簡(jiǎn)析智能掛軌巡檢機(jī)器人在原料倉(cāng)中的應(yīng)用及巡檢技術(shù)改進(jìn)

摘 要： 近年來隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，對(duì)于機(jī)器人的軟件控制技術(shù)的要求也會(huì)越來越高。文章詳細(xì)分析了智能掛軌巡檢機(jī)器人在原料倉(cāng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)從機(jī)電設(shè)計(jì)的角度加以闡述，同時(shí)介紹了智能巡檢技術(shù)和應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞： 智能掛軌;有軌巡檢;機(jī)器人;視覺監(jiān)控;缺陷檢測(cè)

一、 引言

文章以上海寶鋼原料倉(cāng)巡檢機(jī)器人工程為例，闡述了智能掛軌巡檢機(jī)器人在原料倉(cāng)中的應(yīng)用分析及巡檢技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)巡視內(nèi)容主要對(duì)輸送皮帶機(jī)進(jìn)行監(jiān)控并做到影像回傳。機(jī)器人具備自動(dòng)巡檢功能，同時(shí)也能遠(yuǎn)程遙控，巡檢軌跡覆蓋原料區(qū)區(qū)域。根據(jù)廠房鋼架結(jié)構(gòu)圖紙、機(jī)電管線的梳理規(guī)整，因地制宜地進(jìn)行機(jī)電、軟件上位機(jī)的設(shè)計(jì)施工，制訂出符合最終效果與經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)方案并統(tǒng)一執(zhí)行。

二、項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目屬于智能巡檢代替人工巡檢的改進(jìn)優(yōu)化項(xiàng)目，該項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)是項(xiàng)目不同模塊需求的處理，設(shè)計(jì)布局要互不干擾，并行設(shè)計(jì)施工。就我國(guó)來說，寶鋼可以算得上是規(guī)模最大的鋼鐵企業(yè)，該公司不但品種規(guī)格最為完備，而且在技術(shù)含量以及產(chǎn)品附加值方面也都是首屈一指。本次項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)所為寶鋼原料區(qū)輸送皮帶機(jī)巡檢，原料區(qū)輸送皮帶機(jī)作為關(guān)鍵部位負(fù)責(zé)鋼廠原料及助劑。皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中容易造成傳輸帶卡阻、跑偏、撕裂、堆料甚至輸送帶斷裂的情況，嚴(yán)重影響相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及生產(chǎn)安全性。由于其安裝位置及使用特性，且發(fā)生問題往往不易判斷、時(shí)間上也不可控，因此需要盡可能地24小時(shí)內(nèi)高密度機(jī)器代替人工監(jiān)控才能防范風(fēng)險(xiǎn)。

三、 智能掛軌巡檢機(jī)器人

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

以巡檢機(jī)器人、軌道系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、后臺(tái)管理系統(tǒng)為主體部分組合而成了整個(gè)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。此項(xiàng)目中，配備了環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器、紅外熱像儀、高清相機(jī)和拾音器的巡檢機(jī)器人是系統(tǒng)最為核心的部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢數(shù)據(jù)的采集。巡檢機(jī)器人在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)需要依靠軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其包括了吊架組件和機(jī)器人行走裝置的運(yùn)行軌道本體。供電系統(tǒng)中采用分布式充電站來為蓄電池充電，保障機(jī)器人的續(xù)航，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域和巡檢路線的實(shí)際情況充分考量，科學(xué)合理地確定了充電站的位置。原料倉(cāng)中采集到的各類數(shù)據(jù)需要通過通信網(wǎng)絡(luò)來傳輸，通信基站作為網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備和交換中心，與機(jī)器人之間通過無線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行互通。后臺(tái)管理系統(tǒng)包含了后臺(tái)服務(wù)器、交換機(jī)、顯示器等，負(fù)責(zé)展示中心和機(jī)器人傳輸數(shù)據(jù)的接收及處理，通過有線連接方式與通信基站互聯(lián)。總體的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

（二）子系統(tǒng)架構(gòu)

1. 巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人是智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的核心，能夠以全自主或遙控方式對(duì)輸料系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，完成預(yù)設(shè)的巡檢任務(wù)。此外，機(jī)器人還配有自動(dòng)除塵系統(tǒng)，能夠通過風(fēng)力除塵的方式為機(jī)器人表面除塵。

2. 軌道系統(tǒng)

