安華成，周驥平*，高龍琴，徐鐘林

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127；2.江蘇科仕達(dá)實(shí)驗(yàn)室環(huán)?？萍加邢薰荆瑩P(yáng)州 225127）

0 引言

實(shí)驗(yàn)廢液通常含有較多的酸堿、重金屬、氰化物、有機(jī)酸、酚類等有害物質(zhì)，廢液不經(jīng)過處理直接排放不僅會(huì)污染環(huán)境，而且會(huì)影響居民的生活健康[1]。通常實(shí)驗(yàn)室會(huì)將實(shí)驗(yàn)廢液分類存儲(chǔ)，送往廢液處理中心集中處理。處理中心擁有反應(yīng)罐、沉淀池、過濾器等廢液處理設(shè)備[2]。一般地這些設(shè)備體積較大，設(shè)備間的連接管道鋪設(shè)錯(cuò)綜復(fù)雜，且不同工段處理反應(yīng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)和反應(yīng)過程不同，因此需要定時(shí)檢測設(shè)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(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，這樣保證廢液處理工作過程的有效運(yùn)行，同時(shí)預(yù)警可能發(fā)生的安全事故。

目前，實(shí)驗(yàn)室廢液處理工作現(xiàn)場大多是靠人工定時(shí)定線路巡檢，采用人工巡檢方式存在以下幾點(diǎn)不足：一是工作現(xiàn)場處理設(shè)備數(shù)量多，工況不盡相同，需記錄的數(shù)據(jù)量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大；二是人工巡檢主要依賴巡檢人員經(jīng)驗(yàn)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(fù)性勞動(dòng)后巡檢人員可能會(huì)產(chǎn)生惰性，從而疏忽巡檢工作；四是增加了人工勞動(dòng)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(shí)時(shí)達(dá)到規(guī)定的安全巡檢標(biāo)準(zhǔn)，為廢液的處理工作留下了安全隱患。

因此，基于在滿足實(shí)驗(yàn)廢液處理工作過程要求和現(xiàn)場電氣規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了一種滿足實(shí)驗(yàn)廢液處理工作過程監(jiān)測需求的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，基礎(chǔ)的搭載有主控制器、射頻定位裝置和視頻采集設(shè)備，針對不同的工藝工段配備不同檢測標(biāo)準(zhǔn)的檢測模塊。整個(gè)巡檢系統(tǒng)定時(shí)巡檢、數(shù)據(jù)記錄、狀態(tài)顯示、異常報(bào)警等功能，從而降低廢液處理工作過程巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，提高巡檢的效率和可靠性。

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

由于廢液處理工作現(xiàn)場大型設(shè)備較多，設(shè)備與設(shè)備之間還鋪設(shè)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(shè)巡檢軌道，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過在預(yù)鋪設(shè)的軌道上行走，對廢液處理工作過程現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行巡檢。為滿足巡檢要求，巡檢機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)要求如下：1）輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足剛度要求，結(jié)構(gòu)布局緊湊；2）模塊化設(shè)計(jì)，針對不同檢測要求可搭載不同檢測設(shè)備；3）避免行走時(shí)出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)現(xiàn)象[5]；4）軌道預(yù)停車點(diǎn)和設(shè)備檢測位置處定位準(zhǔn)確；5）外殼防護(hù)等級達(dá)到IP64；6）檢測信號無線傳輸；7）采用電池驅(qū)動(dòng)并自主定時(shí)充電[6-7]。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)整體采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和巡檢機(jī)器

人本體組成（如圖1所示）。地面遠(yuǎn)程控制中心與機(jī)器人主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制以及巡檢數(shù)據(jù)的反饋傳輸。巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要包括行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)等。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.1 行走機(jī)構(gòu)

巡檢機(jī)器人本體采用吊掛式軌道行走方式，行走機(jī)構(gòu)主要包括行走軌道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(cè)面。同步帶輪作為驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪與同步帶嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)機(jī)器人本體可以避免巡檢過程剎車時(shí)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，從而一定程度上提高了巡檢剎車時(shí)的定位精度。

