美國(guó)大學(xué)研究人員和STEM學(xué)生正在為DOE的核工業(yè)項(xiàng)目體開(kāi)發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)。
1、環(huán)境修復(fù)工作
美國(guó)能源部(DOE)環(huán)境管理辦公室(EM)的任務(wù)是解決冷戰(zhàn)50年期間核武器生產(chǎn)和政府資助的核能研究項(xiàng)目造成的環(huán)境遺留問(wèn)題。
這一“遺產(chǎn)”包括世界上最危險(xiǎn)的放射性區(qū)域，其中有大量放射性廢物、核廢料、多余的钚和鈾、數(shù)千個(gè)受污染的核設(shè)施，以及受污染的土壤和地下水。
EM成立于1989年，負(fù)責(zé)應(yīng)對(duì)冷戰(zhàn)遺留問(wèn)題的清理和剩余核材料的管理。
作為世界上最大的環(huán)境清理項(xiàng)目，EM已負(fù)責(zé)清理美國(guó)全國(guó)107個(gè)地點(diǎn)，其總面積相當(dāng)于美國(guó)羅德島州和特拉華州的總和。
EM在核廢料清理的幾乎每個(gè)領(lǐng)域都取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，并已完成其中91個(gè)地點(diǎn)的清理。
自1995年以來(lái)，佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)(FIU)應(yīng)用研究中心通過(guò)在高放廢物管理領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究，為EM任務(wù)做出了貢獻(xiàn);停用和退役;土壤和地下水;機(jī)器人技術(shù);信息技術(shù);以及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)教育和培訓(xùn)。
以下是FIU為支持EM環(huán)境修復(fù)工作而開(kāi)發(fā)的各種機(jī)器人。
2、外部管道爬行機(jī)器人
圖1：外部管道爬行機(jī)器人臺(tái)架試驗(yàn)
FIU正在開(kāi)發(fā)一種爬行機(jī)器人，可以幫助評(píng)估薩凡納河(Savannah River)現(xiàn)場(chǎng)H Canyon排氣隧道的結(jié)構(gòu)完整性。
60多年來(lái)，由于隧道排出的放射性和酸性煙霧，隧道的混凝土墻已經(jīng)損毀。
這項(xiàng)研究是與美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校聯(lián)合進(jìn)行，這兩所大學(xué)通過(guò)DOE的核能大學(xué)項(xiàng)目平臺(tái)開(kāi)發(fā)機(jī)器人，該機(jī)器人平臺(tái)將開(kāi)發(fā)和部署爬行機(jī)器人，并提供檢查隧道的手段。
爬行利用電子管道風(fēng)扇產(chǎn)生動(dòng)力，使系統(tǒng)能夠在排氣通道內(nèi)3英尺直徑的鋁管道整個(gè)圓周上導(dǎo)航爬行，移動(dòng)平臺(tái)由我們的合作者開(kāi)發(fā)。
爬行履帶的底盤設(shè)計(jì)與管道的幾何形狀相匹配，以便在履帶底盤的下側(cè)和管道表面之間保持一致的分離距離(圖1)。
管道是圓柱形的，履帶設(shè)計(jì)為在四個(gè)車輪的每個(gè)車輪上使用2-DOF(自由度)電機(jī)安裝裝置。
可以讓履帶橫向移動(dòng)，然后徑向移動(dòng)，或者反之亦然，移動(dòng)到管道表面上的任何點(diǎn)，直到到達(dá)所需位置。
履帶可以配備一套傳感器，以幫助表征隧道內(nèi)的條件，包括輻射、熱和濕度傳感器。
利用車載攝像頭，工程師將能夠直觀地評(píng)估管道后面墻壁的損壞情況。
履帶的最終原型將能夠執(zhí)行半自主或自主任務(wù)，目標(biāo)是成為一個(gè)多功能系統(tǒng)，可用于幫助隧道的結(jié)構(gòu)評(píng)估，并提供隧道內(nèi)條件的信息。
