一種基于ESP32的智能鋼管清潔機器人設計*

肖彥超， 余 江，2， 何炳良， 藍業厚

（1.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東省海洋裝備及制造工程技術研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

目前在鋼管的技術裝備水平、技術含量、鋼管品種規格等方面，中國鋼管產業水平接近世界強國水平，同時中國鋼管的產量占世界鋼管產量的50%以上[1]。國家統計局統計數據顯示，2019年我國鋼管產量8 417.6萬t，同比增長8.7%[2]。然而由于環境中的水分、氧氣以及鋼管表面殘留物等各方面因素的綜合影響，導致鋼管表面相對容易被腐蝕氧化。而金屬的生銹是一種很大的浪費，每年在全世界范圍內因為金屬的生銹而報廢的金屬設備和材料相當于其年產量的20%～40%。因此需要對鋼管定期進行清潔工作，而研究一款智能鋼管清潔機器人對于已固裝鋼管的清潔作業很有必要。

在工業機器人中，管道機器人作為一個重要的研究分支，正日益受到重視。管道機器人可分為管內機器人和管外機器人，人們對管內機器人已有較多研究[3-5]，而對管外機器人的研究相對較少[6]。本文所研究的基于ESP32的智能鋼管清潔機器人屬于管外機器人。

目前，國內外在管外機器人的研究上已經取得了一定的成果，也開發出了適應各種管道類型的自動化機構[7]。但是在現階段，根據國內外鋼管清洗機器人的研究可知，鋼管清洗機器人技術尚未成熟，還存在著以下問題：

1）對于爬管機器人的相關研究有限。雖然有不少對鋼管滾動式爬管機器人進行相關研究的文獻，但對于磁吸式爬管機器人的研究文獻相對較少。同時，對于爬管機器人在水平鋼管上爬行時重心問題的研究也不多。

2）對于已固裝鋼管的清洗機器人的相關研究有限。目前已有研究的鋼管清洗機大多數應用于工廠的鋼管生產過程中，這些鋼管都是堆疊放置于倉庫中，可運送至清洗機器中進行清洗。但對已固裝在建筑上的鋼管的清洗機器人相關研究較少。

3）鋼管清洗機器人安裝于鋼管的方式比較煩瑣。鋼管清洗機器人在鋼管上進行安裝的方式比較多樣，據相關文獻可知，較為普遍的安裝方式是將機器人的兩部分通過螺栓連接的方式進行安裝，這種安裝方式無疑是煩瑣且低效的。

研究該智能鋼管清潔機器人是為了滿足人類生產生活的需要。如今建筑樓層多、面積廣，走廊鋼管多且長，容易落灰、變臟和生銹，需要定期清洗，以保持整體整潔，否則容易產生管道損壞、使用性能下降、損耗材料、人力耗費等問題。而目前走廊鋼管的清洗主要以人力清潔為主[8]。本課題組研究的智能鋼管清潔機器人在保證清潔度的情況下，可以實現對鋼管的自主清潔，不僅能夠提高鋼管清潔的工作效率，還可以節省更多的人力，降低成本，適用于學校、辦公樓、商場等場合，能帶來較好的經濟效益和社會效益。

1 設計方案概述

課題組所設計的基于ESP32的智能鋼管清潔機器人主要包括滾刷裝置、爬行驅動裝置、抽水裝置等。該鋼管清潔機器人采用模塊化的設計方案，可以實現自動控制，同時不斷優化機械結構設計，使設備輕便、易安裝、不易損壞，并確定最優的機械結構設計。最終通過自主控制或手機以及其他的控制設備控制，使機器人在鋼管上能夠穩定前行、清洗，并且使其具有在清洗過程中自動控制水量等功能。

2 控制設計

2.1 硬件配置

該機器人采用多種模塊配合控制機器人整體的工作，核心部分是安信可的ESP32-32S控制板，它負責機器人的爬行運動、鋼管清洗、鋼管末端檢測等功能。機器人選用了紅外光電模塊，用于檢測其清洗鋼管時是否到達了鋼管末端，防止意外發生。此外，該機器人還裝有HC-07藍牙模塊，可通過手機藍牙和APP連接機器人的藍牙透傳模塊實現對機器人的調試與控制，具體可控制的功能有爬行清洗功能、爬行速度調節、清洗強度調節和抽水速度調節等；可調試的功能有爬行裝置的爬行運動，清洗裝置的清洗運動，微型水泵抽水和紅外光電開關測試。通過這些硬件模塊的功能協調，即可實現機器人的硬件控制系統功能。該機器人的硬件配置控制如圖1所示。

圖1 機器人的硬件配置控制

2.2 軟件設計

本鋼管清潔機器人具有兩種運行模式可選，自動清洗模式和藍牙遙控模式，控制流程圖如圖2所示。

圖2 機器人的運行程序設計

機器人開啟運行后，可通過按鈕選擇模式。自動清洗模式可以讓鋼管清潔機器人直接運行設定的清洗程序，機器人在爬行前進的同時對鋼管進行清洗。藍牙控制模式可通過手機端對設備的各項相關參數進行調節，在設置完成之后設備會自動運行工作。當檢測傳感器檢測到機器人到達鋼管交叉處時，機器人將停止工作，進入待機狀態。若要繼續下一段鋼管的清潔，需要由人將其轉移工作。

