они остались на уровне опытных образцов и не были внедрены в виде, например, мобильных роботизированных подразделений для локализации ядерных аварий, созданных во Франции, Германии и некоторых других странах. Это объясняется принятой государством в 2000-х годах концепцией ядерной безопасности, в которой делалась ставка на полное исключение запроектных аварий, а не на локализацию их последствий. Финансирование проектов с новыми роботами было прекращено, большинство опытных экземпляров ржавели на складах или были разобраны (RESQ, RaBOT), нашли свое место в музеях или пожарных командах (SMERT, MENHIR и SWAN), а в отношении некоторых были утеряны ключевые ноу-хау и кадры (например, RESQ).
В результате Япония, известная своими достижениями в ряде других областей робототехники (антропоморфные и зооморфные роботы, многие сервисные и промышленные машины), к моменту аварии на АЭС „Фукусима‑1“ в марте 2011 года оказалась без собственной линейки экстремальных роботов и была вынуждена привлекать многочисленные зарубежные разработки (из США, Франции, Великобритании, Швеции и т. д.) и срочно создавать заново свои. Для ликвидации последствий Фукусимы большинство поставщиков экстремальной робототехники предложили десятки роботов.
Так, для осмотра и радиационных замеров на станции, взятия проб использовались роботы PackBot и Warrior (созданные iRobot), Talon и DR‑20 (от QinetiQ), T-Hawk (Honeywell), Survey Runner (Topy Industries), MEISTeR (MHI и IRID — японской организацией НИОКР в сфере вывода из эксплуатации), Frigoma (MELCO), Rosemary, Sakura и Quince (разработки Технологического института Чибы в сотрудничестве с другими научными организациями), J‑3 (от JAEA), HaSR (разработка японского Института передовой промышленной науки и технологий — AIST и компании Honda Motor) и т.д.
В частности, для обследования контейнмента изнутри были созданы устройства PMORPH (от Hitachi и IRID), Scorpion, Mini Mola Mola и Tetrapod (Toshiba в сотрудничестве с IRID) и др. Для расчистки завалов, демонтажа конструкций на площадке применялись роботы ASTACO-SoRa (от Hitachi), Brokk 90 и Brokk 330 (одноименной шведской фирмы), Spartacus/Bobcat (совместные изделия компаний Bobcat и QinetiQ), различные дистанционно управляемые экскаваторы, бульдозеры, грузовики, погрузчики. К уборке и дезактивации в помещениях станции привлекались машины Raccoon (создана Atox), DX‑140 (Husqvarna), Warrior (iRobot), Revi (Toshiba), MEISTeR и Super-Giraffe (разработки MHI и IRID), Arounder (IRID) и т. д. Некоторые из перечисленных машин созданы на основе разработок, последовавших за аварией в Токаймуре, например, J‑3 представляет собой доработанный вариант RESQ-A, MEISTeR создан на базе RaBOT, а Super-Giraffe является продолжением проекта MARS.
Среди разработок, появившихся под влиянием Фукусимы, можно выделить, например, PMORPH — один из примеров современных мини-роботов, способных менять форму для проникновения в труднодоступные места: при весе менее 8 кг и диаметре около 10 см он состоит из трех звеньев, которые могут поворачиваться относительно друг друга под прямым углом: пройдя через узкий канал, PMORPH принимает П-образную форму, в которой может устойчиво ползти на гусеницах, вмонтированных в его боковые сегменты. Робот предназначен для визуальной и дозиметрической разведки, измерения температуры в условиях высокой радиации: его камеры рассчитаны на суммарную дозу 1000 Зв. Это было первое устройство, с помощью которого провели удачную серию обследований нижней части контейнмента аварийного блока № 1 АЭС „Фукусима‑1“. Другая машина схожего назначения и габаритов, получившая неформальное имя Mini Mola Mola (или Little Sunfish — "Луна-рыбка»), может проводить аналогичную разведку в затопленном контейнменте, плавая в радиоактивной воде при помощи пяти винтов. Робот весом всего ~2 кг имеет диаметр ~13 см и длину ~27 см, несет на себе две разнонаправленные камеры. Пример многофункционального робота — MEISTeR, использование которого на Фукусиме началось в 2014 году. Это устройство весом 440 кг на четырех гусеницах может преодолевать подъемы крутизной до 40° и ступени высотой 22 см, способно осуществлять как разведку, так и механические работы посредством двух манипуляторов со сменным инструментарием, обладающих семью степенями свободы: очистку и дезактивацию горизонтальных и вертикальных поверхностей с помощью мощного пылесоса, резку и демонтаж металлических конструкций, открывание/закрывание клапанов и дверей, сверление отверстий, взятие проб из бетонных поверхностей, ремонт и т. д.
Робот может управляться и получать энергию по кабелю или обходиться без него (аккумулятора хватает на два часа). MHI создает усовершенствованный вариант этой машины — MEISTeR-II. Необычный робот, разработанный для демонтажных работ и дезактивации на Фукусиме, — Super-Giraffe. Эта колесная радиоуправляемая машина приличного веса (4 тонны), но относительно компактных габаритов (длиной 235 см и шириной всего 80 см) может работать в помещениях на высоте до восьми метров с помощью выдвижной штанги, на конце которой установлен манипулятор с семью степенями подвижности, способный работать с объектами весом до 20 кг. Манипулятор имеет сменное (дистанционно устанавливаемое) приспособление для открытия и закрытия клапанов; в перспективе инструментарий планируется расширить. Робот может функционировать и в режиме крана, поднимая на восьмиметровую высоту до 150 кг. Литий-ионный аккумулятор рассчитан на пять часов работы.
Процесс создания и совершенствования роботов для Фукусимы в самом разгаре: многие перечисленные и другие компании планируют новые машины под задачи следующих этапов вывода из эксплуатации этой площадки. Таким образом, японская авария стала беспрецедентным в истории атомной энергетики полигоном для создания и обкатки все более совершенной робототехники «атомного» профиля.
Авария на втором энергоблоке АЭС «Три-Майл-Айленд» в марте 1979 года привела к расплавлению активной зоны, радиоактивному загрязнению внутренней части контейнмента и вспомогательных зданий, а также к незначительной утечке радиоактивности в окружающую среду. В течение многих лет ряд помещений оставались недоступными для персонала, и к ликвидации последствий активно привлекались роботы. Специально созданная для этого Университетом Карнеги-Меллон (CMU) машина RRV (неформально Rover) представляла собой многофункциональный, удаленно управляемый посредством кабеля шестиколесный вездеход. На станции использовались три таких робота, два из которых действовали в наиболее загрязненных помещениях и осуществляли замеры радиации (достигавшей 10−30 Зв/ч) и других параметров, передачу видеоизображения от трех телекамер, сбор образцов, снятие и удаление радиоактивно загрязненного слоя бетона с пола контейнмента и некоторые демонтажные работы. Робот Louie, две усовершенствованные модификации которого работали на АЭС «Три-Майл-Айленд», был создан ранее Westinghouse для площадки ядерно-оружейного комплекса в Хэнфорде, штат Вашингтон. Это был многоцелевой манипулятор с громоздкими камерами и освещением, установленный на гусеничную тележку. Один из этих «одноруких» роботов использовался для замера радиации в местах, недоступных для RRV; второй применялся для очистительных работ. Робот Fred весом около 200 кг представлял собой удаленно управляемый манипулятор, способный поднять груз весом с человека на двухметровую высоту. Он был установлен на шестиколесную полноприводную тележку, оснащен мойкой высокого давления и использовался для очистки помещений и оборудования во вспомогательных зданиях. Один из первых «атомных» мини-роботов SISI весом около 12 кг и размером с микроволновку был на гусеничном ходу и занимался осмотром и измерением радиации вокруг загрязненного вспомогательного оборудования.
Под влиянием аварии на АЭС «Три-Майл-Аленд» в 1980-х годах был разработан целый ряд новых роботов для атомной отрасли, таких как IRIS, ODEX, Kluge, Rocomp, Surbot, Surveyor (тезка современной разработки GE Hitachi). Особенно революционным для того времени казался ODEX, созданный компанией Odetics (позже Iteris) и доработанный американским Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI). Этот «шестилапый» шагающий робот-паук при весе 170 кг мог приподнять легковой автомобиль и нести до 400 кг груза. Он обладал автономной энергетикой и невиданной по тем временам ловкостью движений благодаря координации с помощью нескольких микропроцессоров и участию удаленного оператора или компьютера.
