化工設備清洗機器人研究現狀與關鍵技術研究

肖娜 張國鋒

摘 要：隨著化工行業規模化的不斷擴大，化工設備逐步向大型化、復雜化不斷發展，化工設備清洗機器人的需求日趨增加，化工設備清洗機器人融合了移動機器人和清洗技術，成為服務機器人領域中的一種新型高技術產品，具有良好的市場前景，近年來正逐步成為一個新的研究熱點。

關鍵詞：化工設備;清洗機器人;研究現狀;關鍵技術

中圖分類號：TQ050.5 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

化工清洗機器人屬于一種特殊的智能服務機器人，一般工作在非結構化的環境之中，作業對象是附著或者粘附在化工設備物體表面的污垢、污泥等有害、較難清洗的物質[1]。

1國內外化工設備清洗機器人研究現狀

化工行業是工業機器人主要應用領域之一。目前應用于化工行業的主要清洗機器人及其自動化設備有大氣機械手、真空機械手、潔凈鍍膜機械手、潔凈AGV、RGV及潔凈物流自動傳輸系統等。很多現代化工業品生產要求精密化、微型化、高純度、高質量和高可靠性，在產品的生產中要求有一個潔凈的環境，潔凈度的高低直接影響產品的合格率，潔凈技術就是按照產品生產對潔凈生產環境的污染物的控制要求、控制方法以及控制設施的日益嚴格而不斷發展。因此，在化工領域，隨著未來更多的化工生產場合對于環境清潔度的要求越來越高，清洗機器人將會得到進一步的利用，因此其具有廣闊的市場空間[1]。

在發達國家中，工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向。國外汽車行業、電子電器行業、工程機械等行業已經大量使用工業機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業機器人的使用實踐表明，工業機器人的普及是實現自動化生產，提高社會生產效率，推動企業和社會生產力發展的有效手段。

日本工業機器人產業早在上世紀90年代就已經普及了第一和第二類工業機器人，并達到了其工業機器人發展史的鼎盛時期。而今已在第發展三、四類工業機器人的路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機器人發展重點有：低成本技術、高速化技術、小型和輕量化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、網絡化技術、高精度化技術、視覺和觸覺等傳感器技術等。

當前我國已生產出部分機器人關鍵元器件，開發出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人。一批國產工業機器人已服務于國內諸多企業的生產線上;一批機器人技術的研究人才也涌現出來。一些相關科研機構和企業已掌握了工業機器人操作機的優化設計制造技術;工業機器人控制、驅動系統的硬件設計技術;機器人軟件的設計和編程技術;運動學和軌跡規劃技術;弧焊、點焊及大型機器人自動生產線與周邊配套設備的開發和制備技術等。某些關鍵技術已達到或接近世界水平[2]。

所以，我國工業機器人起步晚發展緩。但是正如前所述，廣泛使用機器人是實現工業自動化，提高社會生產效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發展工業機器人產業，引進國外技術和設備，培養人才，打開市場。

2 主要研究內容

針對機器人在化工設備非結構復雜動態環境中的工作特點，采用多種軟件構建從機構學到動力學玩真的綜合仿真，通過試驗平臺驗證算法的性能。

2.1探索三維空間內障礙物運動狀態，分別在已知和未知條件下，高自由度機器人拓撲機構的多級避障規劃空間建模。

2.2針對ADAMS軟件建立的虛擬模型能很好地反映實際的物理模型和MATLAB能夠幫助用戶快速構建復雜控制模型的特點，將二者聯合起來進行機器人仿真的設計方案，并搭建基于ADAMS和MATLAB的聯合仿真平臺[3]。

2.3 通過 LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA，與NI單卡式（Single-Board） RIO，整合軟硬件，以便迅速設計、開發，并實施控制算法。

3關鍵技術

3.1在避障規劃空間中采用快速遍歷隨機樹方法得到機器人在靜態或已知動態障礙物信息的工作空間全局路徑規劃，并根據機器人拓撲連接關系驗證該路徑;根據機器人剛柔耦合動力學和運動學特性對機器人進行建模并通過映射關系，得到機器人工作空間路徑到關節空間的運動軌跡[4]。

3.2用SolidWorks進行機器人操作臂的建模，MATLAB對靜力學和動力學方程進行數值解法的仿真，在相同條件下，在ADAMS中建立虛擬樣機，進行靜力學和動力學方程的虛擬樣機仿真，所得各關節力及力矩與MATLAB數據進行分析對比。進行聯合仿真中，通過建立虛擬樣機以及控制系統模型，從而根據仿真結果，完成機器人運動規劃中的動態特性分析。

3.3使用PXI-8101作為主控制器，并使用NI LabVIEW來控制硬件接口。LabVIEW因特網工具包用于編程無線局域網，USB-6210用于采集力和力矩傳感器數據。用于SolidWorks的NI SoftMotion可評估并設計運動仿真，以研究機器人的運動。NI SoftMotion模塊能夠在SolidWorks總成中構建和配置機器人關節，使用SoftMotion功能模塊來創建運動軌跡。 LabVIEW MathScript RT模塊用于執行使用The MathWorks公司MATLAB編寫的代碼，生成步態軌跡，從而簡化了跨平臺安裝軟件的困難[5]。

4結論

在前期的研究中發現，多自由度機器人操作臂，尤其是工業機器人自主運動規劃問題是制約該技術應用的主要瓶頸。而其研究的難點在于運動規劃面臨的復雜性，主要體現為：（1）系統模型構建的復雜性，機器人模型包括了拓撲運動學模型、運動學模型和動力學模型。在此基礎上，仍需對機器人從運動學到控制系統的仿真。這些模型往往需要在不同平臺上建模，通過數據和模型交互，進行綜合分析，從理論角度給出其可行性。（2）綜合試驗平臺構建的復雜性，為了實現機器人的運動規劃等工作任務，需要在一個硬件平臺上，將仿真模型得到的數據和仿真結果，下載到一個具體的機器人操作臂上，能夠迅速操作機器人完成某項工作。該硬件平臺一方面可以通過借口與仿真分析的結果進行交互，另一方面能夠快速形成硬件控制系統，完成從理論分析—仿真分析/驗證—試驗驗證的系統。

參考文獻：

[1]臧義. 柔性驅動立筒倉清理機器人轉動控制系統建模及簡化，現代制造工程，2014，2014（4）：24-29.

[2]刁偉華.立筒倉懸掛式清潔機器人的建模與轉動控制仿真，機械傳動，2012，36（02）：29-32.

[3]朱煜鈺， 張燕燕. 惡劣工作環境中移動焊接機器人模塊化密封控制器的研究，電焊機，2015.08 ：139-144.

[4]Cao Yi. Accurate Numerical Methods for Computing 2D and 3D Robot Workspace，International Journal of Advanced Robotic Systems，2011，8（6）：1-13.

[5]Zang Haihe. An engineering-oriented method for the three dimensional workspace generation of robot manipulator，Journal of Information and Computational Science，2011，8（1）：51-61.

作者簡介：肖娜（1983—），女，碩士研究生，高級工程師，主要從事化工設備結構設計、DCS控制和化工工藝優化等方面的研究工作。

基金項目：本文是2018年度河南省科技攻關項目“一種用于化工設備內部清洗的新型機器人”（項目編號：18210220406）的研究成果之一。