程向麗，曾周末，侯越強(qiáng)，趙 興，李 建，靳世久

（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

針對(duì)原油凝點(diǎn)高、黏度高和流動(dòng)性差等特性，在輸送過(guò)程中多采用加熱爐傳熱方式，其工作原理即在加熱爐內(nèi)燃燒油或氣以加熱熱媒（即導(dǎo)熱油）用于和原油進(jìn)行熱交換。但是，不完全燃燒造成的結(jié)焦附著于爐膛內(nèi)導(dǎo)熱管壁上，嚴(yán)重影響了加熱過(guò)程的熱交換效率，因此，需要對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行定期清掃。工人攜帶工具進(jìn)入爐膛內(nèi)部進(jìn)行人工清灰是目前最普遍的清灰方案。但是此種方案的工作條件十分惡劣，嚴(yán)重地?fù)p害了工人的身體健康。

結(jié)合爐膛內(nèi)部管道的具體結(jié)構(gòu)，提出一種管壁間翻轉(zhuǎn)行走機(jī)器人清灰的設(shè)想，并完成管壁清灰完全自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)。管壁間翻轉(zhuǎn)行走機(jī)器人能自動(dòng)完成清掃任務(wù)替代人工作業(yè)，可以有效地清除爐膛內(nèi)的灰垢，保證加熱爐高效，穩(wěn)定工作，大大地減輕了清灰的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了對(duì)工人身體的損害［1］。

1 整體結(jié)構(gòu)

加熱爐爐膛導(dǎo)熱管是在水平方向上相互平行、獨(dú)立的直管，這些導(dǎo)熱管等距離分布在一個(gè)正八邊形上。根據(jù)這一作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種具有翻轉(zhuǎn)功能的機(jī)器人，同時(shí)還具有行走和清灰兩大功能，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的完全自制。整個(gè)機(jī)器人由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、清灰機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4個(gè)模塊組成。機(jī)器人的工作環(huán)境加熱爐爐膛結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 機(jī)器人工作環(huán)境和機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of working environment and mechanical structure of robot

2 受力分析

可翻轉(zhuǎn)清灰機(jī)器人的工作示意圖如圖2所示。機(jī)器人通過(guò)行走機(jī)構(gòu)直行，通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)切換軌道，同時(shí)清灰電機(jī)帶動(dòng)清灰刷對(duì)導(dǎo)熱管壁進(jìn)行清理，機(jī)器人穩(wěn)定可靠地直行和翻轉(zhuǎn)是其有效清除管壁灰塵的關(guān)鍵所在［2］。

機(jī)器人的工作過(guò)程包括:沿單一軌道直行運(yùn)動(dòng)（在兩平行管道間）;切換軌道翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（繞單一管道）;直行和翻轉(zhuǎn)間的切換運(yùn)動(dòng)。其中切換運(yùn)動(dòng)又包括4個(gè)子過(guò)程，即行走機(jī)構(gòu)靜止，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)收縮并抱緊管壁;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)靜止，行走機(jī)構(gòu)收縮并脫離管壁;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)靜止，行走機(jī)構(gòu)伸開(kāi)并卡緊管壁;行走機(jī)構(gòu)靜止，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)伸開(kāi)并脫離管壁。

圖2 機(jī)器人的工作示意圖Fig 2 Working schematic diagram of robot

機(jī)器人切換運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，因此，這里的動(dòng)力學(xué)分析主要討論行走和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力情況。

1）行走過(guò)程機(jī)器人受力情況

記用于機(jī)器人行走的各個(gè)滾動(dòng)單元為C1～C8;行走機(jī)構(gòu)為C9;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為C10;清灰刷為C11。如圖3（a）所示，利用第二類Lagrange方程建立動(dòng)力學(xué)方程［3］。行走過(guò)程中只有一個(gè)自由度，取直行方向的位移x為廣義坐標(biāo)，且各滾動(dòng)單元的角速度、角加速度均相等，清灰刷的角速度、角加速度為其k倍。

由Lagrange方程

式中T為動(dòng)能，qj為廣義坐標(biāo)，Qj為廣義力;這里，qj=x，Qj=Qx。

系統(tǒng)動(dòng)能為

其中，Izi為各滾動(dòng)軸和清灰刷滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mi為符號(hào)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量;r1為行走滾動(dòng)半徑。又有