Еще более серьезным полигоном для испытаний робототехники стала авария на Чернобыльской АЭС, произошедшая в апреле 1986 года. В результате сильнейшей по радиационным последствиям катастрофы в истории ядерной энергетики было разрушено реакторное здание, а сама станция и окружающие районы радиоактивно загрязнены, что потребовало масштабных работ по приведению объекта в безопасное состояние, очистке и дезактивации. Использовались уже существовавшие на тот момент, доработанные или вновь сконструированные роботы и дистанционно управляемые устройства, созданные в СССР при сотрудничестве нескольких десятков организаций, а также купленные за рубежом. Начиная с первых месяцев после катастрофы такие системы с разной степенью успешности применялись для визуального осмотра и измерения радиации (машины радиационной разведки типа РР, РР-Г, РКК, РДК, РДГ), разбора завалов, тяжелых земляных работ в районе станции, захоронения РАО (машины разграждения и тяжелые бульдозеры: советский «Клин‑1», финский Tamrock, японский Kamatsu D‑155, немецкий Liebherr PR751 и др.); расчистки, снятия и удаления радиоактивно загрязненного слоя на станции, в том числе на крышах зданий (СТР‑1, МОБОТ, ТР-А, ТР-Б, ТР-Г, ДДК-Р1, немецкие MF2, и MF3); погрузки РАО (ПДП, финский манипулятор Foresteri); дезактивации и сбора отдельных радиоактивных фрагментов («Урал», «Крот», РПБ, «Белоярец») и т. д.
В целом, по оценкам разных специалистов, эффективность применения таких устройств в первой, самой тяжелой фазе ликвидации последствий аварии в Чернобыле оказалась невысокой, и бóльшую часть работ выполнили люди — вручную или в биозащищенной технике. Многие роботизированные устройства оказались неэффективными или неспособными работать в условиях сильных радиационных полей (сотни и тысячи рентген в час), выводивших из строя аппаратуру, быстро разряжавших источники питания. Они не обладали достаточной проходимостью, действенными инструментами, надежностью и т. д. Среди роботизированных устройств, вызвавших наименьшие нарекания и принесших ощутимую пользу, были, в частности, машины типа МОБОТ, СТР‑1, «Клин‑1», ДДК-Р‑1, ТР-Г, РКК‑1, ПДП. МОБОТ, разработанный МВТУ им. Н. Э. Баумана, в усовершенствованной модификации МОБОТ Ч-ХВ‑2 (от «мобильный робот, Чернобыль, химические войска»), представлял собой компактную гусеничную машину весом порядка полутонны, оснащенную фронтальным погрузчиком с бульдозерным ковшом, отбойным молотком, манипулятором с грейфером (клещевым хватом для обломков и сыпучих грузов). Робот был оснащен электромеханическими приводами, управлялся и получал энергию по кабелю, оборудованному кабелеукладчиком, и мог передавать операторам визуальную (от двух телекамер), акустическую и дозиметрическую информацию. СТР‑1 (специализированный транспортный робот), в котором были соединены разработки ВНИИТрансмаша, ГосИФТП, ВНИИ АЭС, НПО «Энергия» и других организаций, представлял собой легкий (1,1 тонны) радиоуправляемый бульдозер с регулируемым ковшом, телекамерами, автономным электропитанием и шасси, созданным на основе конструкций луноходов и концептуального марсохода. «Клин‑1», разработку которого возглавлял ВНИИТрансмаш, был тяжелой многоцелевой машиной — роботизированной версией ИРМ (инженерной машины разграждения), созданной на основе танка Т‑72 для расчистки завалов и обеспечения прохода войск. «Клин‑1» оснащался бульдозерным отвалом, мощным манипулятором, грейфером, телекамерами, дозиметрическими приборами. Роботизированная машина действовала в полях повышенной радиации и управлялась по радиоканалу из располагавшейся поодаль машины управления. «Клин‑1», наряду с другой тяжелой техникой, снимал слой почвы вокруг станции, валил погибший, радиоактивно загрязненный лес, расчищал наиболее серьезные завалы, осуществлял дозиметрическую разведку.
В целом робототехника образца второй половины 1980-х годов оказалась слабо подготовленной к аварии такого масштаба. Необходимые устройства приходилось создавать или дорабатывать в спешке. После локализации «горячих» последствий аварии и сооружения объекта «Укрытие», ограничившего утечку радиоактивности в окружающую среду, появилась возможность более планомерно развивать робототехнику для Чернобыля. За прошедшие три десятилетия было создано много образцов такой техники, привлекавшейся к работам на станции. Это были, в частности, компактные дистанционно управляемые агрегаты, разработанные совместно украинскими и российскими организациями для действий в наиболее опасных зонах внутри «Укрытия» или на его периферии. Среди них: ТР‑3 (для визуального обследования внутренних помещений «Укрытия»), ТР‑4 (для отбора проб в радиоактивных завалах), ТР‑7 (для покрытия сильно фрагментированных РАО пылеподавляющими материалами), ТР‑11 (для дробления топливосодержащих осколков), ТР‑12 (для удаления труб реакторного контура), КТ (для упаковки РАО), КТ‑100 (для обследования наиболее радиационно опасных помещений), «Магнитоход» (для дозиметрического обследования опасных участков на металлических конструкциях «Укрытия»), ИЛ (для извлечения наиболее активных фрагментов из недр «Укрытия») и др.
Следующие после Чернобыля встряски мировой сектор «атомной» робототехники получил в Японии. В 1999 году на маленьком заводе по переработке урана в Токаймуре произошла авария с радиационными последствиями и жертвами (двое погибли): из-за нарушения технологии и техники безопасности возникла спонтанная цепная реакция в урановом материале, которая продолжалась около 20 часов. Вскоре после этого правительство Японии выделило средства на разработку новых технологий локализации ядерных аварий, и несколько японских организаций — Центр технологий ядерной безопасности (NSTC), Японский исследовательский институт атомной энергии (JAERI, ныне JAEA — ведущая японская организация атомных НИОКР) и Центр производственных науки и технологий (MSTC) — инициировали программы создания новых роботов, предназначенных для действий в аварийных ситуациях. К проектам были привлечены компании Hitachi, MHI, Toshiba, французская Cybernetix. В результате менее чем за два года были разработаны новые роботы и их семейства: Monirobo, RESQ, RaBOT, SMERT, MARS, MENHIR и SWAN. В частности, SWAN, созданный MSTC и Hitachi, — многоцелевой робот на трансформируемых гусеницах, способных менять конфигурацию для преодоления препятствий. Он может проводить визуальный осмотр тремя камерами, радиационную разведку, сбор образцов. У робота имеется сложный манипулятор с собственной миниатюрной камерой на нем и сменяемыми во время миссии рабочими органами, приспособленными для разнообразных операций. Проект RESQ (от JAERI/JAEA и Hitachi) — это три разных взаимодополняющих робота, предназначенных главным образом для обследования и осмотра аварийных объектов. Самый компактный из них — RESQ-A, на полноприводном четырехколесном шасси, создан для визуального осмотра камерами, размещенными на подъемной этажерке. RESQ-B на гусеничном ходу представляет собой передвижную лабораторию для замера радиации и других параметров среды. Гусеничный RESQ-С приспособлен для сбора образцов. Два последних робота оснащены манипуляторами для сложных активных действий. RaBOT (созданный JAERI/JAEA и MHI) — многоцелевое устройство с некоторыми антропоморфными чертами в дизайне, на двух совмещенных парах гусениц, с двумя способными действовать согласованно «руками"-манипуляторами и камерами в „голове“. SMERT-М (MSTC и Toshiba) — гусеничный робот, несущий на себе маленькую колесную машину SMERT-K, с помощью которой обследуются труднодоступные места. SMERT-М включает обычные и инфракрасную камеры, средства для измерения гамма- и нейтронного излучения, концентрации кислорода и водорода, температуры и влажности. Он оснащен сложным манипулятором для разнообразных действий. Большинство перечисленных роботов рассчитаны на работу в полях высокой радиации (десятки зивертов в час), могут функционировать в беспроводном режиме, но предусмотрен и кабельный вариант на случай сильных радиопомех. Все они — относительно компактные машины (габариты — в пределах 1−2 метров, вес — до нескольких сотен килограммов), приспособленные для работы в ограниченных пространствах, в условиях затрудненного передвижения.