3 結構設計

3.1 總體結構設計

如圖3所示，該鋼管清潔機器人主要由爬行驅動裝置、滾刷裝置、供水裝置、鎖緊裝置和控制部分等組成，呈包圍式。其清潔主要通過水泵1將水箱2里的水抽至滾刷裝置前端，滾刷裝置中帶有軟毛刷4的滾筒3開始旋轉清潔；鎖緊裝置安裝于滾刷裝置套蓋連接處，滾刷裝置通過燕尾槽與爬行驅動裝置連接。爬行驅動裝置具有兩組電磁鐵夾臂機構6，每組夾臂機構上裝有兩塊電磁鐵5，機器人可通過兩組夾臂機構上的電磁鐵吸附于鋼管外壁，當電磁鐵通電時夾緊鋼管，斷電即松開，兩組夾臂機構交替松緊實現爬行進給。該機器人的結構設計不考慮廢水回收裝置。

圖3 機器人的總體結構

3.2 爬行驅動裝置結構設計

該機器人的爬行驅動裝置結合了爬行式鋼管外表面打磨器[9]的磁鐵吸附爬行方式和一種圓管外壁自動爬行打磨機器人[10]的滾輪式爬行方式，如圖4所示。機器人的夾臂機構是可調的，能夠向兩側伸展以適應一定直徑范圍的鋼管。將機器人放置在鋼管上后，初始狀態下，后夾臂機構和前夾臂機構都處在同一直線上且其之間的距離處在最短狀態；通過滾輪能夠支撐機器人在鋼管上吸磁爬行快速前進，減少移動時與鋼管之間的摩擦。讓后夾臂機構和前夾臂機構的電磁鐵均通上電源，電磁鐵牢牢地吸在鋼管上，此時前夾臂機構的電磁鐵斷電，接著通過42步進電機背向后夾臂機構推進，讓前夾臂機構遠離機身部分一段可控距離，隨即前夾臂機構的電磁鐵通電吸住鋼管[11]；下一步則是讓后夾臂機構的電磁鐵斷電，通過步進電機將自身拉向已吸牢鋼管的前夾臂機構，隨即后夾臂機構電磁鐵通電吸住鋼管。這已經完成了機器人的一段基本的爬行過程，通過上述方式重復交替運行即可進行持續的鋼管爬行運動，若需要加快爬行速度，在一定范圍內調節步進電機正反轉時的轉速即可。

圖4 爬行驅動裝置結構

3.3 滾刷裝置結構設計

該機器人的滾刷裝置包括帶有齒輪副的滾筒3、直流減速電機16、主支架19、左套蓋15、右套蓋20以及軟毛刷4等，如圖5所示。當機器人工作時，通過水泵將水箱里的水抽至清洗裝置的一端，同時滾刷裝置兩側的直流減速電機通過齒輪副帶動安裝在滾筒內的軟毛刷，使得帶有軟毛刷的滾筒繞著鋼管旋轉實現對鋼管的清潔；并且可以通過手機端藍牙控制調節參數，在一定范圍內調節直流電機轉速即可調節清洗裝置對鋼管的清潔強度。清潔度的最大化需要爬行裝置和清洗裝置共同協調才能實現。同時，滾筒直徑是固定的，通過更換不同長度的軟毛刷可以在一定的直徑范圍內適應不同直徑的鋼管。

圖5 滾刷裝置結構

3.4 鎖緊裝置結構設計

機器人放上鋼管后需要結合鎖緊，防止中途松動掉落，為此專門設計了一種彈簧鎖緊裝置，該鎖緊裝置具有快速、方便等特點。鎖緊裝置由底座23、被動推桿21、解鎖推桿24、彈簧22和兩個鎖扣25構成，如圖6所示。當機器人的兩個帶齒輪副的滾筒套合上后，可通過該鎖緊裝置進行鎖緊，使左、右套蓋可以穩定快速地安裝合攏。鎖緊裝置默認狀態時被動推桿會向外伸出，當需要安裝合攏左、右套蓋時，應手動按住解鎖推桿使被動推桿向內縮進去，同時將左右套蓋合攏，完全合攏后松開解鎖推桿，被動推桿則會卡進鎖扣孔內。當鋼管清潔完或中途停止需要拆下機器人時，可通過按壓解鎖推桿解鎖。

圖6 鎖緊裝置結構

4 結語

該基于ESP32的智能鋼管清潔機器人采用模塊化的設計，易于拆裝，便于對該機器進行維護和技術改造，減少設備成本的同時提高設備的利用率。且該機器人滾刷裝置的軟毛刷是可拆裝的，軟毛刷作為清潔部位容易磨損，可拆裝的軟毛刷便于更換；其次，該機器人還能夠通過選取軟毛刷長度，適應一定范圍內的鋼管直徑，并且通過適當調整爬行支架即可自適應調整設備的重心，使用操作簡單。該設備還具有體積小、質量輕的優點，便于攜帶、搬運。其制造成本和使用成本較低，適用范圍較廣，具有良好的市場前景。

目前，對于該基于ESP32的智能鋼管清潔機器人的研究設計還處于初步階段，該階段實現了其大部分應實現的功能并將其簡單試驗應用于一段距離的水平鋼管。但其并不具備完善的功能使其適應較大的工作場合，具有一定的局限性，但本研究將會持續改進。