Around Radiation Detectors

เรียนรู้เพิ่มเติม

Ep52: เทคโนโลยีหุ่นยนต์ขั้นสูงสำหรับงานนิวเคลียร์ (Advanced Nuclear Robotics)

เทคโนโลยีหุ่นยนต์ขั้นสูงสำหรับงานนิวเคลียร์

(Advanced Nuclear Robotics)

เทคโนโลยีหุ่นยนต์ขั้นสูงสำหรับงานนิวเคลียร์ (Advanced Nuclear Robotics) เป็นการ บูรณาการวิศวกรรมเครื่องกล ระบบควบคุม การตรวจวัดรังสี และการประมวลผลข้อมูล เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถสำรวจ ตรวจสอบ และปฏิบัติงานในพื้นที่ที่มีข้อจำกัดในการเข้าถึงหรือมีอันตรายต่อบุคลากร เช่น พื้นที่รังสีสูง บริเวณปนเปื้อนกัมมันตรังสี บ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว และสถานประกอบการที่อยู่ระหว่างการรื้อถอน

เป้าหมายสำคัญคือการลดความจำเป็นในการให้บุคลากรเข้าไปสัมผัสอันตรายโดยตรง เพิ่มคุณภาพของข้อมูล และช่วยให้ปฏิบัติงานได้อย่างสม่ำเสมอ โดยวงจรการทำงานประกอบด้วย การตรวจรับข้อมูล (Sensing) การระบุตำแหน่ง (Localization) การสร้างแผนที่ (Mapping) การตัดสินใจ (Decision-making) การปฏิบัติงาน (Action) และการตรวจสอบผล (Verification)

1. การเคลื่อนที่และการจัดการวัตถุ (Mobility and Manipulation)

ต้องออกแบบให้เหมาะกับพื้นที่และลักษณะภารกิจ การสำรวจอาคาร การตรวจสอบใต้น้ำ และการตัดชิ้นส่วนปนเปื้อนต้องการสมรรถนะของหุ่นยนต์แตกต่างกัน

รูปแบบหุ่นยนต์ลักษณะการใช้งานประเด็นที่ต้องพิจารณา
หุ่นยนต์สี่ขา (Quadruped Robot)สำรวจอาคาร เดินผ่านพื้นต่างระดับ และขึ้นลงบันไดภายในขอบเขตสมรรถนะเสถียรภาพ น้ำหนักบรรทุก และระยะเวลาการใช้แบตเตอรี่
หุ่นยนต์ล้อหรือตีนตะขาบ (Wheeled or Tracked Robot)ตรวจสอบพื้นอาคาร อุโมงค์ และขนย้ายเครื่องมือการยึดเกาะ การผ่านสิ่งกีดขวาง และความเสี่ยงต่อการติดค้าง
ยานใต้น้ำควบคุมจากระยะไกล (Remotely Operated Vehicle: ROV)ตรวจสอบบ่อ ถัง และโครงสร้างใต้น้ำ รวมถึงเก็บตัวอย่างเมื่อมีเครื่องมือรองรับความขุ่น การรั่วซึม การพันกันของสายควบคุม และการกู้คืน
ยานใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Vehicle: AUV)สำรวจใต้น้ำตามภารกิจที่กำหนดด้วยระบบควบคุมบนยานการระบุตำแหน่ง การสื่อสาร และความเหมาะสมกับพื้นที่จำกัด
แขนกล (Robotic Manipulator)จับ ยก หมุนวาล์ว เก็บตัวอย่าง และใช้เครื่องมือตัดระยะเอื้อม ความแม่นยำ แรงจับ และการป้องกันวัตถุตก
อากาศยานไร้คนขับ (Unmanned Aerial Vehicle: UAV)ตรวจสอบบริเวณสูง หลังคา ผนัง และสำรวจพื้นที่กว้างน้ำหนักหัววัด ระยะเวลาบิน สิ่งกีดขวาง และระบบนำทาง

หุ่นยนต์เคลื่อนที่อาจติดตั้งแขนกลเป็น หุ่นยนต์เคลื่อนที่พร้อมแขนกล (Mobile Manipulator) เพื่อเดินทางไปยังตำแหน่งเป้าหมายแล้วปฏิบัติงานกับวัตถุได้ เช่น เข้าไปเก็บตัวอย่างหรือหมุนวาล์ว อย่างไรก็ตาม การเพิ่มแขนกล หัววัด และวัสดุกำบังรังสีจะเปลี่ยนน้ำหนักและจุดศูนย์ถ่วง จึงต้องประเมินเสถียรภาพและการใช้พลังงานร่วมกัน