3、內(nèi)部管道爬行機(jī)器人
圖片圖2：3英寸和4英寸內(nèi)部爬行機(jī)器人
FIU還為DOE開(kāi)發(fā)多個(gè)內(nèi)部管道爬行機(jī)器，用于管道和基礎(chǔ)設(shè)施的檢查(圖2)。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多用于工業(yè)中各種應(yīng)用的管道爬行機(jī)器人，但很少有人專注于小直徑管道。
FIU的第一臺(tái)管道爬行機(jī)器人由EM資助，設(shè)計(jì)用于穿過(guò)直徑3英寸和4英寸、長(zhǎng)度可達(dá)150英尺的管道，并在多個(gè)45°和90°的角度中導(dǎo)航。導(dǎo)航通過(guò)漢福德的雙殼罐空氣供應(yīng)線，以提供有關(guān)油箱內(nèi)完整性的信息。
爬行機(jī)器人由兩個(gè)夾持管壁的夾具和兩個(gè)可伸縮的伸縮器組成。
這四個(gè)模塊使用氣動(dòng)制動(dòng)器，并依次啟動(dòng)以提供向前和向后的運(yùn)動(dòng)。
該單元包括位于單元前部的用于實(shí)時(shí)視頻反饋的攝像頭、為制動(dòng)器提供空氣的系繩以及攝像頭的電源和數(shù)據(jù)線。
由于該系統(tǒng)是模塊化的，因此可以根據(jù)需要添加額外的夾具或延長(zhǎng)器。
FIU也在發(fā)展傳感器模塊，可以集成到系統(tǒng)中，并可以提供一套傳感器，包括光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)系統(tǒng)、超聲波傳感器和環(huán)境傳感器。
爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，成本效益高，使用了3D打印部件和商用現(xiàn)成的制動(dòng)器、攝像頭和傳感器。
圖3：6英寸內(nèi)管道爬行機(jī)器人原型機(jī)
除了3英寸和4英寸管道爬行機(jī)器人外，F(xiàn)IU正在開(kāi)發(fā)一種6英寸，其工作方式與其正在開(kāi)發(fā)中的姊妹爬行機(jī)器人類似，以穿過(guò)6英寸排水管(圖3)。
漢福德雙殼罐的排水管與二次襯里下方的排水槽相匹配，并為檢查二次襯里提供了一條途徑。
6英寸版本的預(yù)期目的是用90°彎頭在大約50英尺的管道中導(dǎo)航，并部署一個(gè)兒童漫游車——一個(gè)安裝在較大漫游車上的較小機(jī)器人設(shè)備，可以穿過(guò)排水槽，并提供有關(guān)二次襯完整性的信息。
與較小的爬行機(jī)器人不同，這個(gè)版本預(yù)計(jì)在管道內(nèi)的結(jié)垢、水和泥漿檢查方面會(huì)有重要意義。
對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，以解決這些約束條件，其中引導(dǎo)件將有助于移動(dòng)經(jīng)過(guò)縮放和氣動(dòng)制動(dòng)器，氣動(dòng)制動(dòng)器垂直于夾持器，以最大化夾持力。
圖3顯示了初始設(shè)計(jì)原型和更堅(jiān)固的原型，具有更堅(jiān)固的框架和更強(qiáng)的拉力。該系統(tǒng)還可以增加傳感器模塊，以提供關(guān)于管道內(nèi)部的附加信息。
圖4：2英寸爬行機(jī)器人原型機(jī)
FIU還在開(kāi)發(fā)一種履帶式設(shè)備，該設(shè)備可在2英寸直徑的管道中導(dǎo)航(圖4)，由DOE國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室資助，旨在檢查化石能源發(fā)電廠的過(guò)熱器線路。
由于管道直徑較小的限制，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不可能的，因此采用了螺母/導(dǎo)螺桿設(shè)計(jì)。
