1 研究背景

可控核聚变又称“人造小太阳”，作为一种清洁、高效且近乎无限的颠覆性能源技术，被认为是人类能源“终极解决方案”，已成为全球能源研究发展的热点。国务院、发改委等部门发布了《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》、《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》和《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》等一系列重大战略规划和政策文件，将核聚变技术列为支持重点发展的战略新兴产业。因此，作为我国核能发展“压水堆→快堆→聚变堆”的三步走战略关键最后一环，发展安全、高效且可靠的可控聚变堆装置及技术，已明确成为我国能源领域的长期重大战略抉择，对加快能源体系构建具有重要意义，符合国家新质生产力发展战略导向。

图1 我国聚变堆装置发展战略路线图

依托国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）国际合作项目和中国全超导托卡马克核聚变实验装置（China's Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）大科学装置，我国在聚变堆技术领域实现了从跟跑到并跑的跨越，部分技术已达到国际领先水平。当前，我国聚变堆装置研发正处于从实验堆向示范堆、商用堆迈进的关键战略机遇期（如图1），在此背景下，我国科研人员正攻坚“十三五”国家重大科技基础设施建设项目“聚变堆主机关键系统综合研究设施（Comprehensive Research Facility for Fusion Technology, CRAFT）”，已建成国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台，将为中国完全掌握设计和建造具有全自主知识产权的新一代聚变装置——中国聚变工程示范堆（China Fusion Engineering Demonstration Reactor, CFEDR）提供核心技术储备，助力实现“点亮人类第一盏聚变之灯”的愿景。

在未来聚变反应堆中，等离子体输运的巨大能量会沉积到偏滤器靶板材料表面，侵蚀材料并缩短使用寿命，一旦损坏只能停堆更换，而频繁停堆维修将降低商业核电能源的经济性。考虑到未来聚变堆的核环境，只能通过遥控机器人开展狭窄真空室内部的所有维修操作。因此，作为聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）预研项目主要内容之一，研发核聚变遥操作维护子系统是实现聚变堆快速、稳定商业化运营不可或缺的条件，更是我国抢占下一代聚变堆技术制高点、实现能源技术自主创新的战略需求，其研究紧迫性日益凸显。

2 AMI团队研究历程

（一）遥操作维护概念设计阶段

（2019年9月-2020年7月）

先进制造与智能（AMI）团队积极响应国家战略需求，自2019年开始积极配合中国科学院合肥物质研究院等离子体，承研核聚变偏滤器遥操作维护重载机械臂的研发工作。作为核聚变遥操作维护子系统的核心执行机构，遥操作维护重载臂（CFEDR Multipurpose Overload Robot, CMOR）在维护过程中其末端执行器需执行低速重载时变极端工况下的复杂运动，需要快速、正确的进行轨迹规划以及高精度的运动控制，以满足堆芯部件观测、拆卸、焊接、装配等运维检修任务要求，实现长臂展（>10m）、大负载（≤2.5t）等设计指标。此次研发工作需攻克结构设计、制造工艺、运动控制等众多技术难点。

在概念设计阶段中，AMI团队完成了遥操作重载机械臂正逆学求解与工作空间分析，确保机械臂运动范围满足聚变堆真空室维护作业要求，并集成了碰撞检测功能。同时，对核心驱动部件进行了理论计算与初步选型，为后续详细设计奠定基础。

遥操作维护机械臂对真空室操作概念设计图

遥操作维护机械臂概念设计渲染图

（二）重载臂关节认证件试制阶段

（2020年8月-2022年5月）

以偏滤器遥操作维护作业概念设计为基础，AMI团队开展重载机械臂单关节认证件以及测试平台的详细方案设计。多功能重载机械臂设计制造的核心部件是转动关节，其中关节J4由于负载大、结构复杂、空间有限等原因，在所有关节中设计制造难度最大。通过重载臂关节认证件的预研，可为后期整个机械臂的设计研制提供技术支撑。测试平台的主要任务是连接认证件，模拟认证件后面关节因荷载和自重作用在关节J4上的弯矩、扭矩和剪力，并测试关节J4在荷载作用下的变形和定位精度等指标。

2021年4月，在丁汉院士与其他专家的共同见证下，于华中科技大学无锡研究院召开了聚变堆遥操作机器人单关节认证件及测试台方案评审会议，专家组对项目组的详细方案进行了充分讨论并给予肯定，单关节认证件及测试台方案评审的顺利通过成为后续重载机械臂研发工作的良好开端。

丁汉院士主持认证件及关节测试台方案评审

以聚变堆遥操作机器人单关节认证件及测试台方案为指导，华中科技大学无锡研究院机电信息与智能技术研究所（以AMI团队为主）成功研制重载机械臂关节认证件及配套测试平台，突破了高刚性结构设计、精密运动控制、复杂工况制造工艺等关键技术难题，完成了从理论验证到试验样机的跨越。