В общем, к началу нынешнего века в Японии была разработана целая плеяда специализированных роботов для атомной отрасли, в конструкции которых учтены опыт и потребности предыдущих ядерных аварий и воплощены современные технологические достижения. Однако они остались на уровне опытных образцов и не были внедрены в виде, например, мобильных роботизированных подразделений для локализации ядерных аварий, созданных во Франции, Германии и некоторых других странах. Это объясняется принятой государством в 2000-х годах концепцией ядерной безопасности, в которой делалась ставка на полное исключение запроектных аварий, а не на локализацию их последствий. Финансирование проектов с новыми роботами было прекращено, большинство опытных экземпляров ржавели на складах или были разобраны (RESQ, RaBOT), нашли свое место в музеях или пожарных командах (SMERT, MENHIR и SWAN), а в отношении некоторых были утеряны ключевые ноу-хау и кадры (например, RESQ).
В результате Япония, известная своими достижениями в ряде других областей робототехники (антропоморфные и зооморфные роботы, многие сервисные и промышленные машины), к моменту аварии на АЭС „Фукусима‑1“ в марте 2011 года оказалась без собственной линейки экстремальных роботов и была вынуждена привлекать многочисленные зарубежные разработки (из США, Франции, Великобритании, Швеции и т. д.) и срочно создавать заново свои. Для ликвидации последствий Фукусимы большинство поставщиков экстремальной робототехники предложили десятки роботов.
Так, для осмотра и радиационных замеров на станции, взятия проб использовались роботы PackBot и Warrior (созданные iRobot), Talon и DR‑20 (от QinetiQ), T-Hawk (Honeywell), Survey Runner (Topy Industries), MEISTeR (MHI и IRID — японской организацией НИОКР в сфере вывода из эксплуатации), Frigoma (MELCO), Rosemary, Sakura и Quince (разработки Технологического института Чибы в сотрудничестве с другими научными организациями), J‑3 (от JAEA), HaSR (разработка японского Института передовой промышленной науки и технологий — AIST и компании Honda Motor) и т.д.
В частности, для обследования контейнмента изнутри были созданы устройства PMORPH (от Hitachi и IRID), Scorpion, Mini Mola Mola и Tetrapod (Toshiba в сотрудничестве с IRID) и др. Для расчистки завалов, демонтажа конструкций на площадке применялись роботы ASTACO-SoRa (от Hitachi), Brokk 90 и Brokk 330 (одноименной шведской фирмы), Spartacus/Bobcat (совместные изделия компаний Bobcat и QinetiQ), различные дистанционно управляемые экскаваторы, бульдозеры, грузовики, погрузчики. К уборке и дезактивации в помещениях станции привлекались машины Raccoon (создана Atox), DX‑140 (Husqvarna), Warrior (iRobot), Revi (Toshiba), MEISTeR и Super-Giraffe (разработки MHI и IRID), Arounder (IRID) и т. д. Некоторые из перечисленных машин созданы на основе разработок, последовавших за аварией в Токаймуре, например, J‑3 представляет собой доработанный вариант RESQ-A, MEISTeR создан на базе RaBOT, а Super-Giraffe является продолжением проекта MARS.
Среди разработок, появившихся под влиянием Фукусимы, можно выделить, например, PMORPH — один из примеров современных мини-роботов, способных менять форму для проникновения в труднодоступные места: при весе менее 8 кг и диаметре около 10 см он состоит из трех звеньев, которые могут поворачиваться относительно друг друга под прямым углом: пройдя через узкий канал, PMORPH принимает П-образную форму, в которой может устойчиво ползти на гусеницах, вмонтированных в его боковые сегменты. Робот предназначен для визуальной и дозиметрической разведки, измерения температуры в условиях высокой радиации: его камеры рассчитаны на суммарную дозу 1000 Зв. Это было первое устройство, с помощью которого провели удачную серию обследований нижней части контейнмента аварийного блока № 1 АЭС „Фукусима‑1“. Другая машина схожего назначения и габаритов, получившая неформальное имя Mini Mola Mola (или Little Sunfish — "Луна-рыбка»), может проводить аналогичную разведку в затопленном контейнменте, плавая в радиоактивной воде при помощи пяти винтов. Робот весом всего ~2 кг имеет диаметр ~13 см и длину ~27 см, несет на себе две разнонаправленные камеры. Пример многофункционального робота — MEISTeR, использование которого на Фукусиме началось в 2014 году. Это устройство весом 440 кг на четырех гусеницах может преодолевать подъемы крутизной до 40° и ступени высотой 22 см, способно осуществлять как разведку, так и механические работы посредством двух манипуляторов со сменным инструментарием, обладающих семью степенями свободы: очистку и дезактивацию горизонтальных и вертикальных поверхностей с помощью мощного пылесоса, резку и демонтаж металлических конструкций, открывание/закрывание клапанов и дверей, сверление отверстий, взятие проб из бетонных поверхностей, ремонт и т. д.
Робот может управляться и получать энергию по кабелю или обходиться без него (аккумулятора хватает на два часа). MHI создает усовершенствованный вариант этой машины — MEISTeR-II. Необычный робот, разработанный для демонтажных работ и дезактивации на Фукусиме, — Super-Giraffe. Эта колесная радиоуправляемая машина приличного веса (4 тонны), но относительно компактных габаритов (длиной 235 см и шириной всего 80 см) может работать в помещениях на высоте до восьми метров с помощью выдвижной штанги, на конце которой установлен манипулятор с семью степенями подвижности, способный работать с объектами весом до 20 кг. Манипулятор имеет сменное (дистанционно устанавливаемое) приспособление для открытия и закрытия клапанов; в перспективе инструментарий планируется расширить. Робот может функционировать и в режиме крана, поднимая на восьмиметровую высоту до 150 кг. Литий-ионный аккумулятор рассчитан на пять часов работы.
Процесс создания и совершенствования роботов для Фукусимы в самом разгаре: многие перечисленные и другие компании планируют новые машины под задачи следующих этапов вывода из эксплуатации этой площадки. Таким образом, японская авария стала беспрецедентным в истории атомной энергетики полигоном для создания и обкатки все более совершенной робототехники «атомного» профиля.
Одним из наиболее востребованных качеств для многих «атомных» роботов стала мобильность. К сегодняшнему дню для отрасли созданы машины со всеми известными устройствами передвижения (иногда — их комбинациями): колесные, гусеничные, шагающие, ползающие по пересеченной местности и различным искусственным поверхностям, горизонтальным и наклоненным под любым углом, а также плавающие и летающие роботы. Они способны передвигаться в самых разных средах: по суше, в воздухе и других газах, на воде и под водой, в том числе при высоких температуре и давлении. Во многих случаях необходима не просто мобильность (которой обладают, например, многие сервисные, бытовые роботы), а исключительная проходимость (возможность передвигаться по конструкциям, ступеням, завалам) или способность — самого робота или его манипуляторов — проникать в труднодоступные места (каналы небольшого диаметра, различные трубы, тесное межтрубное пространство парогенераторов и т. п.).
По требованиям к надежности «атомные» роботы сравнимы с устройствами, используемыми в военном деле и космических исследованиях. Робот, сломавшийся в условиях высокой радиации в труднодоступном месте, часто не подлежит ремонту и делает это место вдвойне труднодоступным, а может и парализовать основную работу на ядерном объекте. Подобные поломки случались, например, при ликвидации аварии в Фукусиме (с роботами PMORPH, Scorpion, Quince) и приводили к потерям в десятки миллионов долларов. Несмотря на повышенное внимание к надежности, полностью избежать таких случаев не удается из-за уникальности ряда машин, тогда как в других отраслях чаще применяются серийные устройства, которые апробированы в процессе массовой эксплуатации и постоянно совершенствуются.
В то же время в атомной индустрии менее востребованы некоторые ключевые для других отраслей качества, например, быстродействие манипуляторов. Этот показатель критичен для многих промышленных роботов, поскольку от него зависят производительность и, соответственно, экономика массового производства. Для решения многих задач в ядерной сфере, подчас неповторимых и требующих длительной подготовки, более важен конечный результат, чем скорость выполнения отдельных операций.
В атомной индустрии используются как специально созданные для нее роботы, так и адаптированные к отраслевым нуждам и особым условиям машины иного профиля. Например, для ликвидации последствий аварий применялись доработанные варианты робототехники, созданной для космических программ (такие как NOMAD), военных и спецслужб (Talon, PackBot, Warrior), коммунальных, дорожных и строительных работ, сноса зданий и сооружений (различные модификации Bobcat, Brokk), обследований подводной инфраструктуры (Tiger) и т. д. (см. Справку).
