Novo sistema telerobótico para limpeza de resíduos perigosos demonstrado com sucesso

Como podem ir onde os humanos não conseguem, os robôs são especialmente adequados para trabalhar com segurança com resíduos nucleares perigosos. Mas primeiro, esses robôs precisam de se tornar semelhantes aos humanos que estão a substituir, com braços e dedos que possam imitar de perto os movimentos de uma pessoa.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) projetaram e testaram um sistema telerobótico de braço duplo controlado remotamente com capacidades semelhantes às humanas que têm o potencial de revolucionar a limpeza de resíduos perigosos e têm potencial para uma abordagem mais ampla. formulários.

Projetado como parte de um projeto multilaboratorial e multiinstitucional, o sistema telerobótico foi recentemente testado com sucesso em um ambiente simulado e não radioativo no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do DOE. Junto com Argonne e ORNL, o Oak Ridge Office of Environmental Management (OREM), a University of Illinois Chicago (UIC), a Northwestern University e a United Cleanup Oak Ridge, LLC (UCOR) são colaboradores no projeto de três anos lançado em 2023 .

A tecnologia ainda está em fase de protótipo. O objectivo a longo prazo é utilizar robôs colaborativos, ou “cobots”, e tecnologias digitais emergentes para ajudar a limpar resíduos nucleares em instalações nucleares inactivas supervisionadas pelo Gabinete de Gestão de Emergências do DOE. A tecnologia também tem potencial para usos além dos locais de resíduos nucleares do DOE.

Demonstração comprovou a capacidade do robô e ofereceu treinamento

Na indústria nuclear, células quentes e sistemas de porta-luvas foram, durante décadas, o método tradicional de manuseio de materiais radioativos. As células quentes são células de concreto fortemente blindadas com manipuladores mecânicos para manusear materiais altamente radioativos.

Da mesma forma, os operadores remotos também podem usar manipuladores semelhantes a pinças para mover os materiais dentro da célula quente. Um porta-luvas é um recipiente bem selado encontrado dentro da célula quente, com aberturas que permitem aos operadores do laboratório acessar as luvas anexadas para manobrar e estudar materiais perigosos.

No entanto, estes sistemas já não são úteis, uma vez que dependem de tecnologia obsoleta e operada manualmente e não podem ser movidos para locais de trabalho. O sistema robótico móvel de célula quente da Argonne, que pode ser facilmente implantado no local, essencialmente robotizaria o método atual.

A recente demonstração do robô projetado por Argonne foi realizada em uma instalação de processamento radioquímico ORNL há muito fechada que abriga diversos resíduos radioquímicos.

Na demonstração, o objetivo era usar tecnologia telerobótica para manusear os simulados recipientes de lixo nuclear contidos em uma célula quente nas instalações do ORNL. O material nos recipientes é listado pelo DOE como contendo materiais radioativos. Equipados com braços notavelmente hábeis e com vários dedos, os robôs abriram com sucesso os falsos recipientes de lixo nuclear, inspecionaram e classificaram seu conteúdo e fecharam os recipientes.

Durante a demonstração de uma semana, os membros da equipe receberam treinamento prático para realizar tarefas específicas, como manipular os braços do robô para abrir uma garrafa plástica.

A tecnologia telerobótica marca um passo importante na melhoria da limpeza segura e eficaz de materiais perigosos em instalações nucleares, disse o designer do sistema, Young Soo Park, que lidera o Programa de Robótica e Sistemas Remotos da Argonne na divisão de Materiais Aplicados.

“Juntamente com Argonne, toda a comunidade robótica tem desenvolvido novas tecnologias robóticas inovadoras. Mas tem havido muito poucas demonstrações reais das capacidades do sistema telerobótico”, disse Park. “A demonstração de grande sucesso [at ORNL] provou a viabilidade técnica deste conceito inédito, implementando um sistema telerobótico complexo e hábil para aplicações práticas.”