聯(lián)立式（1）、式（2）、式（3），可得

其中，x為沿x軸線加速度，M為轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)矩M與機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中的線加速度呈正比關(guān)系，因此，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)階段保持勻加速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)預(yù)定速度后，再降低M以保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2）翻轉(zhuǎn)過(guò)程機(jī)器人受力情況

如圖3（b）所示，記A臂上受力點(diǎn)為A1～A6號(hào);B臂上受力點(diǎn)為B1～B6號(hào)，行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及清灰刷仍沿用直行受力分析的記號(hào)，包括C1～C11。方法與行走分析類似，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中取ψ為廣義坐標(biāo)，ψ為機(jī)器人繞x軸翻轉(zhuǎn)時(shí)與水平面的夾角;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的各個(gè)滾動(dòng)軸的角速度、角加速度均相等。

圖3 機(jī)器人受力分析圖Fig 3 Force analysis graph of robot

系統(tǒng)動(dòng)能為

其中，m為輪子質(zhì)量;ri為i機(jī)構(gòu)的半徑;mA，RA和mB，RB為A臂和B臂的質(zhì)量和其質(zhì)心到管道中心的半徑;Ixii，IxpA，IxpB，IxpC9C11為i機(jī)構(gòu)繞其滾軸xi，A 臂、B 臂以及 C9和C11整體繞管道中心軸xp的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Rp為管道半徑;ri為i機(jī)構(gòu)的半徑。又有

聯(lián)立式（1）、式（5）、式（6），可得角加速度

其中，

由上式可知，轉(zhuǎn)矩M與機(jī)器人翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的角加速度呈正比關(guān)系，因此，在機(jī)器人翻轉(zhuǎn)階段，根據(jù)不同位置M不同，角加速度也不同。

根據(jù)機(jī)器人在爐膛內(nèi)不同位置的不同情況，對(duì)機(jī)器人建立牛頓靜力學(xué)模型，采用整體法進(jìn)行受力分析，易得機(jī)器人的靜力學(xué)方程為

其中，ρ=30°;α =0°，45°，90°，135°;G=（M1+M2+M3）g。

3 運(yùn)動(dòng)控制

控制系統(tǒng)的基本要求是隨動(dòng)性好、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、良好的速度以及位移控制能力［4］。該機(jī)器人的具體控制對(duì)象包括:

1）機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的控制:包括直行控制部分、伸縮控制部分;故行走機(jī)構(gòu)需要控制直行、伸縮兩種運(yùn)動(dòng)形式的直流電機(jī)。

2）機(jī)器人翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制:包括翻轉(zhuǎn)控制部分、伸縮控制部分和旋轉(zhuǎn)控制部分。故翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要控制翻轉(zhuǎn)、伸縮以及旋轉(zhuǎn)三種形式的直流電機(jī)。

3）機(jī)器人清灰機(jī)構(gòu)的控制:這里是帶動(dòng)清灰刷的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到清灰目的，故清灰機(jī)構(gòu)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)控制的直流電機(jī)。

控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)清灰的關(guān)鍵核心部分，為實(shí)現(xiàn)清灰機(jī)器人的完全自動(dòng)控制，對(duì)其采用了“兩條腿”走路的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體框圖Fig 4 Block diagram of the whole system

1）自動(dòng)控制模式

機(jī)器人在未上電狀態(tài)下，行走機(jī)構(gòu)呈收縮狀態(tài)，當(dāng)工作人員將機(jī)器人置于0°兩導(dǎo)熱管之間，給機(jī)器人上電，單片機(jī)控制行走機(jī)構(gòu)水平方向延伸，直至與兩側(cè)的導(dǎo)熱管壁頂緊，然后行走機(jī)構(gòu)直行、清灰刷開(kāi)始清灰工作;同時(shí)，控制器接收超聲測(cè)距傳感器［5］的距離信號(hào)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)至管道盡頭時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人反向行走，機(jī)器人開(kāi)始反向清灰，回到初始位置后停止前進(jìn)。