«Атомные» роботизированные устройства дороже большинства прочих — в силу как особых свойств, так и штучного характера заказов, выполняемых по индивидуальным требованиям, иногда — под уникальные задачи; такие заказы подчас требуют проведения специальных программ НИОКР. В результате стоимость некоторых «атомных» роботов вместе с программами их разработки и применения исчисляется десятками миллионов долларов США. На рынке робототехники для атомной индустрии сложилась довольно сильная конкуренция: нередко разработки одного профиля, конструктивных принципов или назначения предлагают несколько поставщиков. Поскольку некоторые отраслевые проекты уникальны, а отдельные задачи неповторимы, экспериментальные машины иногда находят коммерческое применение.
Видное место в этой специфической рыночной нише занимают компании и организации из США (iRobot, Westinghouse, Carnegie Mellon University, GE, Newton Labs, Diakont и др.), Германии (Kuka, Walischmiller), Франции (CEA, Framatome, Cybernetix, Comex, ECA, Haption, La Calhene), Японии (MHI, Toshiba, IRID, Hitachi, IRS, JAEA), Великобритании (QinetiQ, OC Robotics, LSBIC), Канады (MDA, Promation) и ряда других стран. Таким образом, среди создателей такой техники встречаются как известные специализированные поставщики роботов для промышленности, силовых структур или потребительского сектора (например, iRobot, Kuka, QinetiQ и др.), так и авторитетные вендоры рынка ядерных технологий (Framatome, Westinghouse), либо многоотраслевые группы, известные как на атомном рынке, так и за его пределами (GE, Hitachi, Toshiba, Mitsubishi).
По требованиям к надежности «атомные» роботы сравнимы с устройствами, используемыми в военном деле и космических исследованиях. Робот, сломавшийся в условиях высокой радиации в труднодоступном месте, часто не подлежит ремонту и делает это место вдвойне труднодоступным, а может и парализовать основную работу на ядерном объекте. Подобные поломки случались, например, при ликвидации аварии в Фукусиме (с роботами PMORPH, Scorpion, Quince) и приводили к потерям в десятки миллионов долларов. Несмотря на повышенное внимание к надежности, полностью избежать таких случаев не удается из-за уникальности ряда машин, тогда как в других отраслях чаще применяются серийные устройства, которые апробированы в процессе массовой эксплуатации и постоянно совершенствуются.
В то же время в атомной индустрии менее востребованы некоторые ключевые для других отраслей качества, например, быстродействие манипуляторов. Этот показатель критичен для многих промышленных роботов, поскольку от него зависят производительность и, соответственно, экономика массового производства. Для решения многих задач в ядерной сфере, подчас неповторимых и требующих длительной подготовки, более важен конечный результат, чем скорость выполнения отдельных операций.
В атомной индустрии используются как специально созданные для нее роботы, так и адаптированные к отраслевым нуждам и особым условиям машины иного профиля. Например, для ликвидации последствий аварий применялись доработанные варианты робототехники, созданной для космических программ (такие как NOMAD), военных и спецслужб (Talon, PackBot, Warrior), коммунальных, дорожных и строительных работ, сноса зданий и сооружений (различные модификации Bobcat, Brokk), обследований подводной инфраструктуры (Tiger) и т. д. (см. Справку).
«Атомные» роботизированные устройства дороже большинства прочих — в силу как особых свойств, так и штучного характера заказов, выполняемых по индивидуальным требованиям, иногда — под уникальные задачи; такие заказы подчас требуют проведения специальных программ НИОКР. В результате стоимость некоторых «атомных» роботов вместе с программами их разработки и применения исчисляется десятками миллионов долларов США. На рынке робототехники для атомной индустрии сложилась довольно сильная конкуренция: нередко разработки одного профиля, конструктивных принципов или назначения предлагают несколько поставщиков. Поскольку некоторые отраслевые проекты уникальны, а отдельные задачи неповторимы, экспериментальные машины иногда находят коммерческое применение.
Видное место в этой специфической рыночной нише занимают компании и организации из США (iRobot, Westinghouse, Carnegie Mellon University, GE, Newton Labs, Diakont и др.), Германии (Kuka, Walischmiller), Франции (CEA, Framatome, Cybernetix, Comex, ECA, Haption, La Calhene), Японии (MHI, Toshiba, IRID, Hitachi, IRS, JAEA), Великобритании (QinetiQ, OC Robotics, LSBIC), Канады (MDA, Promation) и ряда других стран. Таким образом, среди создателей такой техники встречаются как известные специализированные поставщики роботов для промышленности, силовых структур или потребительского сектора (например, iRobot, Kuka, QinetiQ и др.), так и авторитетные вендоры рынка ядерных технологий (Framatome, Westinghouse), либо многоотраслевые группы, известные как на атомном рынке, так и за его пределами (GE, Hitachi, Toshiba, Mitsubishi).
Автономный шагающий робот-паук ODEX 1 был представлен в 1983 году компанией Odetics (позже Iteris). При весе 170 кг он мог перемещать до 400 кг груза. ODEX 1 координировался удаленно оператором или компьютером
Ареалы обитания
Сложился набор наиболее распространенных специализаций «атомных» роботов: обращение с радиоактивными материалами, включая ОЯТ; инспектирование, обследование и оценка состояния различного оборудования и конструкций; ремонтные операции, обычно заранее определенные; мониторинг, количественная оценка параметров среды на ядерном объекте или вокруг него (измерение радиоактивности, влажности, температуры, концентрации опасных газов и т. п.), соответствующее картирование и сбор образцов; демонтаж и фрагментация оборудования, компактизация лома и радиоактивных отходов; разбор завалов и строительных конструкций; очистка и дезактивация, удаление слоя радиоактивно загрязненного материала; транспортировка, доставка оборудования.
Нередко некоторые перечисленные функции совмещаются. Каждая из них может выполняться самыми разными средствами; соответственно, роботы схожего назначения и их рабочие органы сильно различаются по конструктивным принципам. К примеру, мониторинг радиационной обстановки в районе площадки может проводиться машинами, способными перемещаться в разных стихиях: по воде или под водой, по земле или по воздуху. Кроме того, в рамках одной общей специализации существуют различные ниши, в которых действуют разные роботизированные устройства. Например, в разборе аварийных завалов принимают участие машины различной «весовой категории», в зависимости от задач: от телеуправляемых тяжелых экскаваторов до роботизированных устройств размером с садовый трактор.
Для обращения с радиоактивными материалами и действий в зонах с высокой радиацией чаще всего применяются различные манипуляторы, обеспечивающие возможность удаленного управления со стороны человека такими операциями, как выгрузка и перемещение ОЯТ, резка, сварка, сверление, стесывание, открывание и закрывание клапанов, взятие образцов, устранение препятствий и т. д. Это либо роборуки, устанавливаемые перед началом работы на необходимую исходную позицию (например, у реактора, парогенератора, горячей камеры, хранилища ОЯТ или РАО) и выполняющие там определенные действия, либо подвижные роботы с манипуляторами, способные произвольно перемещаться и решать разнообразные задачи. Примеры машин первого типа: манипуляторы Rosa (давняя разработка Westinghouse), Maestro (совместный продукт французского Комиссариата по атомной и возобновляемым источникам энергии — CEA и компании Cybernetix), устройства типа TEO, используемые Framatome. Среди примеров мобильных платформ, оснащенных манипуляторами, — как «древние», так и современные образцы: это примитивный по сегодняшним меркам Louie, разработанный Westinghouse в 1950-х годах; достижение робототехники 1970-х годов — "многорукий" MF3, созданный в Западной Германии атомным центром в Юлихе и компанией CMS Technologies; современные роботы шведской фирмы Brokk с манипуляторами Samm от Cybernetix; многоцелевая машина MEISTeR, созданная Mitsubishi Heavy Industries (MHI) после аварии в Фукусиме; и другие. Многие роборуки имеют сменные «кисти» — так называемые рабочие органы. В зависимости от нужд, это могут быть различные захватные устройства (механические, электромагнитные и на постоянных магнитах, вакуумные), приспособления для резки (механической, лазерной, гидравлической) и сварки, струйные аппараты (для мытья водой), сверла, перфораторы и т. д. В манипуляторах и рабочих органах применяются разные типы приводов: электрический, пневматический, гидравлический.