Com base em décadas de experiência em robótica, os cientistas da Argonne desenvolveram o sistema telerobótico em apenas seis meses no Laboratório de Realidade Aumentada e Robótica da Argonne. No final de 2023, a tecnologia foi transportada para o ORNL para integração com os sistemas móveis de células de trabalho do laboratório.

O novo sistema robótico é executado na plataforma de software de gêmeo digital de realidade mista da Argonne. O sistema integra modelos virtuais, exibições sensoriais e tecnologia de controle de hardware. A tecnologia de gêmeo digital atua como uma ponte entre os mundos real e virtual, criando uma réplica digital, ou gêmeo, de um objeto físico. O gêmeo digital oferece suporte à otimização em todas as fases do sistema de operação remota, incluindo projeto, operação de treinamento e análise.

Sentados em uma estação de trabalho digital, os operadores equipados com fones de ouvido de realidade virtual e luvas táteis sensíveis ao toque podem controlar os robôs física e virtualmente ao mesmo tempo. Quando o operador move os braços, o robô de dois braços imita os movimentos. As luvas sensíveis ao toque permitem ao operador tocar e sentir os objetos de maneira natural e eficaz. Os sensores nas luvas fornecem aos operadores feedback direto que ajuda a melhorar a precisão e a exatidão da tarefa.

“Nosso primeiro objetivo no projeto de sistemas telerobóticos é facilitar uma ‘telepresença’, fazer com que o operador se sinta presente dentro da célula quente, capaz de manipular os objetos com ambas as mãos e experimentar feedback sensorial multimodal de forma direta e natural. caminho”, disse Park.

A tecnologia robótica de células quentes poderia eventualmente substituir células quentes e sistemas de porta-luvas para uma ampla variedade de aplicações de manuseio de materiais perigosos. O sistema telerobótico móvel pode passar de uma célula quente para outra. Os operadores podem manipular, classificar e inspecionar roboticamente resíduos perigosos a partir de um local remoto sem remover os materiais da célula. “Nosso sistema robótico móvel melhora muito a segurança e a eficiência do trabalhador e reduz custos”, disse Park.

Sendo um dos sistemas de avatar mais avançados, o sistema telerobótico de braço duplo tem potencial para aplicações fora da indústria nuclear.

“O sistema telerobótico pode ser usado em aplicações onde é necessária telepresença física”, disse Park. “Os exemplos incluem aplicações industriais, como construção e manutenção de instalações e aplicações de serviços sociais, como sistemas médicos e de saúde. Além disso, a célula quente robótica pode ser usada para substituir células quentes e porta-luvas em aplicações científicas e industriais, como em experimentos de laboratório e processamento de materiais.”

Teste no mundo real do sistema telerobótico planejado este ano

A experiência diversificada da equipe e a estreita colaboração são fundamentais para o sucesso do projeto. Cada parceiro gerencia uma parte do projeto com conclusão prevista para 2024.

Argonne desenvolveu o software digital twin, construiu o sistema robótico de braço duplo e testou com sucesso sua teleoperação. A Northwestern University desenvolveu o protótipo para manipulação hábil com vários dedos dos braços robóticos. A UIC desenvolveu o sistema de automação integrado.

ORNL está desenvolvendo a estrutura móvel de células quentes para sistemas de manuseio remoto. A UCOR, empresa contratada de limpeza da reserva Oak Ridge do DOE, gerencia a segurança e a saúde ambiental durante todo o projeto. O Escritório de Gerenciamento de Emergências do DOE supervisionará o progresso até a conclusão.

A equipe está avançando na tecnologia de célula quente de robótica móvel para se preparar para uma demonstração no mundo real ainda este ano. Uma demonstração bem-sucedida abrirá caminho para o uso do sistema telerobótico móvel para ajudar o Escritório de Gestão Ambiental do DOE na limpeza de 107 instalações nucleares. O complexo ORNL é uma das 15 instalações nucleares restantes ainda em fase de limpeza.