管網(wǎng)智能巡檢運(yùn)維機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

周銘基，謝奇志，李洪盛

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

1 前言

冷庫(kù)的發(fā)展反映了一個(gè)國(guó)家食品工業(yè)的發(fā)展水平、技術(shù)實(shí)力，甚至是綜合國(guó)力。在大型冷庫(kù)的生產(chǎn)中，制冷系統(tǒng)的耗電量占總耗電量的50%～60%。冷庫(kù)的制冷性能受到運(yùn)行條件、室內(nèi)外條件等多種干擾因素的影響。如圖1 所示，由于冷庫(kù)內(nèi)部結(jié)霜，阻礙了冷能在管道中的傳導(dǎo)和釋放，最終影響制冷效果。當(dāng)霜層冰層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，制冷效率甚至下降到30%以下，導(dǎo)致電能極大浪費(fèi)，且縮短制冷系統(tǒng)的使用壽命。因此，有必要在適當(dāng)?shù)闹芷趦?nèi)進(jìn)行冷庫(kù)除霜操作。現(xiàn)有除霜方式一般為人工使用清理工具清掃除霜，貨物需要搬動(dòng)，引起庫(kù)溫波動(dòng)較大，影響冷凍冷藏質(zhì)量。通過設(shè)計(jì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)攀爬除霜，減少貨物挪動(dòng)而引起的貨溫變化、貨物變質(zhì)，避免人力除霜強(qiáng)度大以及凍傷等不良后果。

圖1 冷庫(kù)管網(wǎng)結(jié)霜

本文查閱了國(guó)內(nèi)外特種機(jī)器人設(shè)計(jì)理論與技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，分析現(xiàn)有巡檢特種機(jī)器人機(jī)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)及適用范圍，設(shè)計(jì)研究適用于冷庫(kù)管道巡檢的特種機(jī)器人，得出指導(dǎo)性研究方向和研究思路，攻克制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)難關(guān)。提出冷庫(kù)運(yùn)維特種機(jī)器人架構(gòu)體系，研發(fā)高效專業(yè)化設(shè)備，用于指導(dǎo)冷庫(kù)特種機(jī)器人的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2 總體思路

如圖2 所示，基于除霜機(jī)器人的工作環(huán)境、工作流程及方法，建立客戶需求描述模型、信息集成模型，建立除霜機(jī)器人結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)。從行走、除霜、檢測(cè)和控制四個(gè)維度入手，設(shè)計(jì)除霜特種機(jī)器人的行走方式，實(shí)現(xiàn)攀爬行走；集成機(jī)械與射流相結(jié)合的多模式除霜機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效潔凈除霜；搭建三維檢測(cè)系統(tǒng)，獲取冷庫(kù)溫濕度計(jì)霜層厚度的空間參數(shù)分布，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)除霜；研究機(jī)器人的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主行走和作業(yè)。

圖2 智能運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

3 行走機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，機(jī)器人主要由后部熱融組件1、后部機(jī)械手2、磨削組件3、變形機(jī)構(gòu)4、前部機(jī)械手5 和前部熱融組件6 構(gòu)成。行走機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械手和變形機(jī)構(gòu)組成，機(jī)器人的機(jī)械手抓附機(jī)構(gòu)防止機(jī)器人在垂直攀爬或懸吊行走過程中打滑或墜落。后部機(jī)械手2 的減速電機(jī)2-1 用于驅(qū)動(dòng)夾爪2-2 開合運(yùn)動(dòng)。磨削組件3 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)3-4 用于驅(qū)動(dòng)擺臂3-2 做橫擺運(yùn)動(dòng)，以覆蓋整個(gè)圓周工作范圍。伸縮電機(jī)3-5 可調(diào)整擺臂3-2 以及打磨鉆頭3-1 相對(duì)排管霜層的距離?；跀z像頭3-3 采集結(jié)果，打磨鉆頭輔助熱氣除霜，即機(jī)械與射流相結(jié)合的除霜方式，進(jìn)行高效精準(zhǔn)雙模除霜。變形機(jī)構(gòu)4 設(shè)計(jì)為共邊雙平行四邊形結(jié)構(gòu)，使得后部機(jī)械手2 和前部機(jī)械手5 能夠始終保持平行，從而方便對(duì)相鄰兩個(gè)管道的抓附鎖緊。

