機(jī)器人技術(shù)在有限空間氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

李志龍，林寶森，葛志強(qiáng)，趙小娟

（國能（泉州）熱電有限公司，福建泉州 362804）

0 引言

石油、化工、煤炭、電廠等行業(yè)存在很多有限作業(yè)空間。由于作業(yè)空間的特點(diǎn)容易造成有毒氣體積聚，對(duì)作業(yè)人身安全造成極大威脅。災(zāi)難發(fā)生后，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，救援工作往往很難開展，也給救援隊(duì)員的生命安全帶來很大隱患。因此需要一種能夠代替救援隊(duì)員深入到危險(xiǎn)區(qū)域并探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有用信息的監(jiān)測(cè)機(jī)器人。

目前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的有害氣體檢測(cè)儀器大多是固定式或便攜式的。使用固定式檢測(cè)儀器，只能在安裝點(diǎn)及其附近進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，檢測(cè)范圍小，局限性大；使用便攜式檢測(cè)儀器，仍需人員手持到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。在石油、化工、煤炭等行業(yè)，生產(chǎn)車間在發(fā)生氣體泄漏后，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變得高危，不宜人員進(jìn)入，而做出及時(shí)、正確的判斷和決定又依賴于及時(shí)、準(zhǔn)確的事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1 氣體檢測(cè)機(jī)器人概述

機(jī)器人是可自主執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備，其中主要是受到人們的指揮以及支配，需預(yù)先對(duì)于機(jī)器所要做的工作進(jìn)行編寫程序。機(jī)器人在程序的指引下，可以進(jìn)行取代人們做一些比較繁重的工作。

機(jī)器人主要利用機(jī)械的傳動(dòng)、微電子技術(shù)，模仿人的動(dòng)作，但是外觀不一定真的像人一樣。在實(shí)際上，機(jī)器人是綜合了多種學(xué)科進(jìn)行設(shè)計(jì)的高新技術(shù)設(shè)備。

為適應(yīng)有限作業(yè)空間的特點(diǎn)必須選擇靈活、移動(dòng)能力強(qiáng)、檢測(cè)設(shè)備可隨意搭配的機(jī)器人。下面以某有限作業(yè)空間檢測(cè)機(jī)器人為例，簡述機(jī)器人在有限作業(yè)空間的應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)組成以及功能

整套檢測(cè)機(jī)器人包括有毒有害及粉塵檢測(cè)倉、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)支架、高清攝像云臺(tái)、手持控制器、地面工作站（圖1）。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

有毒有害及粉塵檢測(cè)倉可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景定制各類傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種有毒有害氣體的檢測(cè)、采集及數(shù)據(jù)上傳。檢測(cè)倉通過實(shí)時(shí)檢測(cè)比較，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可立即作出報(bào)警提示。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)支架可搭載檢測(cè)倉在各種有限作業(yè)空間移動(dòng)，能全方位檢測(cè)作業(yè)空間的環(huán)境情況：①通過高清攝像云臺(tái)可實(shí)時(shí)查看作業(yè)空間的環(huán)境情況；②通過手持控制器可控制機(jī)器人移動(dòng)及云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；③地面工作站一方面為機(jī)器人提供電力，同時(shí)通過通信電纜完成視頻及控制信號(hào)的傳輸；④地面基站對(duì)外提供無線信號(hào)，手持控制器通過無線信號(hào)接入完成機(jī)器人操作、環(huán)境數(shù)據(jù)接收顯示及實(shí)時(shí)視頻的播放。

基于上述情況，在進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有毒有害氣體的濃度、粉塵濃度及環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行巡檢，主要是對(duì)于實(shí)際的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)在此基礎(chǔ)上需要完成檢測(cè)數(shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，將在狹小的空間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給指揮中心。

機(jī)器人系統(tǒng)的檢測(cè)主要分為兩種模式，分別是既定的巡檢模式和手動(dòng)的巡檢模式：在既定的巡檢模式中，機(jī)器人可以按照設(shè)定的路線完成有毒有害氣體以及周圍環(huán)境溫度的檢測(cè)；手動(dòng)模式下通過手持控制器完成機(jī)器人的操作，同時(shí)完成作業(yè)空間環(huán)境的檢測(cè)。檢測(cè)期間通過無線技術(shù)將周圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，經(jīng)過分析處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的檢測(cè)以及報(bào)警，同時(shí)可以將一些異常的數(shù)據(jù)上傳到上層服務(wù)，結(jié)合企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)和自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)完成系統(tǒng)級(jí)聯(lián)動(dòng)功能。在機(jī)器人的硬件方面，對(duì)于一些檢測(cè)裝置的電子電路進(jìn)行高度模塊化的處理，在檢測(cè)裝置中主要是由控制器模塊以及各種傳感器的模塊（SKA/NE-7 氣體的濃度傳感器模塊以及溫度傳感器模塊）。

另外需要注意的是圖像采集模塊、通信模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電源模塊。總結(jié)以上內(nèi)容設(shè)計(jì)出一款有限作業(yè)空間檢測(cè)機(jī)器人（圖2）。該機(jī)器人檢測(cè)的有毒氣體可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇，樣機(jī)所能檢測(cè)的氣體具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 氣體檢測(cè)能力

圖2 有限空間氣體檢測(cè)機(jī)器人

3 控制及監(jiān)控系統(tǒng)

檢測(cè)機(jī)器人控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要在手持控制器上完成，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包含5 個(gè)部分：①視頻播放模塊，包含前后攝像頭的播放；②云臺(tái)控制，變倍、變焦；③通信模塊，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人通信，保證連接穩(wěn)定；④數(shù)據(jù)顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示各采集數(shù)據(jù)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)作出示警；⑤機(jī)器人控制模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制（圖3）。

圖3 手持控制系統(tǒng)框圖

UI（用戶）界面觸發(fā)控制指令，客戶機(jī)通過TCP 通信把控制指令下發(fā)到下位機(jī)，下位機(jī)解析數(shù)據(jù)并對(duì)指令相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行執(zhí)行，控制機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

通過手持式控制器可方便操作機(jī)器人并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控有限作業(yè)空間的情況及展示有限空間內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)。作業(yè)人員在有限作業(yè)空間外也可全面了解作業(yè)空間的情況。控制系統(tǒng)操作界面如圖4 所示。

圖4 手持控制系統(tǒng)界面

4 結(jié)束語

利用有限空間檢測(cè)機(jī)器人在狹小的空間對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，通過機(jī)器人的傳感器對(duì)于周圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端。并進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。