防爆輪式巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（中信重工開誠(chéng)智能裝備有限公司，唐山 063020）

0 引言

隨著大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等建設(shè)的不斷擴(kuò)大，油品、燃?xì)狻⒍練狻⒒瘜W(xué)危險(xiǎn)品等引起的泄漏爆炸、火災(zāi)等災(zāi)害隱患不斷增加，為加強(qiáng)高危場(chǎng)所的巡檢工作，巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，防爆輪式巡檢機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種，在巡檢工作中能夠發(fā)揮舉足輕重的作用。防爆輪式巡檢機(jī)器人搭載一系列傳感器，可代替巡檢人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢、探測(cè)，有效解決巡檢人員在上述場(chǎng)所面臨的人身安全、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息采集不足等問題。采用機(jī)器人巡檢，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時(shí)也克服和彌補(bǔ)了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應(yīng)智能場(chǎng)站和無(wú)人值守場(chǎng)站發(fā)展的實(shí)際需求，是智能場(chǎng)站和無(wú)人值守場(chǎng)站巡檢技術(shù)的發(fā)展方向。本文從實(shí)用性角度出發(fā)，介紹了一種防爆輪式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其在輸油站中的應(yīng)用。

1 防爆輪式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

防爆輪式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由防爆輪式巡檢機(jī)器人、巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)和巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站組成。防爆輪式巡檢機(jī)器人、巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)和巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站通過無(wú)線方式進(jìn)行通信。

1.1 防爆輪式巡檢機(jī)器人

防爆輪式巡檢機(jī)器人是巡檢系統(tǒng)中的主體，防爆輪式巡檢機(jī)器人主要由巡檢機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、RFID定位系統(tǒng)、前后導(dǎo)航組件、PID氣體檢測(cè)儀、前后避障傳感器、防爆揚(yáng)聲器、天線、拾音器、防爆云臺(tái)和自動(dòng)充電組件等組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防爆輪式巡檢機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人本體由小車車體、上防爆箱蓋一、上防爆箱蓋二、底座、充電電池、控制單元和隔爆腔電氣元件組成；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和防靜電車輪等組成。

小車車體、上防爆箱蓋一和底座組成一個(gè)獨(dú)立的封閉倉(cāng)體，減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣元器件組件和充電電池均安裝在該封閉倉(cāng)體內(nèi)。小車車體、上防爆箱蓋二和底座組成另一個(gè)獨(dú)立封閉倉(cāng)體，隔爆腔電氣元器件組件安裝在該封閉倉(cāng)體內(nèi)。

前后導(dǎo)航組件包括：防爆線嘴、防爆導(dǎo)航殼體和磁導(dǎo)航傳感器，磁導(dǎo)航傳感器放在防爆導(dǎo)航殼體內(nèi)，通過防爆線嘴分別與小車車體的前后部連接。

防爆揚(yáng)聲器和拾音器分別放在封閉的防爆殼體內(nèi)，通過安裝架用螺栓緊固安裝在巡檢機(jī)器人本體上。

RFID定位系統(tǒng)通過螺栓緊固安裝在小車車體的正下方，用于確定機(jī)器人運(yùn)行時(shí)所在的位置。

PID氣體檢測(cè)儀用于檢測(cè)工作環(huán)境周圍的氣體濃度，天線用來發(fā)送和接收無(wú)線信號(hào)。

防爆云臺(tái)安裝在巡檢機(jī)器人本體的正上方，用于采集巡檢設(shè)備和環(huán)境圖像信息。

前后避障傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人行走的路線周圍是否存在障礙物，避免機(jī)器人與障礙物相撞。

自動(dòng)充電組件通過圓筒隔爆形式，緊固安裝在巡檢機(jī)器人本體上，當(dāng)巡檢機(jī)器人電量不足時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)行駛到充電樁位置，通過自動(dòng)充電組件為充電電池充電。

防爆輪式巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用四組結(jié)構(gòu)相同的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別驅(qū)動(dòng)前后四個(gè)輪子，并采用隔爆型及本安型防爆技術(shù)進(jìn)行處理。

巡檢機(jī)器人本體控制單元采用STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過無(wú)線模塊與監(jiān)控后臺(tái)上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，負(fù)責(zé)采集傳感器反饋的信息狀態(tài)、執(zhí)行上位機(jī)命令、直接控制機(jī)器人本體運(yùn)行狀態(tài)、自身異常診斷等等。

防爆輪式巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 防爆輪式巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.2 巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)

巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)位于機(jī)器人巡檢區(qū)域附近，巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)由一臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成，通過無(wú)線方式，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)防爆輪式巡檢機(jī)器人的無(wú)線遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置以及完成與巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站的數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站

巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站包括：上位機(jī)、顯示器和相應(yīng)的監(jiān)控軟件，用于實(shí)時(shí)顯示巡檢設(shè)備的視頻圖像、報(bào)警信息、機(jī)器人位置等數(shù)據(jù)。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，主要對(duì)機(jī)器人上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、異常報(bào)警及記錄存檔，實(shí)時(shí)刷新界面，瀏覽視頻；機(jī)器人到達(dá)巡檢位后，上傳到位信號(hào)及點(diǎn)檢位卡片號(hào)，通過卡片號(hào)調(diào)用相應(yīng)云臺(tái)預(yù)制點(diǎn)，初步尋找儀表或者閥門位置，通過分析確定目標(biāo)再畫面中的位置進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，再次捕獲清晰的目標(biāo)照片進(jìn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)識(shí)別。

巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程工作站利用無(wú)線通信方式，通過控制軟件完成與巡檢機(jī)器人本地監(jiān)控后臺(tái)的信息交換，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，在遠(yuǎn)程工作站的顯示器上能直觀的反映出巡檢機(jī)器人采集的視頻信息及其他數(shù)據(jù)信息。遠(yuǎn)程工作站功能類似于人類的大腦，除了機(jī)器人本身的動(dòng)作控制指令由此發(fā)布外，機(jī)器人所有的視覺、音頻等感知信息在此進(jìn)行分辨。

如檢測(cè)到設(shè)備異常時(shí)巡檢機(jī)器人和遠(yuǎn)程工作站均會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警信息，提示用戶及時(shí)檢修，防患于未然。通過遠(yuǎn)程工作站能夠形成實(shí)時(shí)報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄并存入遠(yuǎn)程工作站的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可按日期、按設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)查詢?cè)O(shè)備信息和存檔圖片。

2 防爆輪式巡檢機(jī)器人功能與特點(diǎn)

2.1 圖像識(shí)別功能

輸油場(chǎng)站內(nèi)的目標(biāo)主要包括壓力表、溫度表、流量計(jì)、球閥、截止閥和蝶閥等等，經(jīng)過預(yù)先標(biāo)定，將每處需要拍照檢測(cè)的目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置為云臺(tái)的預(yù)置點(diǎn)，機(jī)器人通過導(dǎo)航及RFID定位運(yùn)行到檢測(cè)位后，自動(dòng)調(diào)用云臺(tái)進(jìn)行拍照，然后將目標(biāo)圖像傳送到遠(yuǎn)程工作站進(jìn)行識(shí)別。可識(shí)別的信息包括：閥門開度、儀表指針讀數(shù)、閥門有無(wú)泄露等。

2.2 聲音采集功能

實(shí)時(shí)采集輸油場(chǎng)站內(nèi)環(huán)境和設(shè)備的聲音，如發(fā)現(xiàn)較明顯的聲音異常，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、避免故障擴(kuò)大的目的。

2.3 報(bào)警功能

如檢測(cè)到設(shè)備異常時(shí)，巡檢機(jī)器人和遠(yuǎn)程工作站均會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警信息，提示用戶及時(shí)檢修，防患于未然。通過遠(yuǎn)程工作站能夠形成實(shí)時(shí)報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄并存入遠(yuǎn)程工作站的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可按日期、按設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)查詢?cè)O(shè)備信息和存檔圖片。

2.4 防爆功能

巡檢機(jī)器人各組成部分均按照國(guó)家II C防爆標(biāo)準(zhǔn)，采用隔爆型及本安型防爆技術(shù)進(jìn)行處理，因此，具有防爆功能，可用于易燃易爆等高危環(huán)境。

2.5 自主充電和避障功能

當(dāng)機(jī)器人電池電量不足時(shí)，巡檢機(jī)器人自動(dòng)行進(jìn)到充電站，通過自動(dòng)充電組件進(jìn)行充電。在巡檢過程中，如遇到障礙物，巡檢機(jī)器人通過前后避障傳感器，可自動(dòng)避開障礙物，避免碰撞。

3 應(yīng)用效果

該防爆輪式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)已在中石化某輸油站成功應(yīng)用，完成了對(duì)泄壓罐、污油罐、密度計(jì)、過濾器、減壓閥、質(zhì)量流量計(jì)等輸油設(shè)備的巡檢工作，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，圖像清晰，故障報(bào)警及時(shí)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該巡檢系統(tǒng)工作可靠，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，節(jié)省了大量的人力物力，完全替代了人工巡檢工作，減員增效取得明顯效果，達(dá)到了無(wú)人值守的目的，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。圖3為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況；圖4為儀表數(shù)據(jù)顯示畫面。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況

圖4 儀表數(shù)據(jù)顯示

4 結(jié)束語(yǔ)

防爆輪式巡檢機(jī)器人作為一種全新的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方式，能夠在一些主要的設(shè)備巡檢領(lǐng)域代替人工巡檢工作，減輕巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并緩解日益嚴(yán)重的行業(yè)機(jī)構(gòu)性缺員問題，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的，同時(shí)在降低人工巡檢的安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)，提升危化企業(yè)的本質(zhì)安全管理。本文介紹的防爆輪式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，抗干擾能力強(qiáng)，滿足國(guó)家防爆技術(shù)要求，并且具有操作靈活、功能全面、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，為高危行業(yè)相關(guān)場(chǎng)所提供了新型的技術(shù)檢測(cè)手段，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。