Сложился набор наиболее распространенных специализаций «атомных» роботов: обращение с радиоактивными материалами, включая ОЯТ; инспектирование, обследование и оценка состояния различного оборудования и конструкций; ремонтные операции, обычно заранее определенные; мониторинг, количественная оценка параметров среды на ядерном объекте или вокруг него (измерение радиоактивности, влажности, температуры, концентрации опасных газов и т. п.), соответствующее картирование и сбор образцов; демонтаж и фрагментация оборудования, компактизация лома и радиоактивных отходов; разбор завалов и строительных конструкций; очистка и дезактивация, удаление слоя радиоактивно загрязненного материала; транспортировка, доставка оборудования.
Нередко некоторые перечисленные функции совмещаются. Каждая из них может выполняться самыми разными средствами; соответственно, роботы схожего назначения и их рабочие органы сильно различаются по конструктивным принципам. К примеру, мониторинг радиационной обстановки в районе площадки может проводиться машинами, способными перемещаться в разных стихиях: по воде или под водой, по земле или по воздуху. Кроме того, в рамках одной общей специализации существуют различные ниши, в которых действуют разные роботизированные устройства. Например, в разборе аварийных завалов принимают участие машины различной «весовой категории», в зависимости от задач: от телеуправляемых тяжелых экскаваторов до роботизированных устройств размером с садовый трактор.
Для обращения с радиоактивными материалами и действий в зонах с высокой радиацией чаще всего применяются различные манипуляторы, обеспечивающие возможность удаленного управления со стороны человека такими операциями, как выгрузка и перемещение ОЯТ, резка, сварка, сверление, стесывание, открывание и закрывание клапанов, взятие образцов, устранение препятствий и т. д. Это либо роборуки, устанавливаемые перед началом работы на необходимую исходную позицию (например, у реактора, парогенератора, горячей камеры, хранилища ОЯТ или РАО) и выполняющие там определенные действия, либо подвижные роботы с манипуляторами, способные произвольно перемещаться и решать разнообразные задачи. Примеры машин первого типа: манипуляторы Rosa (давняя разработка Westinghouse), Maestro (совместный продукт французского Комиссариата по атомной и возобновляемым источникам энергии — CEA и компании Cybernetix), устройства типа TEO, используемые Framatome. Среди примеров мобильных платформ, оснащенных манипуляторами, — как «древние», так и современные образцы: это примитивный по сегодняшним меркам Louie, разработанный Westinghouse в 1950-х годах; достижение робототехники 1970-х годов — "многорукий" MF3, созданный в Западной Германии атомным центром в Юлихе и компанией CMS Technologies; современные роботы шведской фирмы Brokk с манипуляторами Samm от Cybernetix; многоцелевая машина MEISTeR, созданная Mitsubishi Heavy Industries (MHI) после аварии в Фукусиме; и другие. Многие роборуки имеют сменные «кисти» — так называемые рабочие органы. В зависимости от нужд, это могут быть различные захватные устройства (механические, электромагнитные и на постоянных магнитах, вакуумные), приспособления для резки (механической, лазерной, гидравлической) и сварки, струйные аппараты (для мытья водой), сверла, перфораторы и т. д. В манипуляторах и рабочих органах применяются разные типы приводов: электрический, пневматический, гидравлический.
Универсальный робот MHI-MEISTeR, который был разработан с учетом сложных условий его эксплуатации и изготовлен компанией Mitsubishi Heavy Industries (MHI) Ltd. Робот при помощи системы дистанционного управления участвует в мероприятиях по ликвидации последствий аварии на АЭС «Фукусима»
Обследование и оценка состояния оборудования, конструкций или зданий обеспечивают (вместе или по отдельности) возможности удаленного визуального осмотра человеком, передачу звуков и информации об утечках жидкостей и газов, съемку в инфракрасном спектре, а также дефектоскопию различными средствами (ультразвуком, вихревыми токами и т. д.). Рассчитанным на это роботам обычно не нужны манипуляторы для сложных действий, хотя некоторые из них оснащаются «конечностями», предназначенными для взятия образцов или отодвигания легких препятствий, либо в ряде случаев специальными манипуляторами с камерами, осветительными и другими приборами. Конструкция самого робота и носимых устройств может предусматривать защиту от ионизирующего излучения и других неблагоприятных факторов. Основные функции таких машин — доставка или перемещение по заданным маршрутам оборудования, которое бывает съемным, сменным. Подобное инспектирование может проводиться «сухопутными» (полноприводными колесными, гусеничными и др.), подводными или летающими роботами.
Для обследований внутри оборудования созданы роботы, специально рассчитанные на проникновение в узкие, изгибающиеся каналы и трубы или движение по ним, в том числе в воде и других средах. Это либо очень компактные машины, либо манипуляторы. В первом случае используются как традиционные устройства передвижения (мини-гусеницы, колеса), так и весьма экзотические решения, наподобие магнитных средств удержания на отвесных металлических поверхностях, вакуумных приспособлений (так называемых присосов), роликов и сложных кинематических механизмов, позволяющих роботу продвигаться по трубам, и т. д. Существуют и миниатюрные подлодки для обследования контуров реакторной установки, например, семейство роботов SUSI, созданных Areva/Framatome. Машины для осмотра оборудования чаще всего тянут за собой кабель, по которому происходит обмен информацией и иногда — энергоснабжение.
Некоторые роботы приспособлены для ремонтных и профилактических работ; нередко эти функции совмещаются с предварительным обследованием состояния оборудования, поиском дефектов в материале и сварных швах. К распространенным приложениям такого рода относятся роботы для обслуживания и ремонта парогенераторов, поскольку накопление шлама, коррозия и течь труб этих теплообменников — известные проблемы для реакторных установок разных моделей. К подобным роботизированным устройствам, созданным в разное время, относятся Supreem, Pegasys и Rosa, разработанные Westinghouse; CECIL от британской компании QinetiQ; Ranger от Areva/Framatome; Forerunner, созданный хорватским Институтом ядерных технологий, и другие.
Для обследований внутри оборудования созданы роботы, специально рассчитанные на проникновение в узкие, изгибающиеся каналы и трубы или движение по ним, в том числе в воде и других средах. Это либо очень компактные машины, либо манипуляторы. В первом случае используются как традиционные устройства передвижения (мини-гусеницы, колеса), так и весьма экзотические решения, наподобие магнитных средств удержания на отвесных металлических поверхностях, вакуумных приспособлений (так называемых присосов), роликов и сложных кинематических механизмов, позволяющих роботу продвигаться по трубам, и т. д. Существуют и миниатюрные подлодки для обследования контуров реакторной установки, например, семейство роботов SUSI, созданных Areva/Framatome. Машины для осмотра оборудования чаще всего тянут за собой кабель, по которому происходит обмен информацией и иногда — энергоснабжение.
Некоторые роботы приспособлены для ремонтных и профилактических работ; нередко эти функции совмещаются с предварительным обследованием состояния оборудования, поиском дефектов в материале и сварных швах. К распространенным приложениям такого рода относятся роботы для обслуживания и ремонта парогенераторов, поскольку накопление шлама, коррозия и течь труб этих теплообменников — известные проблемы для реакторных установок разных моделей. К подобным роботизированным устройствам, созданным в разное время, относятся Supreem, Pegasys и Rosa, разработанные Westinghouse; CECIL от британской компании QinetiQ; Ranger от Areva/Framatome; Forerunner, созданный хорватским Институтом ядерных технологий, и другие.
SAMM ARM, модульный гидравлический манипулятор от французской компании Cybernetix
Робототехника также применяется для «нестандартных» ремонтных операций. Например, для устранения последствий аварий на урановых рудниках (как в случае с затоплением шахты в Канаде в конце 2000-х годов, где использовался подводный робот Falcon, разработанный Saab Seaeye) или извлечения посторонних частиц из топливных сборок (специализированный робот Pelican компании Framatome).