2. การตรวจวัดรังสีและสภาพแวดล้อม (Radiological and Environmental Sensing)

ทำให้หุ่นยนต์สามารถรวบรวมข้อมูลสำหรับประเมินพื้นที่และวางแผนงาน การเลือกตัวตรวจรู้ (Sensor) ต้องสัมพันธ์กับปริมาณที่ต้องการวัดและอันตรายที่คาดว่าจะพบ

  • หัววัดรังสีแกมมา (Gamma-ray Detector) ใช้สำรวจสนามรังสีและค้นหาบริเวณที่มีสัญญาณสูง หากวัดสเปกตรัมพลังงานได้ สามารถใช้แกมมาสเปกโทรเมทรี (Gamma-ray Spectrometry) ช่วยจำแนกนิวไคลด์กัมมันตรังสี (Radionuclide Identification)
  • หัววัดนิวตรอน (Neutron Detector) ใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับสนามนิวตรอน โดยต้องเลือกชนิดและการตอบสนองต่อพลังงานให้เหมาะสมกับภารกิจ
  • หัววัดตรวจการปนเปื้อน (Contamination Probe) ใช้ตรวจการปนเปื้อนกัมมันตรังสี (Radioactive Contamination) บนพื้นผิว โดยเฉพาะการวัดแอลฟาและบีตาที่ต้องควบคุมระยะระหว่างหัววัดกับผิวอย่างเหมาะสม
  • กล้องแสงที่มองเห็นและกล้องถ่ายภาพความร้อน (Optical Camera and Thermal Camera) ใช้ตรวจรอยรั่ว การกัดกร่อน ตำแหน่งวัตถุ และความผิดปกติทางความร้อน
  • ไลดาร์ (Light Detection and Ranging: LiDAR) ใช้วัดระยะและรูปทรงของพื้นที่ เพื่อสร้างแผนที่สามมิติและหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง
  • ตัวตรวจรู้สภาพแวดล้อมและเครื่องมือเก็บตัวอย่าง (Environmental Sensors and Sampling Tools) ใช้วัดอุณหภูมิ ความชื้น ก๊าซ หรือเก็บน้ำ ตะกอน และสิ่งปนเปื้อนไปวิเคราะห์เพิ่มเติม

ในการแปลผลการตรวจวัด อัตรานับ (Count Rate) เช่น จำนวนครั้งต่อวินาที (counts per second: cps) ไม่สามารถใช้แทนอัตราปริมาณรังสี (Dose Rate) เช่น µSv/h หรือ กัมมันตภาพรังสี (Activity) เช่น Bq ได้โดยตรง การแปลงอัตรานับเป็นปริมาณเหล่านี้ต้องอาศัยข้อมูล การสอบเทียบ (Calibration) ที่เหมาะสม โดยคำนึงถึงปัจจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น ประสิทธิภาพการตรวจวัด (Detection Efficiency) การตอบสนองต่อพลังงาน (Energy Response) และเรขาคณิตของการวัด (Measurement Geometry) ซึ่งรวมถึงระยะห่างและการจัดวางแหล่งกำเนิดรังสีกับหัววัด

นอกจากนี้ กล้องถ่ายภาพความร้อนตรวจการแผ่รังสีอินฟราเรดจากพื้นผิว ส่วนการตรวจรังสีไอออไนซ์ต้องใช้หัววัดที่ออกแบบสำหรับรังสีชนิดนั้น การติดตั้งกล้องเพียงอย่างเดียวจึงยังไม่ทำให้หุ่นยนต์สามารถประเมินอันตรายทางรังสีได้ครบถ้วน

3. การระบุตำแหน่งและการรับรู้สภาพแวดล้อม (Localization and Perception)

ช่วยให้หุ่นยนต์ทราบว่าตนเองอยู่ที่ใด มีสิ่งกีดขวางอะไร และข้อมูลที่วัดได้มาจากตำแหน่งใด ภายในอาคารที่มีผนังหนาหรือโครงสร้างใต้ดิน อาจไม่สามารถใช้สัญญาณจากระบบนำทางด้วยดาวเทียม (Global Navigation Satellite System: GNSS) ได้อย่างเพียงพอ

เทคโนโลยีสำคัญคือ การระบุตำแหน่งพร้อมสร้างแผนที่ (Simultaneous Localization and Mapping: SLAM) ซึ่งใช้ข้อมูลจากกล้อง LiDAR และหน่วยวัดความเฉื่อย (Inertial Measurement Unit: IMU) ตามการออกแบบของระบบ เพื่อประมาณการเคลื่อนที่และสร้างแผนที่พื้นที่