重载机械臂单关节认证件建模分析

重载机械臂关节认证件多功能超大负载测试平台

2022年6月，所研制的聚变堆主机关键系统综合研究设施重载臂关节认证件及测试平台顺利通过中国科学院合肥物质科学研究院验收，与会领导和专家组成员认真听取了华中科技大学胡友民教授关于遥操作重载臂关节认证件及测试平台研制工作和成果汇报，并在研究院一楼车间现场见证认证件及测试平台，对项目组研制工作和成果给予了高度评价，充分肯定了关节认证件成功研制对聚变堆重载部件远程维护系统与重载机械臂研制的重要性。

聚变堆主机关键系统综合研究设施重载臂关节认证件及测试平台现场验收

验收详细介绍及平台介绍视频：

https://mp.weixin.qq.com/s/Z8Cc57o1HHNQWOxOTHfkLA

（三）重载臂正式件设计阶段

（2022年6月-2023年8月）

正式件设计阶段主要开展遥操作维护重载机械臂整体设计工作，是从试验样机迈向工程化设计与应用的关键环节，需进一步攻克热核辐射环境下的复杂供给链设计、大负载长悬臂变形控制及冗余机械臂轨迹规划等技术难题，要求设计的CMOR重载机械臂能够在的内部工作空间（最大旋转半径9680mm、最小旋转半径4860mm、高度9603mm）稳定作业，并具备7自由度、负载能力2.5吨、最大臂幅10m、末端重复定位精度±10mm、末端最大运行速度100mm/s等核心性能指标，为聚变堆内部件维护提供可靠技术支撑。

CMOR工作示意图

CMOR正式件建模及仿真示意图

（四）重载臂加工制造及测试阶段

（2023年9月-2024年8月）

本阶段全面展开CMOR重载机械臂核心零部件的工程化实施，包括精密图纸设计、高精度加工制造及多工况单关节性能验证。AMI团队累计完成百余张高精度工程图纸设计，并主导完成所有核心部件的精密加工与装配。通过模拟极端工况下的系统性测试，验证了机械臂单关节在负载要求、精度要求等关键指标上的可靠性。

2023年12月于制造委托方重庆某公司召开了“CRAFT重载臂关节减速机”科技项目验收会，项目中开展CRAFT重载臂关节减速机材料选型研究，设计了重载臂关节减速机的结构，开展了重载臂关节减速机的制备工艺研究，完成了重载臂关节减速机样品的制备，通过了型式试验并取得型式试验报告。

机械臂减速器实物图

机械臂七关节示意图

在完成CMOR重载机械臂全系统零部件加工制造后，AMI团队依托自主设计的超大负载测试平台，开展重载臂各单关节性能验证。其中，测试项目涵盖动力学性能、运动精度、结构刚性以及传动效能等关键指标。经严格测试，所有数据均优于设计指标。以关节J4为例，输出端重复定位精度达到±0.004°，显著优于技术要求。

CMOR单关节测试示意图

CMOR单关节测试加载及传感器布置示意图（图中为关节J4）

（五）重载臂总装调试阶段

（2024年9月-2025年8月）

该阶段AMI团队成功完成CMOR重载机械臂的系统集成工作，实现从单体部件到整机系统的跨越式突破。本阶段重点突破以下几大技术任务：机械装配、线缆部署、额定负载及地震工况测试、多关节联动定位调试等。

2024年10月，在完成初步机械装配后重量级“华科造”装备——世界首台面向磁约束核聚变堆真空室维护的串联型重载机械臂实物验证样机，在第二届国际科学艺术周活动上精彩亮相，吸引了无数关注的目光。遥操作重载机械臂是聚变堆正常运行维护的必需装置，负责内部清扫、大型零件更换等维护任务，重载臂长10米，末端负载2.5吨，此重载机械臂及其核心部件为国内首创、世界首台。这一突破性科技成果，不仅彰显了我国在核聚变工程技术领域的领先实力，更为推动“双碳”目标的实现及构建清洁低碳、安全无限的能源体系奠定了坚实基础。

CMOR整臂装配现场图片

CMOR整臂亮相国际科学艺术周

CMOR整臂多关节运动调试

在CMOR重载机械臂项目取得阶段性突破之际，AMI团队采用“分步集成、逐级验证”策略，开展了七自由度机械臂的核心调试工作并取得多项关键技术突破。例如：率先完成七个高精度关节的模块化装配，通过激光跟踪仪实时校准，确保各关节轴线偏差控制在允许范围以内；创新采用“分区布线”方案，完成包括几十组电连接器、总长六千余米的线缆系统集成，其模块化拖链系统可实现全角度全行程无干涉运动；实现从单关节独立运行到多关节协同运动的平稳过渡，运动轨迹平滑度达到聚变堆维护的严苛要求。