機(jī)器人軌道采用平行雙管軌道，軌道豎向尺寸小，整體安裝尺寸需求空間小，工程施工方便。軌道材質(zhì)為高強(qiáng)度鋁合金預(yù)制軌道，集中載荷承重能力不小于80 千克，表面經(jīng)氧化防銹處理，既能提高抗腐蝕能力，又可以提高表面的硬度，增加抗磨損性能。（圖2）

3. 供電系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人采用本體蓄電池供電和分布式接觸充電相結(jié)合的供電方式。根據(jù)巡檢線路的長(zhǎng)度，沿軌道布置多個(gè)充電站。機(jī)器人本體配備大容量磷酸鐵鋰電池，結(jié)合系統(tǒng)完善的電源管理策略，達(dá)到長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行的目的。

4. 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)采用光纖環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，為機(jī)器人提供高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以保證系統(tǒng)所有的控制信號(hào)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)及報(bào)警信息等數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)可靠傳輸。同時(shí)，機(jī)器人能夠在各個(gè)AP之間漫游，AP切換時(shí)間不大于10ms。

5. 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、報(bào)表系統(tǒng)、地圖編輯模塊、任務(wù)管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊和系統(tǒng)集成模塊等組成，能夠管理巡檢機(jī)器人，并具有數(shù)據(jù)分類儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、檢索、報(bào)表輸出、智能分析等多種功能。

（三）視覺監(jiān)控

相比較于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控，此系統(tǒng)中將計(jì)算機(jī)視覺與人工智能相結(jié)合并采用了智能視覺監(jiān)控，通過高清相機(jī)自動(dòng)分析采集許多圖像序列，以此來對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中的環(huán)境狀況和運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位、跟蹤和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)原料倉(cāng)區(qū)域以及各通道的全方位監(jiān)控，缺陷信息保存及上傳服務(wù)器端，并處理后發(fā)送至移動(dòng)端信息報(bào)警。

四、 智能掛軌巡檢機(jī)器人在原料倉(cāng)中的應(yīng)用

智能掛軌巡檢機(jī)器人在原料倉(cāng)中的應(yīng)用，主要包括原料倉(cāng)的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)電設(shè)備能夠劃分成控制系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。針對(duì)機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，通常涵蓋了以下兩部分，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)元件，另一個(gè)是機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu);而對(duì)于控制系統(tǒng)而言，它的工作核心是依靠傳感器所接收到的信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算之后可得到相關(guān)的控制策略。同時(shí)，在對(duì)樓宇智能化系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用傳感器技術(shù)，為系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)信息來源。此外，應(yīng)合理選擇機(jī)電控制系統(tǒng)的控制算法。同時(shí)在原料倉(cāng)的機(jī)電設(shè)計(jì)中，可采用機(jī)電一體化技術(shù)，盡可能將多種技術(shù)加以融合，保證機(jī)電系統(tǒng)具有較高的智能化水平。

應(yīng)用于寶鋼原料區(qū)的巡視設(shè)備為輸送皮帶機(jī)，其巡檢路徑整體為“U”字形，巡視區(qū)域覆蓋輸送皮帶機(jī)。兩側(cè)分別為1000米的直線巡視路徑，現(xiàn)場(chǎng)寬度為16.6米，巡視總長(zhǎng)度2010米。安裝在云臺(tái)遠(yuǎn)紅外傳感器負(fù)責(zé)巡視兩條皮帶機(jī)內(nèi)測(cè)滾輪溫度、傳輸帶卡阻、跑偏、撕裂、堆料甚至輸送帶斷裂的情況等設(shè)備情況，安裝掛軌機(jī)器人的空氣傳感器對(duì)異常氣體進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)反饋。

其中最為關(guān)鍵的“U”字形巡檢路徑，“U”字形拐彎處鋪設(shè)高2.5米、寬0.5米，拐彎外圓周長(zhǎng)1.5米，雙軌道鋪設(shè)，必須避開輸送帶發(fā)動(dòng)機(jī)，互相不能干涉。對(duì)于工期安排、運(yùn)行平穩(wěn)、質(zhì)量控制等提出了極高的要求，不能影響24小時(shí)正常生產(chǎn)。

五、缺陷檢測(cè)及巡檢技術(shù)改進(jìn)

