＊張 寶

（新余學(xué)院 機電工程學(xué)院 江西 338004）

2023年1月，工信部等十七部門發(fā)布了《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》，提出到2025年，制造業(yè)機器人密度較2020年實現(xiàn)翻番，機器人促進經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的能力明顯增強。聚焦10大應(yīng)用重點領(lǐng)域，突破100種以上具有較高技術(shù)水平、創(chuàng)新應(yīng)用模式和顯著應(yīng)用成效的機器人典型應(yīng)用場景，打造一批“機器人+”應(yīng)用標(biāo)桿企業(yè)，建設(shè)一批應(yīng)用體驗中心和試驗驗證中心[1]。在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，安全和環(huán)境污染問題[2]一直是備受人們關(guān)注的重點。若在事故發(fā)生前及時發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患能夠有效防止事故發(fā)生，如果在事故發(fā)生的初期及時采取有效措施也可以降低事故損失。安防巡檢是排查隱患和早期發(fā)現(xiàn)事故的有效方式，能夠減少事故所帶來的損失[3]。

圖1 巡檢機器人[4]

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，巡檢機器人在化工生產(chǎn)過程中逐漸受到關(guān)注，移動機器人具有靈活性高與維護成本低的優(yōu)點，同時能夠適應(yīng)化工廠區(qū)域的復(fù)雜性和不確定性，從而逐漸成為實現(xiàn)巡檢任務(wù)的首選。目前針對化工機器人控制技術(shù)的研究熱點主要集中在軌跡規(guī)劃、定位導(dǎo)航、運動控制等[5-8]。

1.軌跡規(guī)劃

化工巡檢機器人軌跡規(guī)劃中的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要是軌跡生成方式，在之前的研究中，通常運用直線插補、圓弧插補、定時插補、定距插補、關(guān)節(jié)空間插補等方式生成軌跡。上述軌跡生成方式易于實現(xiàn)，但軌跡插補精度有時很難保證，比如各路徑段采用拋物線過渡域線性函數(shù)進行軌跡生成，機器人的運動關(guān)節(jié)并不能真正到達那些路徑點，即使選取的加速度充分大，實際路徑也只是十分接近理想路徑點。為進一步提高軌跡規(guī)劃精度，考慮到化工巡檢工作的特殊性，近年來很多學(xué)者將機器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到巡檢機器人軌跡規(guī)劃研究中。Xu等[9]提出一種基于時間優(yōu)化的帶懲罰函數(shù)的軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)巡檢機器人的Denavit-Hartenberg模型，找到運動學(xué)解，利用混合多項式插值算法生成各關(guān)節(jié)的軌跡。傳統(tǒng)的粒子群算法以時間優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)，無法處理復(fù)雜的約束條件，容易陷入局部最優(yōu)解，收斂速度慢。對混合多項式插值算法生成的軌跡進行優(yōu)化，提出一種帶懲罰函數(shù)的改進模擬退火粒子群算法。仿真結(jié)果表明，與混合多項式插值法相比，所提算法能夠限制角速度，減少機械臂各關(guān)節(jié)的運行時間?；谲壍罊z測機器人對兩種算法進行了實驗驗證，結(jié)果表明采用優(yōu)化算法后，各關(guān)節(jié)角速度均在角速度限制范圍內(nèi)，運行時間更短，運行更加平滑，表明了所提算法的有效性。

Wang等[10]針對工廠巡檢的應(yīng)用需求，對機器人的建圖、定位和路徑規(guī)劃方法進行了研究。考慮到相機和激光傳感器因其固有特性的局限性，以及在不同環(huán)境下的不同適用性，針對不同場景提出了基于多線激光雷達和視覺感知的SLAM應(yīng)用系統(tǒng)。針對巡檢任務(wù)效率低的問題，引入A-star算法和時間彈性帶法相結(jié)合的混合路徑規(guī)劃算法。該方法有效解決了復(fù)雜環(huán)境下路徑規(guī)劃陷入局部最優(yōu)的問題，提高了機器人的巡檢效率。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的SLAM和路徑規(guī)劃方法能夠滿足機器人在復(fù)雜場景下的巡檢需求，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。Wang等[11]提出了一種大型罐底檢測機器人的路徑規(guī)劃與定位算法。根據(jù)罐底形狀設(shè)計預(yù)設(shè)的螺旋路徑，并在障礙物附近加入旋轉(zhuǎn)勢場，避免路徑規(guī)劃陷入局部最小值的問題，得到了精確且平滑的規(guī)劃結(jié)果。此外，通過測量聲發(fā)射距離，利用三點定位算法可以實現(xiàn)所提方法中機器人位置檢測的計算。

圖2 巡檢機器人路徑規(guī)劃[11]