为保证性能调试顺利实施，AMI团队自主开发了基于动捕系统的多维度性能测试平台，实际采集2.5吨极限负载多种典型工况测试过程中的末端位姿数据，测试结果表明：所研发重载臂定位精度、重复定位精度等关键指标均满足技术要求。

CMOR动捕系统测试步骤示意图

2025年7月，在合肥科学岛聚变园区CRAFT现场成功完成工艺测试验收。在多位专家的共同见证下，整个工艺测试过程严格按照国家有关标准和制定的测试大纲组织实施，其定位精度、重复定位精度、最大负载能力以及最大可达空间等各项关键技术指标，均全面达到国家下达的研制设计指标要求，标志着我国在磁约束核聚变堆核心部件遥操作维护这一关键技术领域迈出了坚实一步，也为CMOR最终交付验收奠定了重要基础。

此次CMOR系统工艺测试验收不仅达到了预期研制目标并展现了该系统在复杂工况下的稳定工作性能，也印证了研究团队长期在高端装备制造领域的技术实力和创新能力。AMI研究团队自2019年参与该项目以来，历经整整5年多时间完成了从CMOR构型创新设计、结构与核心部件研制、底层控制系统、上层数字孪生系统及核心控制算法到整机制造装配测试的全过程，攻克了CMOR重载臂关节精密驱动、高刚度轻量化臂体结构创新设计、多自由度柔性臂协调柔顺控制与精度补偿等一系列技术挑战，为CRAFT大科学装置遥操作平台建设贡献了华科大机械人的智慧和力量，也为正在承担的国家磁约束核聚变能发展研究专项“聚变装置偏滤器遥操作维护关键技术研究（2024YFE03140000）”的顺利实施奠定了坚实基础。

3 媒体关注

2025年7月10日，中央电视台新闻频道朝闻天下报道了合肥科学岛磁约束核聚变科技创新研究进展，AMI团队的设计研制磁约束核聚变堆真空室遥操作维护多功能重载机器人正式亮相央视，在该报道中，博士生陶宇及其他实验室成员正在开展重载臂末端运行位置测量及控制算法调试验证工作。

调试中的CMOR重载机械臂

现场调试（AMI陶宇博士研究生）

[朝闻天下]活力中国调研行 安徽 高效聚合创新资源 强化企业创新主体地位

https://tv.cctv.com/2025/07/09/VIDELTRbGPAg7w8nI9Ov5w2c250709.shtml

4 工作展望

2024年华中科技大学AMI团队与中国科学院合肥物质科学研究院、哈尔滨工业大学、湖南大学、北京航空航天大学、华中科技大学无锡研究院共同承担2024年国家磁约束聚变能发展专项“聚变装置偏滤器遥操作维护关键技术研究（2024YFE03140000）”，依托CFEDR 遥操作维护策略和 CRAFT 聚变堆遥操作维护实验平台，综合考虑第一壁部件维护期维护时间受限、强辐射环境和高性能稳定性维护需求对偏滤器遥操作维护设备性能的影响，旨在实现稳定且可控的聚变装置偏滤器遥操作维护操作。

团队主要承担研究内容包括构建精准反映偏滤器遥操作设备系统动态演化与失效过程的多尺度高保真孪生模型及数字底座，探索多场耦合下跨尺度遥操作设备数字孪生体统一建模理论，突破知识数据双驱动的遥操作设备故障表征与诊断预测、双边稳定性交互与多传感融合共享控制等关键技术及集成系统，实现遥操作设备故障精准预测、快速定位及维修决策支持，提升遥操作维护稳定性、作业效率及定位精度。

国家磁约束核聚变能发展研究专项2024年新立项项目启动会

作为中国聚变工程实验堆（CRAFT）项目的重要参与团队，AMI团队聚焦于偏滤器等聚变堆核心部件的遥操作维护技术攻关，持续推动聚变堆智能维护装备的自主研发与系统集成，不仅为国家重大科技基础设施CRAFT项目贡献了自主创新的机械臂等关键技术装备，也在偏滤器遥操作维护等关键子系统的工程化、数字化、智能化等方面实现了多项技术突破，为我国自主掌握新一代聚变装置建设和运行维护的核心能力奠定了坚实基础。

展望未来，AMI团队将持续面向2030年“点亮人类第一盏聚变之灯”的伟大目标，肩负国家使命，协同各方力量，深入开展偏滤器等核心子系统的关键技术攻关与应用示范。相信随着团队持续创新和技术进步，必将为我国聚变能科技自主创新和能源结构转型做出更大贡献，为实现人类清洁、安全、无限的能源梦想贡献中国智慧与中国力量。