Отчасти схожие решения применяются при инспектировании площадок и районов размещения ядерных объектов, радиационной разведке и мониторинге на больших пространствах. При этом не предъявляются жесткие требования к конфигурации и компактности роботов, но большое внимание уделяется скорости передвижения. Некоторые машины этого назначения могут работать в полуавтономном или автономном режимах, что не характерно для многих других образцов робототехники, применяемых в атомной индустрии. Подобным роботам необходимы высокая «сухопутная» проходимость либо способность летать или плавать по воде или под водой (значительная часть крупных реакторов в мире и некоторые предприятия ЯТЦ размещаются у водоемов или океанов и имеют погруженную в воду инфраструктуру). Соответственно, среди роботизированных устройств такого профиля встречаются плавающие машины (например, робот-лодка USV, применявшийся в Фукусиме), мини-подлодки (наподобие созданной компанией Areva/Framatome), наземные вездеходы (такие как роботы J‑3 разработки JAEA, Monirobo от японского Центра по ядерной безопасности, RIANA от Areva/Framatome и др.), беспилотные летательные аппараты (разработанные, например, испанской компанией Escuadrone, британской Blue Bear, техасской организацией SwRI и др.).
Роботы незаменимы в бэкенде. Они не только повышают безопасность работ для персонала, но и дают экономический эффект. Например, по оценке британского государственного Управления по выводу из эксплуатации (NDA), на одной только площадке в Селлафилде применение роботизированных устройств для решения проблем ядерного наследия может обеспечить экономию £3 млрд.
При прочих равных условиях использование роботов для демонтажа оборудования, как правило, тем шире, чем более оперативно осуществляется ликвидация ядерно и радиационно опасного объекта после его снятия с эксплуатации. По меркам атомной отрасли, в случае, например, крупной реакторной установки «оперативность» означает срок в пределах 10 лет от момента окончательного останова до приведения площадки в состояние так называемой «коричневой» или «зеленой лужайки».
В странах, применяющих схему безотлагательного вывода в массовом порядке (Германия) или в отдельных случаях (США, Япония), «роботизированный демонтаж» получил особое развитие -за счет как отечественных разработок робототехники, так и привлечения иностранных. Похожая ситуация в государствах, имеющих масштабное ядерное наследие и радикально решающих его проблемы, хотя и сравнительно медленно (Великобритания, Франция). Для демонтажа часто используются роботизированные устройства, специально приспособленные для определенных видов оборудования, иногда — конкретной реакторной установки (например, резки трубопроводов или удаления ВКУ), либо более универсальные, рассчитанные на разные конструкции и проекты.
Примерами первого подхода служат роботы Charli и Eloise, созданные Areva/Framatome для демонтажных работ (резки) на крупнейшем в мире (по размерам) снятом с эксплуатации корпусном реакторе Superphenix. Более широкое назначение и применение имеют, например, различные модели демонтажных роботов шведской компании Brokk и машины британской фирмы OC Robotics, используемые в том числе в атомной отрасли.
Очевидно, что при ликвидации последствий аварий на атомных объектах востребованы многие качества, которыми обладают роботы для обращения с ядерными материалами, обследования конструкций, радиационного контроля и демонтажа. Поэтому при каждой такой аварии использовались системы, созданные ранее для работы в «мирное время», однако разрабатывались и новые технологии, нашедшие затем применение в процессе эксплуатации АЭС и объектов ЯТЦ, а так же в бэкенде. В результате крупнейшие аварии, произошедшие в США, СССР и Японии, стимулировали роботизацию атомной отрасли (подробнее см. Справку).
Отчасти схожие решения применяются при инспектировании площадок и районов размещения ядерных объектов, радиационной разведке и мониторинге на больших пространствах. При этом не предъявляются жесткие требования к конфигурации и компактности роботов, но большое внимание уделяется скорости передвижения. Некоторые машины этого назначения могут работать в полуавтономном или автономном режимах, что не характерно для многих других образцов робототехники, применяемых в атомной индустрии. Подобным роботам необходимы высокая «сухопутная» проходимость либо способность летать или плавать по воде или под водой (значительная часть крупных реакторов в мире и некоторые предприятия ЯТЦ размещаются у водоемов или океанов и имеют погруженную в воду инфраструктуру). Соответственно, среди роботизированных устройств такого профиля встречаются плавающие машины (например, робот-лодка USV, применявшийся в Фукусиме), мини-подлодки (наподобие созданной компанией Areva/Framatome), наземные вездеходы (такие как роботы J‑3 разработки JAEA, Monirobo от японского Центра по ядерной безопасности, RIANA от Areva/Framatome и др.), беспилотные летательные аппараты (разработанные, например, испанской компанией Escuadrone, британской Blue Bear, техасской организацией SwRI и др.).
Роботы незаменимы в бэкенде. Они не только повышают безопасность работ для персонала, но и дают экономический эффект. Например, по оценке британского государственного Управления по выводу из эксплуатации (NDA), на одной только площадке в Селлафилде применение роботизированных устройств для решения проблем ядерного наследия может обеспечить экономию £3 млрд.
При прочих равных условиях использование роботов для демонтажа оборудования, как правило, тем шире, чем более оперативно осуществляется ликвидация ядерно и радиационно опасного объекта после его снятия с эксплуатации. По меркам атомной отрасли, в случае, например, крупной реакторной установки «оперативность» означает срок в пределах 10 лет от момента окончательного останова до приведения площадки в состояние так называемой «коричневой» или «зеленой лужайки».
В странах, применяющих схему безотлагательного вывода в массовом порядке (Германия) или в отдельных случаях (США, Япония), «роботизированный демонтаж» получил особое развитие -за счет как отечественных разработок робототехники, так и привлечения иностранных. Похожая ситуация в государствах, имеющих масштабное ядерное наследие и радикально решающих его проблемы, хотя и сравнительно медленно (Великобритания, Франция). Для демонтажа часто используются роботизированные устройства, специально приспособленные для определенных видов оборудования, иногда — конкретной реакторной установки (например, резки трубопроводов или удаления ВКУ), либо более универсальные, рассчитанные на разные конструкции и проекты.
Примерами первого подхода служат роботы Charli и Eloise, созданные Areva/Framatome для демонтажных работ (резки) на крупнейшем в мире (по размерам) снятом с эксплуатации корпусном реакторе Superphenix. Более широкое назначение и применение имеют, например, различные модели демонтажных роботов шведской компании Brokk и машины британской фирмы OC Robotics, используемые в том числе в атомной отрасли.
Очевидно, что при ликвидации последствий аварий на атомных объектах востребованы многие качества, которыми обладают роботы для обращения с ядерными материалами, обследования конструкций, радиационного контроля и демонтажа. Поэтому при каждой такой аварии использовались системы, созданные ранее для работы в «мирное время», однако разрабатывались и новые технологии, нашедшие затем применение в процессе эксплуатации АЭС и объектов ЯТЦ, а так же в бэкенде. В результате крупнейшие аварии, произошедшие в США, СССР и Японии, стимулировали роботизацию атомной отрасли (подробнее см. Справку).
Неестественный отбор
Как изменилась за последние десятилетия робототехника, применяемая в атомной индустрии, и к чему ведут перемены? По общему облику и назначению многие современные «атомные» роботы весьма похожи на передовые разработки 1970−1980-х годов, однако в деталях они качественно отличаются.
Это объясняется прежде всего развитием информационных технологий. Хотя уже 30−40 лет назад машины, создаваемые для ядерной отрасли, стали оснащать микропроцессорами и некоторые роботы обзавелись подобием бортовых компьютеров, их возможности были несравнимы с современными. С 1970-х годов минимальный размер элементов микросхем, достижимый для существующих технологических процессов их производства, уменьшился на три порядка, что привело к миниатюризации электроники в еще большей пропорции, наряду с совершенствованием ее качественных характеристик. К этому добавилось развитие в самые последние десятилетия оптоволоконной связи, навигационных систем, цифровых технологий фиксации и передачи высококачественного изображения, сенсоров, осветительной техники, лазерных устройств, новых программных продуктов, материалов и прочего.
Все это дало возможность компьютеризировать большинство функций робота, многократно увеличить объем и надежность обмена информацией с ним, повысить его мобильность и маневренность, оснастить более эффективным, чем прежде, инструментарием и т. п.
Технологический скачок приводит и к появлению новых видов роботов, которых раньше не было или они появлялись в виде единичных экспериментальных разработок, гораздо менее функциональных, чем современные модели. Так, все большее распространение получают прежде невозможные летающие, плавающие, ползающие машины. Хотя беспилотные устройства существовали давно, их размеры, надежность, точность и скорость управления не позволяли использовать их на атомных объектах. Теперь же применение таких машин в отрасли становится все более распространенной коммерческой практикой благодаря компактной и высокопроизводительной электронике, новым системам навигации, современным материалам и т. д. Причем сверхкомпактные дроны стали использоваться не только для мониторинга в районе ядерного объекта, но и внутри зданий, сооружений и даже оборудования.