圖2 巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)向輪和張緊裝置。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要引導(dǎo)巡檢機(jī)器人沿預(yù)鋪設(shè)軌道方向移動(dòng)，避免移動(dòng)過程中巡檢機(jī)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(dāng)行走機(jī)構(gòu)在軌道彎處移動(dòng)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)前端的軌道內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪優(yōu)先受到軌道內(nèi)側(cè)面的徑向壓力，提前給出拐彎信號，軌道外側(cè)的導(dǎo)向輪在張緊裝置的作用下自動(dòng)緊貼軌道外側(cè)面。兩側(cè)壓力的共同作用保證巡檢機(jī)器人在彎道上能夠及時(shí)回到平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在軌道各處的平穩(wěn)運(yùn)行[10-11]。

圖3 彎軌處巡檢機(jī)器人移動(dòng)狀態(tài)

2.3 伸縮機(jī)構(gòu)

伸縮機(jī)構(gòu)采用剪式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，主要包括結(jié)構(gòu)架、步進(jìn)電機(jī)、梯形絲杠、滑動(dòng)塊、導(dǎo)向軸和剪式單元組。每個(gè)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(jié)構(gòu)在收縮時(shí)本體體積較小，受力展開后空間大，結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，通過梯形絲杠和導(dǎo)向軸將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)塊的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剪式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖4 伸縮機(jī)構(gòu)

2.4 檢測機(jī)構(gòu)

檢測機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)底端連接，根據(jù)檢測要求在其搭載平臺上設(shè)置了相關(guān)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(jī)和圖像無線傳輸模塊等基本模塊。同時(shí)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)里調(diào)節(jié)參數(shù)。

機(jī)構(gòu)的箱體內(nèi)壁配置有射頻讀卡器，用以對伸縮機(jī)構(gòu)空間豎直方向上定位。讀卡器讀取需檢測設(shè)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(shí)作出判斷從而控制伸縮機(jī)構(gòu)的上下伸縮長度。

3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 巡檢流程分析

巡檢機(jī)器人通過無線網(wǎng)絡(luò)由地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制[13]?？刂浦行陌l(fā)出巡檢信號，巡檢機(jī)器人開始巡檢工作。軌道特定點(diǎn)處預(yù)先鋪設(shè)RFID標(biāo)簽[14-15]，巡檢機(jī)器人移動(dòng)過程中射頻讀卡器檢測到軌道上的RFID串號信息時(shí)，將信號傳遞給主控機(jī)，主控機(jī)判斷機(jī)器人的巡檢位置并決定是否下達(dá)下降巡檢命令。伸縮機(jī)構(gòu)下降過程中，當(dāng)箱體搭載的射頻讀卡器讀取到現(xiàn)場設(shè)備具體檢測點(diǎn)信息時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)停止，檢測設(shè)備開始環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備工況圖像的采集。全部數(shù)據(jù)采集完成，伸縮機(jī)構(gòu)回原點(diǎn)，巡檢機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)對下一個(gè)檢測點(diǎn)巡檢，直至巡檢結(jié)束，巡檢機(jī)器人回工作原點(diǎn)等待下一次巡檢任務(wù)。該巡檢機(jī)器人采用能量比較高的鋰電池作為動(dòng)力源，如若巡檢過程中系統(tǒng)檢測到電池電量不足，機(jī)器人會(huì)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(jī)器人巡檢流程

3.2 控制系統(tǒng)功能

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)作為上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)對巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢控制管理，上位機(jī)控制系統(tǒng)具有以下功能：1）參數(shù)設(shè)置功能，包括巡檢機(jī)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(shè)置；2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示巡檢現(xiàn)場采集到的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像，并支持視頻錄制、歷史數(shù)據(jù)查詢和巡檢報(bào)表生成；3）系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境檢測異常進(jìn)行實(shí)時(shí)警報(bào)，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(jī)器人控制系統(tǒng)具體功能如圖6所示。

圖6 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)功能

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)廢液處理是高校及科研院所實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全與污染防治的重要一環(huán)，處理設(shè)施的有效、安全運(yùn)行是保障實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全的基本要求。用于實(shí)驗(yàn)廢液處理工作過程監(jiān)測的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，為實(shí)驗(yàn)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(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)在巡檢試驗(yàn)中定位精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、圖像傳輸清晰、環(huán)境異常報(bào)警及時(shí)；表明該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定，巡檢數(shù)據(jù)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(dá)到了預(yù)期的目的和效果。后續(xù)將不斷的完善該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的功能，優(yōu)化巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)，為更好的服務(wù)于高校及科研院所的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全與污染防治的管理做出應(yīng)有的努力。