用于實驗廢液處理工作過程監(jiān)測的巡檢機器人系統(tǒng)設計探討

安華成，周驥平*，高龍琴，徐鐘林

（1.揚州大學機械工程學院，揚州 225127；2.江蘇科仕達實驗室環(huán)保科技有限公司，揚州 225127）

0 引言

實驗廢液通常含有較多的酸堿、重金屬、氰化物、有機酸、酚類等有害物質，廢液不經過處理直接排放不僅會污染環(huán)境，而且會影響居民的生活健康[1]。通常實驗室會將實驗廢液分類存儲，送往廢液處理中心集中處理。處理中心擁有反應罐、沉淀池、過濾器等廢液處理設備[2]。一般地這些設備體積較大，設備間的連接管道鋪設錯綜復雜，且不同工段處理反應不同。例如，針對磷肥工業(yè)的廢水，一般采用分路循環(huán)電解法將大部分水進行循環(huán)使用，中間涉及沉淀、氧化、過濾、中和以及電解等工藝，不同工藝的操作安全標準和反應過程不同，因此需要定時檢測設備工作狀況和現(xiàn)場環(huán)境情況，了解廢液處理工作過程狀態(tài)，及時調整運行參數(shù)，這樣保證廢液處理工作過程的有效運行，同時預警可能發(fā)生的安全事故。

目前，實驗室廢液處理工作現(xiàn)場大多是靠人工定時定線路巡檢，采用人工巡檢方式存在以下幾點不足：一是工作現(xiàn)場處理設備數(shù)量多，工況不盡相同，需記錄的數(shù)據量大，勞動強度大；二是人工巡檢主要依賴巡檢人員經驗的簡單定性判斷，可靠性相對較低；三是巡檢工作量大，長期的重復性勞動后巡檢人員可能會產生惰性，從而疏忽巡檢工作；四是增加了人工勞動成本[3-4]。因此，針對大多數(shù)的大型廢液處理中心，人工巡檢方式并不能時時達到規(guī)定的安全巡檢標準，為廢液的處理工作留下了安全隱患。

因此，基于在滿足實驗廢液處理工作過程要求和現(xiàn)場電氣規(guī)范的基礎上，提出了一種滿足實驗廢液處理工作過程監(jiān)測需求的巡檢機器人系統(tǒng)。該巡檢機器人系統(tǒng)采用軌道式移動機構，基礎的搭載有主控制器、射頻定位裝置和視頻采集設備，針對不同的工藝工段配備不同檢測標準的檢測模塊。整個巡檢系統(tǒng)定時巡檢、數(shù)據記錄、狀態(tài)顯示、異常報警等功能，從而降低廢液處理工作過程巡檢的勞動強度和成本，提高巡檢的效率和可靠性。

1 巡檢機器人系統(tǒng)設計要求

由于廢液處理工作現(xiàn)場大型設備較多，設備與設備之間還鋪設有管道，地面空間有限，因此可以利用工作現(xiàn)場高處的空間，鋪設巡檢軌道，巡檢機器人系統(tǒng)通過在預鋪設的軌道上行走，對廢液處理工作過程現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)和環(huán)境進行巡檢。為滿足巡檢要求，巡檢機器人的整體設計要求如下：1）輕量化設計的同時滿足剛度要求，結構布局緊湊；2）模塊化設計，針對不同檢測要求可搭載不同檢測設備；3）避免行走時出現(xiàn)打滑、空轉現(xiàn)象[5]；4）軌道預停車點和設備檢測位置處定位準確；5）外殼防護等級達到IP64；6）檢測信號無線傳輸；7）采用電池驅動并自主定時充電[6-7]。

2 巡檢機器人系統(tǒng)的結構設計

巡檢機器人系統(tǒng)整體采用模塊化思想進行設計，主要由地面遠程控制系統(tǒng)和巡檢機器

人本體組成（如圖1所示）。地面遠程控制中心與機器人主控制器通過無線網絡實現(xiàn)對巡檢機器人的運動控制以及巡檢數(shù)據的反饋傳輸。巡檢機器人本體結構主要包括行走機構、導向機構、伸縮機構和檢測機構等。

圖1 巡檢機器人系統(tǒng)組成

2.1 行走機構

巡檢機器人本體采用吊掛式軌道行走方式，行走機構主要包括行走軌道、驅動電機、同步帶輪、承重輪、承重輪安裝槽等部分（如圖2所示）。軌道由橫截面為工字型的鋁型材和同步帶組成，同步帶沿型材的長度方向布置在型材的側面。同步帶輪作為驅動輪，驅動電機驅動同步帶輪與同步帶嚙合傳動帶動機器人本體在軌道上行走[8]。采用同步帶同步帶輪嚙合的方式驅動機器人本體可以避免巡檢過程剎車時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，從而一定程度上提高了巡檢剎車時的定位精度。

圖2 巡檢機器人行走機構和導向機構

2.2 導向機構

導向機構主要包括導向輪和張緊裝置。導向機構主要引導巡檢機器人沿預鋪設軌道方向移動，避免移動過程中巡檢機器人本體的安裝架與軌道發(fā)生摩擦從而卡死影響正常行走[9]。如圖3所示，當行走機構在軌道彎處移動時，行走機構前端的軌道內側導向輪優(yōu)先受到軌道內側面的徑向壓力，提前給出拐彎信號，軌道外側的導向輪在張緊裝置的作用下自動緊貼軌道外側面。兩側壓力的共同作用保證巡檢機器人在彎道上能夠及時回到平衡位置，從而實現(xiàn)巡檢機器人在軌道各處的平穩(wěn)運行[10-11]。