圖3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案圖

如圖4 所示，管網(wǎng)7 主要由鐵架7-1、鐵箍7-2 和排管7-3 構(gòu)成，排管通過鐵箍固定在鐵架上，鐵架固定在冷庫(kù)四周或頂部的墻壁上。機(jī)器人同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿管道軸向的伸縮式避障運(yùn)動(dòng)、沿管道橫向的多管軌切換路線，如圖4（a）～(d)所示。通過軸向折展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿管道軸向的伸縮式步態(tài)運(yùn)動(dòng)；通過斜向折展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿管道橫向的管軌變化。

圖4 機(jī)器人在冷庫(kù)排管上行走狀態(tài)圖

4 除霜系統(tǒng)

機(jī)器人的后部熱融組件1 包括用于輸送高壓水射流的管柱1-1，用于檢測(cè)霜層分布的攝像頭1-2，底部開有若干小孔的分流板1-3。設(shè)計(jì)機(jī)械除霜和熱流除霜相結(jié)合的除霜結(jié)構(gòu)，保證除霜效率、除霜潔凈率。基于視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)霜層厚度精準(zhǔn)定位和檢測(cè)。對(duì)于薄霜層，采用熱流除霜，通過高壓水射流將熱水噴射到霜層或冰層上，超聲空化作用加速霜層溶解。對(duì)于厚冰層，大量采用熱流除霜會(huì)耗費(fèi)很多能量，而機(jī)械除霜輔助熱流除霜，以敲擊振動(dòng)的方式將松動(dòng)的冰層振落并進(jìn)行回收，以減少能耗。

5 測(cè)控系統(tǒng)

本文提出的一種特種除霜機(jī)器人，搭載霜情檢測(cè)系統(tǒng)，集成視覺距離傳感器，獲取霜層分布、厚度、面積等信息?；谀繕?biāo)檢測(cè)算法和多傳感器融合，提高識(shí)別速度和識(shí)別準(zhǔn)確率。設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面和工控屏幕，利用屏幕區(qū)域的顏色變化表征霜情嚴(yán)重程度，并及時(shí)釋放預(yù)警信號(hào)，提醒除霜。環(huán)境感知系統(tǒng)用于獲取冷庫(kù)空間內(nèi)溫度、濕度、氣體組分的空間分布狀態(tài)。攜帶溫度、濕度、氣體檢測(cè)傳感器，建立多傳感器視覺和熱成像融合檢測(cè)系統(tǒng)，保障冷媒管路暢通，獲得冷媒流態(tài)分布。

結(jié)合人工智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)搭建智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)集霜和除霜?jiǎng)幼髯赃m應(yīng)協(xié)調(diào)控制算法，實(shí)現(xiàn)同步集霜；對(duì)機(jī)器人的行走路徑、折展變形、行走速度、除霜?jiǎng)幼鬟M(jìn)行規(guī)劃和控制，實(shí)現(xiàn)自主行走和智能操作。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過上述研究工作，探索冷庫(kù)管網(wǎng)巡檢運(yùn)維機(jī)器人的技術(shù)體系、實(shí)現(xiàn)方式、設(shè)計(jì)方法及工作流程，對(duì)機(jī)器人除霜作業(yè)整個(gè)過程進(jìn)行質(zhì)量把控，綜合判據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源、能源等各項(xiàng)指標(biāo)，促進(jìn)我國(guó)冷庫(kù)除霜行業(yè)的智能化、無人化和規(guī)范化建設(shè)。