為了符合項(xiàng)目工期，確保項(xiàng)目順利完成。其中最重要的是視覺檢測(cè)缺陷圖片獲取，標(biāo)簽缺陷圖片樣本量至少需要上萬(wàn)張，現(xiàn)場(chǎng)獲取照片不現(xiàn)實(shí)。機(jī)器視覺需要樣品圖片經(jīng)過標(biāo)記，訓(xùn)練，深度學(xué)習(xí)后，做成樣板模型，才可以智能檢測(cè)有缺陷的圖片。對(duì)制訂項(xiàng)目重要技術(shù)開會(huì)討論，提出解決方案提出輸送帶傳輸設(shè)備，來制作缺陷的輸送帶圖片，拍照設(shè)備包括光源、相機(jī)鏡頭拍照的方案，制作簡(jiǎn)易設(shè)備，來模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，做出缺陷圖片，滿足研發(fā)樣品圖片大量需求。將測(cè)試方案，現(xiàn)場(chǎng)一一測(cè)試驗(yàn)證，確定簡(jiǎn)易方案得到落實(shí)并應(yīng)用良好。視覺檢測(cè)領(lǐng)域樣品圖片少困難，作為該項(xiàng)目的技術(shù)迭代重要依據(jù)。

在“U”字形拐彎處的云臺(tái)相機(jī)通過無線網(wǎng)點(diǎn)傳輸設(shè)備AP上傳視頻影像速度卡，無法及時(shí)上傳數(shù)據(jù)。 我專門制訂項(xiàng)目重要技術(shù)開會(huì)討論并提出了解決方案：提高AP設(shè)備支架高度、云臺(tái)相機(jī)MCU處理速度、降低小車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度，控制巡檢機(jī)器人的工作溫度。將測(cè)試方案在現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)測(cè)試驗(yàn)證，確定高配云臺(tái)相機(jī)處理速度等相關(guān)軟硬件提高。解決方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，作為該項(xiàng)目的重要技術(shù)革新支撐。針對(duì)這些要求，專門制訂了項(xiàng)目子專項(xiàng)：雙管鋼軌懸臂梁斜拉設(shè)計(jì)圖紙實(shí)施;3米雙根彎管與直管對(duì)接固定再上架安裝。時(shí)間安排上，我方和寶鋼生產(chǎn)技術(shù)協(xié)商結(jié)果，避開生產(chǎn)時(shí)間施工。掛軌巡檢機(jī)器人經(jīng)過“U”字形拐彎地方，經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試，最終做到了平穩(wěn)、穩(wěn)定，音視頻及傳感器信息上傳下達(dá)通暢，順利通過驗(yàn)收，最終獲得了項(xiàng)目參與方施工工人、質(zhì)量部門技術(shù)人員、甲方領(lǐng)導(dǎo)一致好評(píng)。

另外，項(xiàng)目綜合考慮掛軌巡檢機(jī)器人在人員安全、可靠及性價(jià)比方面，對(duì)于此項(xiàng)目可以作為一個(gè)最優(yōu)選擇。它以自主或遙控的方式，在無人或少人值守的作業(yè)區(qū)域?qū)υO(shè)備和線路進(jìn)行巡檢，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的熱故障、外觀缺陷等設(shè)備異常現(xiàn)象，提高運(yùn)行的工作效率和質(zhì)量，最大限度的保障人員安全，而且還可以提升企業(yè)整體的科技含量，做到智能化的防災(zāi)減災(zāi)。我們和項(xiàng)目相關(guān)參與方、加工廠家、現(xiàn)場(chǎng)施工團(tuán)隊(duì)、寶鋼技術(shù)人員緊密配合，做到了無縫對(duì)接，對(duì)于諸多復(fù)雜工程的多專業(yè)協(xié)調(diào)進(jìn)行了成功的實(shí)踐，積累了對(duì)于此類項(xiàng)目技術(shù)改進(jìn)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

六、 結(jié)論

智能掛軌巡檢機(jī)器人在如今的工業(yè)生產(chǎn)體系中的應(yīng)用較為廣泛，在原料倉(cāng)中也同樣得到了應(yīng)用，對(duì)于提高原料倉(cāng)的管理效率發(fā)揮了重要的作用。在更多其他的各類應(yīng)用場(chǎng)景中，可以對(duì)文章所述的智能掛軌巡檢機(jī)器人技術(shù)加以推廣，為社會(huì)和國(guó)家做出更大的貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：? 王永昌，南京激揚(yáng)智慧信息技術(shù)研究院有限公司。