Как изменилась за последние десятилетия робототехника, применяемая в атомной индустрии, и к чему ведут перемены? По общему облику и назначению многие современные «атомные» роботы весьма похожи на передовые разработки 1970−1980-х годов, однако в деталях они качественно отличаются.
Это объясняется прежде всего развитием информационных технологий. Хотя уже 30−40 лет назад машины, создаваемые для ядерной отрасли, стали оснащать микропроцессорами и некоторые роботы обзавелись подобием бортовых компьютеров, их возможности были несравнимы с современными. С 1970-х годов минимальный размер элементов микросхем, достижимый для существующих технологических процессов их производства, уменьшился на три порядка, что привело к миниатюризации электроники в еще большей пропорции, наряду с совершенствованием ее качественных характеристик. К этому добавилось развитие в самые последние десятилетия оптоволоконной связи, навигационных систем, цифровых технологий фиксации и передачи высококачественного изображения, сенсоров, осветительной техники, лазерных устройств, новых программных продуктов, материалов и прочего.
Все это дало возможность компьютеризировать большинство функций робота, многократно увеличить объем и надежность обмена информацией с ним, повысить его мобильность и маневренность, оснастить более эффективным, чем прежде, инструментарием и т. п.
Технологический скачок приводит и к появлению новых видов роботов, которых раньше не было или они появлялись в виде единичных экспериментальных разработок, гораздо менее функциональных, чем современные модели. Так, все большее распространение получают прежде невозможные летающие, плавающие, ползающие машины. Хотя беспилотные устройства существовали давно, их размеры, надежность, точность и скорость управления не позволяли использовать их на атомных объектах. Теперь же применение таких машин в отрасли становится все более распространенной коммерческой практикой благодаря компактной и высокопроизводительной электронике, новым системам навигации, современным материалам и т. д. Причем сверхкомпактные дроны стали использоваться не только для мониторинга в районе ядерного объекта, но и внутри зданий, сооружений и даже оборудования.
Расширяется класс мини-роботов, способных проходить по узким каналам, изогнутым трубам, между тесными конструкциями, в зазорах между защитными оболочками и т. п. Это не всегда достигается предельно малыми размерами — особой разновидностью машин подобного рода становятся роботы, меняющие форму или конфигурацию в процессе осуществления каждой миссии. Причем некоторые из этих устройств могут выполнять в тесном пространстве не только инспекционные, но и активные ремонтные или демонтажные функции (к примеру, сварку или резку металла). Среди наиболее перспективных направлений развития, которые уже коммерциализированы в отдельных случаях, стоит назвать «змееподобных» роботов, «роботов-червей» и т. п. Речь идет либо о машинах, обладающих гибким, состоящим из ряда сочленений корпусом (действительно напоминающим змею или червя), либо о роботах, наделенных гибкими манипуляторами со множеством степеней подвижности в двухмерной или трехмерной системах координат. Такие роботы созданы CMU, канадской OPG, британской OC Robotics, разрабатываются IRID совместно с японскими компаниями. Схожий принцип, но с меньшим числом сочленений применяется в разработках альянса GE и Hitachi (роботы Surveyor, PMORPH).
Все большее развитие получает модульное построение робототехники, при котором на основе единой базовой платформы или линейки родственных машин могут создаваться (или комплектоваться под конкретные задачи) роботы разной конфигурации и назначения — за счет вторичных изменений или установки различного оборудования, манипуляторов, рабочих органов и т. д. Это характерно, например, для семейств роботов, предлагаемых компаниями OC Robotics, MHI, Brokk, QinetiQ, Bobcat и др.
Все большее развитие получает модульное построение робототехники, при котором на основе единой базовой платформы или линейки родственных машин могут создаваться (или комплектоваться под конкретные задачи) роботы разной конфигурации и назначения — за счет вторичных изменений или установки различного оборудования, манипуляторов, рабочих органов и т. д. Это характерно, например, для семейств роботов, предлагаемых компаниями OC Robotics, MHI, Brokk, QinetiQ, Bobcat и др.
Появляется больше многофункциональных машин, выполняющих широкий набор совместимых функций, таких как обследование состояния конструкций и осмотр оборудования, мониторинг радиационной обстановки и других параметров среды, сбор проб, очистка от радиационного загрязнения и разбор легких завалов, открывание и закрывание клапанов, демонтаж, ремонт и т. д. (пример — робот MEISTeR от MHI, см. Справку). Другой путь расширения функционала — взаимодействие роботов при выполнении задач. В частности, некоторые поставщики создают разнородные машины, изначально рассчитанные на симбиоз, например, «комплекты» роботов, получившие распространение в Японии: RESQ-A, RESQ-B и RESQ-C; MARS-A и MARS-T; Rosemary и Sakura; SMERT-M и SMERT-K (см. Справку). Применение многопрофильных роботов или их «комплектов» со временем, очевидно, расширится, хотя ниши для узкоспециализированных машин, несомненно, сохранятся.
Робот Mighty Mouse (M2) на службе в Национальной лаборатории «Сандиа» (Альбукерке, Нью-Мексико)
На фоне скачка, который совершили в последние десятилетия средства управления, связи, навигации, съемки и передачи изображения, в одной важной подсистеме прогресс до недавнего времени, казалось бы, застыл: устройства передвижения большинства мобильных роботов в атомной отрасли принципиально не меняются десятилетиями. Между тем универсальный механизм, обеспечивающий наивысшую проходимость для большинства задач, давно известен: это шагающий робот. Разные поставщики стремились создать надежные машины такого рода, способные не только преодолевать препятствия, недоступные колесной и гусеничной технике (например, высокие ступени), но и обеспечивать бесперебойную работу носимого оборудования. Подобные конструкции разрабатывались давно: достаточно вспомнить работоспособное творение 1980-х годов — робота ODEX (см. Справку). Однако в прошлые десятилетия таким роботам не хватало как раз тех технологий, которые расцвели в нынешнем веке, в частности, совершенного компьютерного управления координацией движений, средств преодоления помех и препятствий. Современные воплощения этой идеи (такие как экспериментальные «шестиногие» конструкции Sherpa от CEA или упомянутая «четырехногая» машина компании Toshiba — Tetrapod, а также аналогичные разработки для военного применения) выглядят более жизнеспособными и позволяют рассчитывать на появление в недалеком будущем коммерческих вариантов «шагающей» техники, на базе которой могут возникнуть новые многофункциональные роботы.
Разумеется, перспективы развития устройств перемещения не ограничиваются шагающими системами — в ряде случаев вполне достаточно колесной или гусеничной тележки, а в иных ни традиционная, ни шагающая техника не годятся: например, для движения по отвесным поверхностям (защитным оболочкам, контейнерам и бассейнам с ОЯТ и т. д.). Для таких задач создаются все более совершенные роботы на магнитах для металлических поверхностей (как инспекционный робот, разработанный EPRI) или вакуумных присосах (Robicen, Robug, SADIE и др.).
Разумеется, перспективы развития устройств перемещения не ограничиваются шагающими системами — в ряде случаев вполне достаточно колесной или гусеничной тележки, а в иных ни традиционная, ни шагающая техника не годятся: например, для движения по отвесным поверхностям (защитным оболочкам, контейнерам и бассейнам с ОЯТ и т. д.). Для таких задач создаются все более совершенные роботы на магнитах для металлических поверхностей (как инспекционный робот, разработанный EPRI) или вакуумных присосах (Robicen, Robug, SADIE и др.).
Вакуумный манипулятор мобильной системы поиска и извлечения, которая была разработана для расширенного доступа во внутреннее пространство резервуара и обеспечения более эффективного извлечения отходов при использовании меньшего количества жидкости.
Еще одно направление развития отдельных подсистем робототехники — манипуляторы. Первые роботы в атомной отрасли оснащались примитивными, по современным меркам, манипуляторами с несколькими степенями подвижности и простыми механическими рабочими органами. Современные «атомные» роботы, рассчитанные на активные действия, нередко обладают высокоточными манипуляторами (погрешность позиционирования — не более 0,1 мм, что соответствует высокому стандарту производственных роботов) с числом степеней подвижности, сопоставимым с человеческой рукой (семь) или намного ее превосходящим (например, змеевидные роборуки некоторых моделей британской компании OC Robotics, действуя в трехмерной системе координат, обладают 24 степенями подвижности). Манипуляторы роботов, применяемых в атомной индустрии, оснащаются широким спектром инструментов, среди которых такие высокотехнологичные, как, например, лазерные резаки, доставляемые роботизированными устройствами практически в любую точку внутри оборудования (трубы, технологические и топливные каналы реакторов и т. п.) благодаря использованию оптоволоконной технологии.