此外，過(guò)熱器管線具有180°彎曲，彎曲半徑不同。這需要一個(gè)明顯更小的模塊幾何形狀，電機(jī)只能提供較大履帶產(chǎn)生的拉力的一小部分。預(yù)計(jì)該裝置將需要與多個(gè)履帶相連，以穿過(guò)過(guò)熱器管線的整個(gè)長(zhǎng)度。
與其他爬行機(jī)器人類似，框架由3D打印材料制成，系統(tǒng)組件可在市場(chǎng)上買到。
該系統(tǒng)還將具有額外的模塊，這些模塊將容納小型超聲波傳感器，這些傳感器提供有關(guān)管道完整性的信息。
4、微型漫游車
圖5：微型漫游車的初始原型
FIU一直在開(kāi)發(fā)一種微型漫游車，用于在漢福德的雙殼罐主內(nèi)襯下方的耐火材料槽中導(dǎo)航。
槽分配空氣以冷卻儲(chǔ)罐的主襯里，并提供了獲得儲(chǔ)罐具體情況信息的最佳方法。
對(duì)于漢福德的大多數(shù)罐來(lái)說(shuō)，槽寬約1英寸，結(jié)構(gòu)像從罐中心伸出的樹(shù)枝。
油箱內(nèi)襯由碳鋼制成，可以使用磁鐵將漫游車粘附在油箱內(nèi)襯的下側(cè)。
圖5：微型漫游車的最終原型
漫游車(圖5)可以通過(guò)儲(chǔ)罐的環(huán)形空間部署，并可以從環(huán)形空間進(jìn)入任何耐火材料槽。
然后，它需要行駛大約35英尺才能到達(dá)油箱的中心。漫游車由四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子提供動(dòng)力，包括一個(gè)攝像頭和一個(gè)磁性機(jī)械臂，使該裝置能夠在焊縫上導(dǎo)航。
在不久的將來(lái)，一個(gè)額外的模塊，包括一個(gè)超聲波傳感器，將連接到漫游車的后部，該傳感器能夠測(cè)量?jī)?nèi)襯的厚度并識(shí)別關(guān)注區(qū)域
5、外骨骼
圖6：用于人體測(cè)試的肌電圖傳感器，放置在手上
開(kāi)發(fā)機(jī)器人操縱器/手和操作員輔助設(shè)備(如可穿戴機(jī)器人設(shè)備(外骨骼和傳感器))，可以最大限度地減少工人疲勞和員工傷害。
外骨骼可最大限度地減少操作員的肌肉疲勞和受傷，而機(jī)器人操作器可用于自動(dòng)化重復(fù)和預(yù)定義的常規(guī)任務(wù)。
FIU與佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)和愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，計(jì)劃開(kāi)展一個(gè)由EM資助的機(jī)器人研究項(xiàng)目。
該項(xiàng)目的目標(biāo)是量化手套箱操作期間的人體疲勞操作，并評(píng)估用于這些任務(wù)的靈巧機(jī)器人機(jī)械手的可行性。
研究包括調(diào)查各種手套箱任務(wù)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)使用肌電圖傳感器檢測(cè)人體肌肉疲勞，定制機(jī)械手和手臂組合以執(zhí)行相同任務(wù)，以及兩種測(cè)試方法之間性能比較的統(tǒng)計(jì)分析：使用人類執(zhí)行任務(wù)和使用機(jī)械臂/手執(zhí)行相同的任務(wù)。
此外，在該項(xiàng)目的第二階段，F(xiàn)IU團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大了研究范圍，包括開(kāi)發(fā)一種新型設(shè)計(jì)以及外骨骼機(jī)構(gòu)的原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。
作為第一步，F(xiàn)IU團(tuán)隊(duì)專注于開(kāi)發(fā)高精度肌電圖設(shè)備，這是業(yè)界首個(gè)經(jīng)過(guò)Wi-Fi認(rèn)證的內(nèi)置Wi-Fi連接的單片微控制器。
圖6：用于人體測(cè)試的肌電圖傳感器，放置在手臂上
該傳感器的目的是量化手套箱操作過(guò)程中的人體疲勞。傳感器(圖6)用于人體測(cè)試和數(shù)據(jù)采集。
傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括其低姿態(tài)的特性和傳感器的放置范圍，這使得設(shè)備能夠準(zhǔn)確地記錄，同時(shí)使手和手臂不受阻礙，并具有充分的靈活性。
為了使用肌電圖設(shè)備量化人體疲勞，人體受試者獲得了機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的批準(zhǔn)。
實(shí)驗(yàn)期間使用了i-Limb量子機(jī)械手。
這只手帶有一個(gè)用戶控制的界面，有兩個(gè)輸入來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉手。
一個(gè)名為BioSim的應(yīng)用程序可以用于在所選擇的抓握類型之間切換，如手指敲擊、強(qiáng)力抓握、橫向卡夾或拇指和食指之間的精確抓握。
為了使用為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的控制器操作手，選擇了Teensy 3.6微控制器。
該微控制器能夠輸出兩個(gè)模擬信號(hào)用于手動(dòng)控制，這兩個(gè)信號(hào)由操作員通過(guò)操縱桿指定，以打開(kāi)和關(guān)閉手。
此外，UR5機(jī)械臂被編程為在用戶控制機(jī)械手的同時(shí)自主運(yùn)行。這允許預(yù)先編程的路徑，這些路徑獨(dú)立于對(duì)手臂的控制來(lái)處理挖砂和刷磚任務(wù)。
手臂和手初始化后，將手插入手套中。
圖7：將手插入手套箱進(jìn)行測(cè)試的步驟：(a)將指尖插入手套的初始手姿勢(shì)，(b)將手完全插入手套，以及(c)將手插入到手套箱的手臂。
這是通過(guò)將手配置為預(yù)先編程的姿勢(shì)，并將指尖插入手套來(lái)完成的(圖第7a段)。
手臂程序開(kāi)始將手穿過(guò)手套開(kāi)口，同時(shí)用戶將手套進(jìn)一步滾動(dòng)到手上(圖7b)。
這種情況一直持續(xù)到手完全處于手套箱中運(yùn)行任務(wù)的起始位置(圖7c)。
按照相反的順序，進(jìn)行同樣的程序，將手從手套箱中取出，運(yùn)行預(yù)先編程的軌跡進(jìn)行取出。
在人體測(cè)試過(guò)程中設(shè)置的刷磚任務(wù)也用于機(jī)器人測(cè)試。
四塊磚被放置在手套箱中，呈弧形配置，這樣機(jī)器人就可以夠到每一塊磚。
圖8：一次刷磚動(dòng)作過(guò)程圖片
對(duì)于該任務(wù)，機(jī)器人被編程為刷每塊磚10次，然后前進(jìn)到下一塊磚，如圖8所示。
一直循環(huán)到最后一塊磚，并在實(shí)驗(yàn)期間重復(fù)進(jìn)行。
用戶界面允許參與者在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制抓握刷子的手，同時(shí)手臂根據(jù)預(yù)先編程的路徑計(jì)劃自主移動(dòng)。
6、輻射測(cè)繪
圖9：Jaguar V6履帶式機(jī)器人平臺(tái)，配有機(jī)械臂和儀器。
準(zhǔn)確的設(shè)施特征信息是成功理解放射性危害、規(guī)劃清理工作和實(shí)現(xiàn)DOE標(biāo)準(zhǔn)和指南制定的質(zhì)量保證目標(biāo)的關(guān)鍵因素。
在表征設(shè)施時(shí)，先進(jìn)的自主系統(tǒng)是安全、高效、經(jīng)濟(jì)高效的工具，可以安全地部署最先進(jìn)的儀器，而不會(huì)使工人面臨輻射風(fēng)險(xiǎn)。
考慮到許多設(shè)施的大尺寸，再加上輻射傳感器的高成本和放射源的性質(zhì)，移動(dòng)系統(tǒng)為目前的現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行的手動(dòng)測(cè)量提供了一種具有成本效益的替代方案。
自主系統(tǒng)還可用于在運(yùn)行、退役和/或最終狀態(tài)評(píng)估期間評(píng)估設(shè)施狀況所需的連續(xù)輻射測(cè)量。