เมื่อนำข้อมูลตำแหน่งมารวมกับค่าตรวจวัดรังสี จะสร้าง แผนที่รังสี (Radiation Map) ที่เชื่อมโยงลักษณะอาคารกับการกระจายของรังสีได้ งานวิจัยของ Autonomous Robots Lab แสดงตัวอย่างการสร้างแผนที่สามมิติและค้นหาแหล่งกำเนิดรังสีด้วยหุ่นยนต์ในพื้นที่ที่ไม่มีสัญญาณ GPS. Autonomous Robots Lab

คุณภาพของแผนที่ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของตำแหน่ง การจับคู่เวลาของข้อมูล ระยะเวลานับ และการสอบเทียบหัววัด หากหุ่นยนต์เคลื่อนที่เร็วเกินไป จำนวนสัญญาณที่เก็บได้ในแต่ละตำแหน่งอาจไม่เพียงพอ หรือบริเวณที่มีรังสีสูงอาจปรากฏคลาดเคลื่อนจากตำแหน่งจริง

สีบนแผนที่จึงควรระบุปริมาณ หน่วย ช่วงค่า และความไม่แน่นอน (Uncertainty) อย่างชัดเจน โดยตำแหน่งที่ตรวจพบค่าสูงอาจได้รับอิทธิพลจากแหล่งกำเนิดหลายตำแหน่ง การกำบัง และการกระเจิง จึงยังต้องตรวจสอบเพิ่มเติมก่อนยืนยันตำแหน่งแหล่งกำเนิด

4. โครงสร้างระบบควบคุมแบบลำดับชั้น (Hierarchical Control Architecture)

แบ่งการทำงานออกเป็นระดับ เพื่อแปลงเป้าหมายของผู้ควบคุมให้เป็นการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมและตรวจสอบได้

  1. การวางแผนภารกิจ (Mission Planning) กำหนดเป้าหมาย ลำดับงาน พื้นที่อนุญาต และเงื่อนไขยุติภารกิจ
  2. การนำทางและหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง (Navigation and Obstacle Avoidance) เลือกและปรับเส้นทางไปยังตำแหน่งเป้าหมาย
  3. การวางแผนการเคลื่อนไหว (Motion and Trajectory Planning) คำนวณตำแหน่งและลำดับการเคลื่อนที่ของตัวหุ่นยนต์หรือข้อต่อ
  4. การควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรง (Position, Velocity and Force Control) ใช้ข้อมูลป้อนกลับ (Feedback) ปรับการทำงานให้เป็นไปตามเป้าหมาย
  5. การขับเคลื่อน (Actuation) ส่งคำสั่งไปยังมอเตอร์ ชุดขับ วาล์ว หรือเบรกเพื่อให้เกิดการเคลื่อนไหวจริง

ตัวอย่างเช่น คำสั่งให้ตรวจสอบวาล์วหนึ่งตัวจะถูกแปลงเป็นการเดินทางไปยังตำแหน่งที่กำหนด จัดท่ากล้องหรือแขนกล บันทึกข้อมูล และตรวจสอบว่าผลการตรวจมีคุณภาพเพียงพอ หากเส้นทางถูกปิดกั้น ระบบต้องเลือกทางอื่นหรือรายงานว่าไม่สามารถทำงานนั้นได้

การทำงานแต่ละระดับอยู่ภายใต้ การกำกับดูแลโดยมนุษย์ (Human Supervisory Control) และหน้าที่ด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม ผู้ควบคุมต้องสามารถติดตามสถานะ เปลี่ยนภารกิจ และแทรกแซงได้ตามการออกแบบของระบบ

5. ปัญญาประดิษฐ์ การทำงานอัตโนมัติ และคู่แฝดดิจิทัล (Artificial Intelligence, Autonomy and Digital Twins) ช่วยให้ข้อมูลจากหุ่นยนต์นำไปใช้สนับสนุนการตัดสินใจได้มากขึ้น

  • ปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence: AI) สามารถช่วยจำแนกวัตถุ ตรวจหาความเปลี่ยนแปลงของภาพ และระบุข้อมูลผิดปกติ เช่น อุณหภูมิอุปกรณ์เพิ่มขึ้น วัตถุเคลื่อนย้าย หรือสัญญาณรังสีเปลี่ยนแปลง การตรวจจับความผิดปกติ (Anomaly Detection) ควรแสดงตำแหน่ง เวลา และหลักฐานประกอบ เพื่อให้ผู้เชี่ยวชาญตรวจสอบสาเหตุได้
  • การวางแผนเส้นทางที่คำนึงถึงรังสี (Radiation-aware Path Planning) พิจารณาระยะทาง ระดับรังสี เวลาปฏิบัติงาน และพลังงานที่เหลือร่วมกัน เส้นทางที่สั้นที่สุดอาจทำให้อุปกรณ์ได้รับรังสีสะสมมากกว่าเส้นทางที่ยาวกว่าแต่ผ่านบริเวณรังสีต่ำ จึงต้องเลือกตามวัตถุประสงค์และข้อจำกัดของภารกิจ
  • คู่แฝดดิจิทัล (Digital Twin) เป็นตัวแทนดิจิทัลของระบบจริงที่เชื่อมโยงกับข้อมูลสถานะตามขอบเขตและความถี่ที่กำหนด อาจรวมรูปทรงอาคาร สถานะอุปกรณ์ การเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ และข้อมูลรังสี เพื่อใช้ติดตาม วิเคราะห์ และจำลองงาน แบบจำลองสามมิติที่ไม่มีการเชื่อมข้อมูลสถานะจากระบบจริงยังเป็นแบบจำลองดิจิทัล (Digital Model)

ระบบจำลองช่วยตรวจการชน ประเมินระยะเอื้อม ทดลองลำดับงาน และฝึกผู้ควบคุมก่อนเข้าพื้นที่จริง ตัวอย่างคือโครงการ PFCS Operational Simulator ของ RAICo และ Sellafield ซึ่งใช้ข้อมูลสำรวจสามมิติร่วมกับระบบจำลองหุ่นยนต์เพื่อทดสอบการเปลี่ยนเครื่องมือและขั้นตอนปฏิบัติงาน. RAICo, 2025

6. การทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์ (Human–Robot Interaction)

ต้องทำให้ผู้ควบคุมเข้าใจสถานการณ์และตัดสินใจได้จากข้อมูลที่เพียงพอ รูปแบบการทำงานมีตั้งแต่การควบคุมระยะไกลโดยตรง (Teleoperation) การควบคุมร่วมที่หุ่นยนต์ช่วยหลีกเลี่ยงการชนหรือจำกัดแรง (Shared Control) ไปจนถึงการทำงานอัตโนมัติภายใต้การกำกับ (Supervised Autonomy)

ส่วนติดต่อระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (Human–Machine Interface: HMI) ควรแสดงภาพจากกล้อง ตำแหน่งหุ่นยนต์ แผนที่รังสี สถานะแขนกล แบตเตอรี่ คุณภาพการสื่อสาร และสัญญาณเตือนร่วมกัน เพื่อช่วยสร้าง ความเข้าใจสถานการณ์ (Situational Awareness)

เทคโนโลยีเสมือนจริง (Virtual Reality: VR) และการแสดงข้อมูลเสริมบนภาพจริง (Augmented Reality: AR) อาจช่วยให้เห็นความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ได้ชัดเจนขึ้น ส่วนการสะท้อนแรงกลับสู่ผู้ควบคุม (Haptic Feedback) ช่วยให้รับรู้การสัมผัสและแรงต้านของเครื่องมือ

เมื่อการสื่อสารขาดหาย ระบบต้องตอบสนองตามสภาวะปลอดภัยที่วิเคราะห์ไว้ เช่น หยุดเคลื่อนที่โดยยังคงยึดวัตถุ หรือกลับไปยังตำแหน่งที่ตรวจสอบแล้ว การหยุดจ่ายพลังงานทุกส่วนทันทีอาจไม่เหมาะกับทุกภารกิจ โดยเฉพาะเมื่อแขนกลกำลังยกวัสดุ

7. การทวนสอบความเหมาะสมและความทนทานสำหรับงานนิวเคลียร์ (Nuclear Qualification and Resilience) ต้องมีหลักฐานว่าหุ่นยนต์สามารถทำงานได้ภายใต้สภาพแวดล้อมและข้อจำกัดที่กำหนด โดยพิจารณาประเด็นสำคัญต่อไปนี้