Тетрапод робот от компании Toshiba, созданный для работ на АЭС «Фукусима»
Хотя электронная начинка — одна из главных подсистем, которые привнесли революционные изменения в робототехнику ядерной индустрии, принципы управления такими машинами остаются наиболее консервативным ее аспектом. Несмотря на все технологические новшества, современные «атомные» роботы, как и полвека назад, остаются для человека по большому счету «удлинителями», позволяющими ему дотянуться до недоступных или опасных мест. В этом отношении применяемые в отрасли машины отстают, например, от некоторых профессиональных сервисных роботов, подчас наделенных гораздо большей самостоятельностью. Иными словами, человек пока не готов предоставить машине сколь-нибудь существенную свободу действий на атомном объекте. Однако и тут возможны изменения, ведь техника подходит к тому порогу развития, при котором роботы выполняют многие функции эффективнее и надежнее человека, что создает предпосылки для вытеснения «ручного управления». Так происходит, например, на транспорте, где, по всеобщему признанию, беспилотные средства передвижения скоро произведут революцию. И хотя атомная индустрия в целом связана с бóльшими рисками, не во всех сферах отрасли они одинаково высоки. Это позволяет расширить самостоятельность роботов, доверив им автономное решение по крайней мере некоторых новых, рутинных задач.
Таким образом, одним из многообещающих направлений эволюции «атомной» робототехники становится развитие элементов искусственного интеллекта. Хотя такая постановка вопроса не нова (об этом фантазировали еще в 1970—1980-х годах), сегодня, в отличие от прошлых десятилетий, уровень технологий уже в чем-то опередил консервативные запросы атомного рынка. Недаром разработками в этой области применительно к ядерной индустрии занимаются некоторые авторитетные организации НИОКР и компании, например, профильный альянс британских университетов — National Centre for Nuclear Robotics (NCNR).
Таким образом, одним из многообещающих направлений эволюции «атомной» робототехники становится развитие элементов искусственного интеллекта. Хотя такая постановка вопроса не нова (об этом фантазировали еще в 1970—1980-х годах), сегодня, в отличие от прошлых десятилетий, уровень технологий уже в чем-то опередил консервативные запросы атомного рынка. Недаром разработками в этой области применительно к ядерной индустрии занимаются некоторые авторитетные организации НИОКР и компании, например, профильный альянс британских университетов — National Centre for Nuclear Robotics (NCNR).
Новые технологии расширяют сферы применения роботов. Так, появление машин, способных «пролезть во все щели», позволяет использовать роботизированные устройства для обследования практически любого оборудования: от основных элементов реакторной установки или бассейнов выдержки до подземной и подводной инфраструктуры АЭС или контейнеров «сухого» хранения ОЯТ. Поскольку недосягаемых мест для роботов почти не осталось, основным сдерживающим фактором их повсеместного использования остается проблема коммерциализации многочисленных разработок: многие новации в сфере «атомной» робототехники пока дошли в лучшем случае до стадии опытно-промышленного применения единичных экземпляров. Между тем в ряде других областей те же решения применяются серийно или в массовом порядке: например, робот Talon, который использовался в Фукусиме, внедрен в силовых структурах разных стран в тысячах экземпляров.
В общем, среди сдерживающих факторов дальнейшей роботизации атомной индустрии — штучный характер большинства продуктов, разнобой в применяемых технических решениях, отсутствие единых и внятных стандартов в этой области. Все это отражается на цене изделий, которая, как говорилось выше, достигает десятков миллионов долларов. Однако накопление опыта использования робототехники в отрасли (благодаря ликвидации последствий аварий, росту числа проектов в бэкенде и т. д.) ведет к переходу от индивидуальных решений к типовым. Стандартизация (закрепленная институционально или поначалу неформальная), наряду с совершенствованием технологий и дальнейшим удешевлением компонентной базы и машин в целом, обеспечит снижение стоимости некоторых видов роботов, что будет способствовать расширению сферы применения робототехники. И хотя «атомные» роботы вряд ли сравняются в цене со многими другими, они перестанут быть вынужденной необходимостью или дорогими игрушками, со временем превратившись в обычный инвентарь любого атомного предприятия, что на некоторых АЭС уже происходит.
Дальнейшей роботизации отрасли благоприятствует и спрос: «атомные» роботы становятся все более востребованными из-за быстрого роста масштабов деятельности, связанной с выводом из эксплуатации, решением проблем ядерного наследия, ликвидацией последствий аварий, развитием инфраструктуры хранения и захоронения РАО и ОЯТ — подобного спроса раньше просто не было. Таким образом, встречное движение технологий и рынка усиливается, превращая роботизацию в одно из ключевых направлений развития атомной индустрии.
Есть и еще один фактор, который, несомненно, окажет влияние на траекторию роста в этой области. Крупнейшие аварии на ядерных объектах каждый раз «подхлестывали» развитие робототехники. И все же именно Фукусима, похоже, стала той последней каплей, за которой следует сдвиг в стратегии государств и компаний. Эта катастрофа произошла в ту технологическую эпоху, когда роботы в принципе позволяли, как минимум, предотвратить столь фатальные последствия. Но этого сделано не было, в том числе из-за излишней веры в «непробиваемость» глубокоэшелонированной противоаварийной защиты АЭС и неоправданного сворачивания программ развития специализированной «атомной» робототехники в Японии (см. Справку). Такая стратегия не оправдалась, и Фукусима стала очевидным историческим уроком для тех, кто недооценивал значимость роботизации атомных предприятий и не использовал принципиально новые возможности, предоставляемые очередной технологической революцией.
В общем, среди сдерживающих факторов дальнейшей роботизации атомной индустрии — штучный характер большинства продуктов, разнобой в применяемых технических решениях, отсутствие единых и внятных стандартов в этой области. Все это отражается на цене изделий, которая, как говорилось выше, достигает десятков миллионов долларов. Однако накопление опыта использования робототехники в отрасли (благодаря ликвидации последствий аварий, росту числа проектов в бэкенде и т. д.) ведет к переходу от индивидуальных решений к типовым. Стандартизация (закрепленная институционально или поначалу неформальная), наряду с совершенствованием технологий и дальнейшим удешевлением компонентной базы и машин в целом, обеспечит снижение стоимости некоторых видов роботов, что будет способствовать расширению сферы применения робототехники. И хотя «атомные» роботы вряд ли сравняются в цене со многими другими, они перестанут быть вынужденной необходимостью или дорогими игрушками, со временем превратившись в обычный инвентарь любого атомного предприятия, что на некоторых АЭС уже происходит.
Дальнейшей роботизации отрасли благоприятствует и спрос: «атомные» роботы становятся все более востребованными из-за быстрого роста масштабов деятельности, связанной с выводом из эксплуатации, решением проблем ядерного наследия, ликвидацией последствий аварий, развитием инфраструктуры хранения и захоронения РАО и ОЯТ — подобного спроса раньше просто не было. Таким образом, встречное движение технологий и рынка усиливается, превращая роботизацию в одно из ключевых направлений развития атомной индустрии.
Есть и еще один фактор, который, несомненно, окажет влияние на траекторию роста в этой области. Крупнейшие аварии на ядерных объектах каждый раз «подхлестывали» развитие робототехники. И все же именно Фукусима, похоже, стала той последней каплей, за которой следует сдвиг в стратегии государств и компаний. Эта катастрофа произошла в ту технологическую эпоху, когда роботы в принципе позволяли, как минимум, предотвратить столь фатальные последствия. Но этого сделано не было, в том числе из-за излишней веры в «непробиваемость» глубокоэшелонированной противоаварийной защиты АЭС и неоправданного сворачивания программ развития специализированной «атомной» робототехники в Японии (см. Справку). Такая стратегия не оправдалась, и Фукусима стала очевидным историческим уроком для тех, кто недооценивал значимость роботизации атомных предприятий и не использовал принципиально новые возможности, предоставляемые очередной технологической революцией.
«Атомные» роботы: фактурные штрихи к портрету
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2019