2.定位導(dǎo)航

傳感器的性能好壞是化工巡檢機器人能否實現(xiàn)高精度定位導(dǎo)航的關(guān)鍵所在。傳感器的性能指標(biāo)包括靈敏度、線性度、精度、重復(fù)性、分辨率、響應(yīng)時間和抗干擾能力等。同時，開發(fā)高效的控制算法也將對定位導(dǎo)航技術(shù)的進步起到很大的推動作用。很多學(xué)者近年來開展了相關(guān)研究。Zhao等[12]采用基于2D LiDAR的Gmapping算法對機器人進行定位并構(gòu)建地圖。通過自平衡試驗和抗干擾試驗，驗證了設(shè)計的自平衡算法具有一定的抗干擾能力和良好的魯棒性。通過使用Gazebo搭建仿真對比實驗，驗證了粒子數(shù)的選取對于提高地圖精度具有重要意義。實際測試結(jié)果表明構(gòu)建的地圖具有較高的精度。Jiang等[13]分析了一種多信息融合的SLAM機器人定位導(dǎo)航算法，然后利用卡爾曼濾波技術(shù)通過Voronoi映射進行定位。針對機器人如何在高密度場景下進行路徑規(guī)劃和控制的問題，提出了一種五層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。巡檢機器人利用身上的傳感器來檢測周圍環(huán)境的參數(shù)信息，動態(tài)路徑規(guī)劃算法相應(yīng)地改變路徑，防止碰撞，最終達到預(yù)設(shè)目標(biāo)。在復(fù)雜環(huán)境下對檢測機器人的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行了驗證，證明了算法的有效性和準(zhǔn)確性。Zhao等[14]提出了一種基于最小二乘解廣義逆的反射鏡與激光器混合導(dǎo)航算法。針對多機器人巡檢協(xié)作路徑規(guī)劃問題，通過交通規(guī)則預(yù)留表生成表征電力巡檢交通擁堵的動態(tài)加權(quán)地圖，防止多機器人碰撞。通過分布式控制方法，機器人利用動態(tài)加權(quán)地圖改進RRT（快速探索隨機樹）算法，達到主動協(xié)同路徑規(guī)劃的目的，減少軌跡關(guān)鍵路徑點，解決協(xié)同擁堵。最后通過實驗驗證反射面導(dǎo)航算法在大范圍復(fù)雜環(huán)境下可以進行定位和標(biāo)定補償。

3.運動控制

早期的工業(yè)機器人大多采用液壓、氣動方式來進行伺服驅(qū)動，隨著大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，目前大部分液壓和氣壓驅(qū)動被電氣驅(qū)動方式所代替。電氣驅(qū)動具有無環(huán)境污染、響應(yīng)快、精度高、成本低、控制方便等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于化工巡檢機器人中。近年來，很多學(xué)者為提高巡檢機器人的運動控制精度與效率，展開了相關(guān)研究。Pierluigi等[15]針對一種用于室內(nèi)外巡檢的混聯(lián)機器人進行了仿真和實驗測試。在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施檢查的背景下，機器人必須能夠在水平或傾斜的表面和過街障礙物上移動。針對用于室內(nèi)和室外檢查的混聯(lián)機器人，在環(huán)境條件不允許自主導(dǎo)航的情況下，提出了機電一體化設(shè)計、仿真和實驗活動。該混聯(lián)機器人配備了外部和內(nèi)部傳感器，以獲取主要結(jié)構(gòu)元素的信息，避免了人員直接進入檢測現(xiàn)場。Wang等[16]設(shè)計了一種新型輪夾式橋梁斜拉索檢測機器人。其夾緊機構(gòu)采用四輔助兩驅(qū)動輪夾緊方案，驅(qū)動單元采用雙輸出軸的單電機?；贏rduino設(shè)計了一種簡易的機器人自動控制系統(tǒng)。然后，計算出機器人所能夾持的斜拉索直徑范圍。建立了夾持狀態(tài)下機器人的力學(xué)模型。通過Matlab數(shù)據(jù)處理得到機器人在不同斜拉索直徑和斜拉索傾角下所需的最小推力和驅(qū)動力的變化曲線?；贏dams動力學(xué)仿真，確定了合適的車輪形狀和材料、質(zhì)心分布的最佳位置以及如何提高車輪的抗風(fēng)性能。Wang等[17]針對配備精密儀器的檢測機器人在復(fù)雜路面上移動時工作面不能始終保持穩(wěn)定的問題，基于Teoriya Resheniya Izobreatelskikh Zadatch理論設(shè)計了一種浮動移動底盤，并基于物質(zhì)場對浮動懸掛裝置進行了優(yōu)化。建立了浮動移動底盤的運動學(xué)模型，并對凸臺、溝槽等復(fù)雜路況進行了越障分析。建立了越障輪的動力學(xué)模型和移動性能評價模型。在ADAMS中分別建立了非浮動式移動底盤原型和浮動式移動車架原型，并對凸臺、過溝和復(fù)雜路況進行了運動對比仿真分析。結(jié)果表明，浮動移動底盤具有良好的承載能力。

圖3 巡檢機器人運動控制[15]

4.結(jié)論

化工巡檢機器人是一種可以代替人工進行巡檢、監(jiān)測和維護化工生產(chǎn)設(shè)備的機器人。它可以在高溫、高壓、有毒、有害、難以到達的地方進行操作，并且能夠自主完成巡檢任務(wù)，不需要人工干預(yù)，可以在短時間內(nèi)完成大量的巡檢任務(wù)，提高了巡檢的安全性和效率。本文對化工巡檢機器人控制領(lǐng)域三個關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了分析和概括，以期為今后化工巡檢機器人關(guān)鍵控制技術(shù)的研究提供理論支撐和借鑒。