  • ความทนทานต่อรังสี (Radiation Tolerance): ประเมินชนิดและพลังงานรังสี อัตราปริมาณรังสี ระยะเวลาปฏิบัติงาน และการได้รับรังสีสะสมของชิ้นส่วน
  • การควบคุมการปนเปื้อนและการชำระล้าง (Contamination Control and Decontamination): ออกแบบพื้นผิว รอยต่อ และเครื่องมือให้ลดการสะสมหรือแพร่กระจายสิ่งปนเปื้อน
  • ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม (Environmental Robustness): รองรับอุณหภูมิ ความชื้น น้ำ ฝุ่น สารเคมี และแรงกระแทกตามสภาพใช้งาน
  • การสื่อสารและพลังงาน (Communication and Power): ประเมินการสูญเสียสัญญาณและการหมดพลังงานระหว่างภารกิจ
  • ความมั่นคงปลอดภัยไซเบอร์ (Cybersecurity): ควบคุมสิทธิ์เข้าถึงและรักษาความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูลกับคำสั่ง
  • การเข้าสู่สภาวะปลอดภัยเมื่อขัดข้อง (Fail-safe Design): กำหนดการตอบสนองเมื่อการระบุตำแหน่ง ระบบขับเคลื่อน หรือการสื่อสารผิดปกติ
  • ความสามารถในการบำรุงรักษาและกู้คืน (Maintainability and Recoverability): เตรียมวิธีนำหุ่นยนต์กลับหรือจัดการเมื่อไม่สามารถทำภารกิจต่อได้

รังสีอาจเปลี่ยนสมบัติของอิเล็กทรอนิกส์ เซนเซอร์ ชิ้นส่วนเชิงแสง ฉนวน และซีล จึงควรประเมินสมรรถนะของระบบขณะปฏิบัติงานร่วมกับการทดสอบความทนทาน งานของ Zhang และคณะเสนอการทดสอบแขนกลระหว่างเคลื่อนไหวในสนามรังสี เพื่อเชื่อมผลการได้รับรังสีกับความสามารถในการทำงานจริง. Zhang et al., 2020

ตัวชี้วัดควรครอบคลุมความสำเร็จของภารกิจ ความครบถ้วนของข้อมูล ความไม่แน่นอนของการวัด ความแม่นยำของตำแหน่ง และความถี่ที่ต้องให้มนุษย์แทรกแซง รวมทั้งเวลาติดตั้ง การตรวจการปนเปื้อน และการบำรุงรักษาหลังใช้งาน

8. การประยุกต์ใช้งานจริง (Real-world Applications) ครอบคลุมทั้งการสำรวจ การจัดการกาก การตรวจสอบตามรอบเวลา และการตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์ ตัวอย่างที่มีหลักฐานเผยแพร่ ได้แก่

  • Sellafield ประเทศสหราชอาณาจักร: ใช้หุ่นยนต์สี่ขา Spot พร้อมกล้องและ LiDAR สำรวจพื้นที่อันตราย รวมถึงใช้หุ่นยนต์คลานตรวจสอบโครงสร้างท่อ ข้อมูลที่ได้ช่วยประเมินสภาพพื้นที่และวางแผนงานโดยลดความจำเป็นในการให้บุคลากรเข้าไปสำรวจโดยตรง. Sellafield Ltd, 2023
  • การตรวจสอบบริเวณเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน JET: งาน AutoInspect รายงานการทดสอบหุ่นยนต์สำหรับภารกิจสำรวจตามกำหนด เก็บภาพและข้อมูลเซนเซอร์ โดยมีการติดตั้งหัววัดแกมมาเพื่อบันทึกสเปกตรัมด้วย ผลงานนี้แสดงทั้งความสามารถในการตรวจสอบซ้ำและการแทรกแซงที่ยังต้องอาศัยมนุษย์. Staniaszek et al., 2024
  • การพิทักษ์ความปลอดภัยทางนิวเคลียร์ (Nuclear Safeguards): IAEA รายงานการพัฒนายานผิวน้ำไร้คนขับ (Unmanned Surface Vehicle: USV) จากกิจกรรม Robotics Challenge เพื่อช่วยผู้ตรวจสอบยืนยันการมีอยู่ของวัสดุนิวเคลียร์ที่เก็บใต้น้ำ. IAEA, 2019
  • การสำรวจและเก็บตัวอย่างในสถานการณ์อันตราย: งานวิจัย UGV-CBRN เชื่อมการทำแผนที่รังสีอัตโนมัติกับการเก็บตัวอย่างกึ่งอัตโนมัติ โดยมนุษย์กำหนดเป้าหมายและควบคุมจากระยะไกล มีการรายงานผลทดสอบภาคสนามภายใต้สถานการณ์จำลองที่กำหนด. Schwaiger et al., 2024

เอกสารอ้างอิง

ใส่ความเห็น