圖3 彎軌處巡檢機器人移動狀態(tài)

2.3 伸縮機構

伸縮機構采用剪式結構，結構組成如圖4所示，主要包括結構架、步進電機、梯形絲杠、滑動塊、導向軸和剪式單元組。每個基本剪式單元由兩根等長直桿中間通過鉸接相連，基本剪式單元之間通過鉸接形成剪式單元組[12]。剪式單元組結構在收縮時本體體積較小，受力展開后空間大，結構穩(wěn)定性好，不僅增加了伸縮的有效行程，使得檢測箱體對現(xiàn)場環(huán)境的檢測更為全面，而且優(yōu)異的穩(wěn)定性使得底部搭載的檢測平臺檢測過程平穩(wěn)。步進電機作為驅動源，通過梯形絲杠和導向軸將旋轉運動轉換為滑動塊的直線運動，從而帶動剪式結構的節(jié)點運動，實現(xiàn)伸縮運動。

圖4 伸縮機構

2.4 檢測機構

檢測機構與伸縮機構底端連接，根據檢測要求在其搭載平臺上設置了相關檢測儀器，一般包括VOC大氣環(huán)境檢測儀、紅外溫度傳感器、高清相機和圖像無線傳輸模塊等基本模塊。同時針對不同的檢測環(huán)境可以更換不同的檢測傳感器，具體巡檢配置可以在地面遠程控制系統(tǒng)里調節(jié)參數(shù)。

機構的箱體內壁配置有射頻讀卡器，用以對伸縮機構空間豎直方向上定位。讀卡器讀取需檢測設備的具體高度位置信息，將信號傳遞給系統(tǒng)主控模塊，主控模塊及時作出判斷從而控制伸縮機構的上下伸縮長度。

3 巡檢機器人控制系統(tǒng)設計

3.1 巡檢流程分析

巡檢機器人通過無線網絡由地面遠程控制系統(tǒng)控制[13]。控制中心發(fā)出巡檢信號，巡檢機器人開始巡檢工作。軌道特定點處預先鋪設RFID標簽[14-15]，巡檢機器人移動過程中射頻讀卡器檢測到軌道上的RFID串號信息時，將信號傳遞給主控機，主控機判斷機器人的巡檢位置并決定是否下達下降巡檢命令。伸縮機構下降過程中，當箱體搭載的射頻讀卡器讀取到現(xiàn)場設備具體檢測點信息時，伸縮機構運動停止，檢測設備開始環(huán)境數(shù)據的采集和設備工況圖像的采集。全部數(shù)據采集完成，伸縮機構回原點，巡檢機器人繼續(xù)移動對下一個檢測點巡檢，直至巡檢結束，巡檢機器人回工作原點等待下一次巡檢任務。該巡檢機器人采用能量比較高的鋰電池作為動力源，如若巡檢過程中系統(tǒng)檢測到電池電量不足，機器人會優(yōu)先執(zhí)行自主無線充電指令。具體巡檢流程如圖5所示。

圖5 巡檢機器人巡檢流程

3.2 控制系統(tǒng)功能

巡檢機器人控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，地面遠程控制系統(tǒng)作為上位機通過無線網絡對巡檢機器人進行巡檢控制管理，上位機控制系統(tǒng)具有以下功能：1）參數(shù)設置功能，包括巡檢機器人串口通信、控制方式、行走速度、巡檢方式、安全上限參數(shù)、巡檢周期等設置；2）系統(tǒng)實時顯示巡檢現(xiàn)場采集到的大氣環(huán)境數(shù)據和現(xiàn)場圖像，并支持視頻錄制、歷史數(shù)據查詢和巡檢報表生成；3）系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境檢測異常進行實時警報，能夠以警示燈、軟件警告彈窗、短信等方式通知值守人員。巡檢機器人控制系統(tǒng)具體功能如圖6所示。

圖6 巡檢機器人控制系統(tǒng)功能

4 結語

實驗廢液處理是高校及科研院所實驗室環(huán)境安全與污染防治的重要一環(huán)，處理設施的有效、安全運行是保障實驗室環(huán)境安全的基本要求。用于實驗廢液處理工作過程監(jiān)測的巡檢機器人系統(tǒng)的開發(fā)設計，為實驗室環(huán)境安全的管控提供了一種手段和工具。研制的巡檢機器人系統(tǒng)樣機在巡檢試驗中定位精準、數(shù)據采集準確、圖像傳輸清晰、環(huán)境異常報警及時；表明該巡檢機器人系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定，巡檢數(shù)據可靠，可以代替人工完成廢液處理過程工作現(xiàn)場的巡檢工作。達到了預期的目的和效果。后續(xù)將不斷的完善該巡檢機器人系統(tǒng)的功能，優(yōu)化巡檢機器人結構，為更好的服務于高校及科研院所的實驗室環(huán)境安全與污染防治的管理做出應有的努力。