這項(xiàng)研究的目的是通過(guò)提供無(wú)損伽馬測(cè)量、激光和視覺(jué)測(cè)繪，以及可能的放射性基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)施的高光譜成像數(shù)據(jù)，支持核電站停用和退役活動(dòng)。
如圖9所示，Jaguar V6履帶式機(jī)器人平臺(tái)配備了一個(gè)機(jī)械臂，該機(jī)械臂攜帶一個(gè)末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器與一個(gè)緊湊的高性能伽馬射線光譜儀和一個(gè)深度相機(jī)相耦合。
平臺(tái)上安裝了幾臺(tái)攝像機(jī)和一臺(tái)多通道三維激光雷達(dá)，以便于自主導(dǎo)航和繪制地圖。
5-DOF機(jī)械臂增加了系統(tǒng)執(zhí)行輻射傳感和映射的能力，因?yàn)閭鞲衅骱蜕疃认鄼C(jī)可以定位在狹小且難以到達(dá)的位置。
FIU團(tuán)隊(duì)一直在測(cè)試機(jī)器人操作系統(tǒng)社區(qū)中提供的幾個(gè)最先進(jìn)的同步定位和映射(SLAM)軟件包。
圖10：FIU應(yīng)用研究中心機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室
圖10：同一實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)施基于實(shí)時(shí)外觀的映射后
圖10顯示了使用基于實(shí)時(shí)外觀的映射(RTAB映射)的初步映射結(jié)果。
點(diǎn)云——通常由3D掃描儀產(chǎn)生的空間中的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，
使用3D激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和采用視覺(jué)SLAM算法的立體相機(jī)圖像來(lái)生成測(cè)量周圍物體外表面上的許多點(diǎn)的圖像。
連續(xù)的相機(jī)幀被用來(lái)跟蹤設(shè)定點(diǎn)，并對(duì)其三維位置進(jìn)行三角測(cè)量，同時(shí)使用這些信息來(lái)近似確定相機(jī)位置。
對(duì)于輻射建模策略，環(huán)境中存在的輻射水平，將由位于無(wú)人地面飛行器末端執(zhí)行器的高性能輻射傳感器測(cè)量。
傳感器收集的數(shù)據(jù)將被同化到一個(gè)連續(xù)的隨機(jī)分布模型中，以便能夠在未觀測(cè)到的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)一致的預(yù)測(cè)，從而估計(jì)輻射分布。
該團(tuán)隊(duì)還致力于開(kāi)發(fā)一種自適應(yīng)采樣策略，以指導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
與建模策略類似，我們正在利用高斯過(guò)程回歸對(duì)預(yù)期輻射分布進(jìn)行建模，以選擇采樣位置。
回歸是使用以前在類似應(yīng)用中使用的Matérn核方法完成的。
7、展望未來(lái)
EM在過(guò)去30年中取得了巨大進(jìn)步，但在未來(lái)幾十年將面臨非常困難的環(huán)境修復(fù)挑戰(zhàn)，機(jī)器人的使用將在EM未來(lái)的努力中發(fā)揮重要作用。
這里概述的研究工作在研究和教育方面都有很多好處。
除了為新興市場(chǎng)環(huán)境修復(fù)任務(wù)提供工程和研究解決方案外，這些項(xiàng)目還為FIU的STEM學(xué)生提供了機(jī)會(huì)，以提高他們的知識(shí)和技能，并有可能為他們未來(lái)就業(yè)做好準(zhǔn)備。
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