收縮翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（即機(jī)械臂），使機(jī)械臂抱緊導(dǎo)熱管，收縮行走機(jī)構(gòu)，使之完全脫離導(dǎo)熱管;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)熱管周向翻轉(zhuǎn)，直至到達(dá)預(yù)定角度（翻轉(zhuǎn)角度在 0°，45°，90°和 135°平行管道時(shí)為180°，在管道接合處為135°）;延伸行走機(jī)構(gòu)，至頂緊管壁兩側(cè)，再延伸機(jī)械臂，至機(jī)械臂與管壁完全脫離;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)再旋轉(zhuǎn)180°與下一待翻轉(zhuǎn)導(dǎo)熱管呈虛抱緊狀態(tài)，至此，一個(gè)工作周期完畢，其程序控制框圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig 5 Control flow chart

2）手動(dòng)控制模式

通過(guò)人眼觀察機(jī)器人的位置及其清灰效果，通過(guò)紅外遙控裝置發(fā)送命令，控制機(jī)器人行走、翻轉(zhuǎn)等一系列工作形式，并且，控制系統(tǒng)主程序隨時(shí)響應(yīng)手動(dòng)模式下的紅外命令中斷，故手動(dòng)模式控制優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)模式。

以上2種控制模式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的清灰除塵目的。

4 性能測(cè)試

圖6 翻轉(zhuǎn)測(cè)試過(guò)程中的位置標(biāo)記Fig 6 Position marking during inversion test

基于本文提出的集翻轉(zhuǎn)、行走、清灰功能于一體的組合式結(jié)構(gòu)機(jī)器人，對(duì)其翻轉(zhuǎn)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn):將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沿管壁外徑為219 mm的鋼管周向翻轉(zhuǎn)，對(duì)其翻轉(zhuǎn)不同位置處的π/2弧長(zhǎng)所需時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。其中，a，b，c，d4弧段構(gòu)成了管道外壁的一周，該實(shí)驗(yàn)的4個(gè)弧段包括了機(jī)器人在爐膛內(nèi)翻轉(zhuǎn)的所有情況，其實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 等長(zhǎng)弧段內(nèi)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)Tab 1 Turnover data during equilong trajectory

可見(jiàn)，在a，d弧段翻轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，翻轉(zhuǎn)速度小，即相應(yīng)的滾動(dòng)軸扭矩M大，故機(jī)器人處于一，四象限內(nèi)，要求電機(jī)輸出大扭矩，以提高機(jī)器人的角加速度來(lái)保證翻轉(zhuǎn);而b，c弧段的翻轉(zhuǎn)時(shí)間短，翻轉(zhuǎn)速度大，滾動(dòng)軸扭矩M減小，故機(jī)器人處于二，三象限內(nèi)，不要求電機(jī)輸出較大扭矩即可保證翻轉(zhuǎn)。該性能測(cè)試中，機(jī)器人的角加速度根據(jù)翻轉(zhuǎn)位置變化發(fā)生改變，驗(yàn)證了上述的理論推導(dǎo)。

行走機(jī)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)與翻轉(zhuǎn)性能實(shí)驗(yàn)類似。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種運(yùn)用于加熱爐爐膛內(nèi)管壁清灰翻轉(zhuǎn)機(jī)器人，該機(jī)器人體積小，重量輕，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。簡(jiǎn)單介紹了機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)進(jìn)行了工作過(guò)程中的受力分析，闡述了控制系統(tǒng)模塊的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思想，并提出了機(jī)器人自動(dòng)轉(zhuǎn)換軌道這一創(chuàng)新思想，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人的可行性。利用自動(dòng)清灰機(jī)器人替代工人在惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)具有可操作、高效率等特點(diǎn)，在石油輸送等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ Wang Y，Liu S L，Xu D G．Development and application of wallclimbing robots［C］∥Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，Piscataway，NJ，USA，1999:1207－1212．

［2］ 冉小東，陳世利，曾周末，等．一種用于熱媒爐爐膛內(nèi)清灰爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（8）:78 －82．

［3］ 李 近．淺談虛功原理的應(yīng)用［J］．中國(guó)科技信息，2009（24）:25－30．

［4］ 宋 巖．一種尺蠖式爬行機(jī)器人的研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2007:14 －17．

［5］ Marioli D．Digital time-of-flight measurement for ultrasonic sensors［J］．IEEE Trans on Instrumentation and Measurment，1992，41（1）:88－92．