防爆輪式巡檢機器人設計及應用

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

0 引言

隨著大型石油化工企業、隧道、地鐵等建設的不斷擴大，油品、燃氣、毒氣、化學危險品等引起的泄漏爆炸、火災等災害隱患不斷增加，為加強高危場所的巡檢工作，巡檢機器人應運而生，防爆輪式巡檢機器人作為特種機器人的一種，在巡檢工作中能夠發揮舉足輕重的作用。防爆輪式巡檢機器人搭載一系列傳感器，可代替巡檢人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等現場進行巡檢、探測，有效解決巡檢人員在上述場所面臨的人身安全、現場數據信息采集不足等問題。采用機器人巡檢，既具有人工巡檢的靈活性、智能性，同時也克服和彌補了人工巡檢存在的一些缺陷和不足，更適應智能場站和無人值守場站發展的實際需求，是智能場站和無人值守場站巡檢技術的發展方向。本文從實用性角度出發，介紹了一種防爆輪式巡檢機器人系統的設計方法及其在輸油站中的應用。

1 防爆輪式巡檢機器人系統組成結構

防爆輪式巡檢機器人系統由防爆輪式巡檢機器人、巡檢機器人本地監控后臺和巡檢機器人遠程工作站組成。防爆輪式巡檢機器人、巡檢機器人本地監控后臺和巡檢機器人遠程工作站通過無線方式進行通信。

1.1 防爆輪式巡檢機器人

防爆輪式巡檢機器人是巡檢系統中的主體，防爆輪式巡檢機器人主要由巡檢機器人本體、驅動機構、RFID定位系統、前后導航組件、PID氣體檢測儀、前后避障傳感器、防爆揚聲器、天線、拾音器、防爆云臺和自動充電組件等組成，組成結構如圖1所示。

圖1 防爆輪式巡檢機器人組成結構

巡檢機器人本體由小車車體、上防爆箱蓋一、上防爆箱蓋二、底座、充電電池、控制單元和隔爆腔電氣元件組成；驅動機構由驅動電機、減速機、驅動軸和防靜電車輪等組成。

小車車體、上防爆箱蓋一和底座組成一個獨立的封閉倉體，減速機、驅動電機、電氣元器件組件和充電電池均安裝在該封閉倉體內。小車車體、上防爆箱蓋二和底座組成另一個獨立封閉倉體，隔爆腔電氣元器件組件安裝在該封閉倉體內。

前后導航組件包括：防爆線嘴、防爆導航殼體和磁導航傳感器，磁導航傳感器放在防爆導航殼體內，通過防爆線嘴分別與小車車體的前后部連接。

防爆揚聲器和拾音器分別放在封閉的防爆殼體內，通過安裝架用螺栓緊固安裝在巡檢機器人本體上。

RFID定位系統通過螺栓緊固安裝在小車車體的正下方，用于確定機器人運行時所在的位置。

PID氣體檢測儀用于檢測工作環境周圍的氣體濃度，天線用來發送和接收無線信號。

防爆云臺安裝在巡檢機器人本體的正上方，用于采集巡檢設備和環境圖像信息。

前后避障傳感器用于檢測機器人行走的路線周圍是否存在障礙物，避免機器人與障礙物相撞。

自動充電組件通過圓筒隔爆形式，緊固安裝在巡檢機器人本體上，當巡檢機器人電量不足時，機器人自動行駛到充電樁位置，通過自動充電組件為充電電池充電。

防爆輪式巡檢機器人驅動機構采用四組結構相同的獨立驅動機構，分別驅動前后四個輪子，并采用隔爆型及本安型防爆技術進行處理。

巡檢機器人本體控制單元采用STM32單片機進行設計，通過無線模塊與監控后臺上位機實時通訊，負責采集傳感器反饋的信息狀態、執行上位機命令、直接控制機器人本體運行狀態、自身異常診斷等等。

防爆輪式巡檢機器人整體結構圖如圖2所示。

圖2 防爆輪式巡檢機器人整體結構

1.2 巡檢機器人本地監控后臺

巡檢機器人本地監控后臺位于機器人巡檢區域附近，巡檢機器人本地監控后臺由一臺服務器構成，通過無線方式，用于實現對防爆輪式巡檢機器人的無線遠程控制、參數設置以及完成與巡檢機器人遠程工作站的數據傳輸。

1.3 巡檢機器人遠程工作站

巡檢機器人遠程工作站包括：上位機、顯示器和相應的監控軟件，用于實時顯示巡檢設備的視頻圖像、報警信息、機器人位置等數據。上位機監控軟件采用C++語言進行開發設計，主要對機器人上傳數據進行分析處理、異常報警及記錄存檔，實時刷新界面，瀏覽視頻；機器人到達巡檢位后，上傳到位信號及點檢位卡片號，通過卡片號調用相應云臺預制點，初步尋找儀表或者閥門位置，通過分析確定目標再畫面中的位置進行閉環調節，再次捕獲清晰的目標照片進行狀態、數據識別。

巡檢機器人遠程工作站利用無線通信方式，通過控制軟件完成與巡檢機器人本地監控后臺的信息交換，同時也可實現對巡檢機器人的遠程控制，在遠程工作站的顯示器上能直觀的反映出巡檢機器人采集的視頻信息及其他數據信息。遠程工作站功能類似于人類的大腦，除了機器人本身的動作控制指令由此發布外，機器人所有的視覺、音頻等感知信息在此進行分辨。

如檢測到設備異常時巡檢機器人和遠程工作站均會產生聲光報警信息，提示用戶及時檢修，防患于未然。通過遠程工作站能夠形成實時報警記錄、歷史報警記錄并存入遠程工作站的數據庫中，可按日期、按設備進行隨時查詢設備信息和存檔圖片。

2 防爆輪式巡檢機器人功能與特點

2.1 圖像識別功能

輸油場站內的目標主要包括壓力表、溫度表、流量計、球閥、截止閥和蝶閥等等，經過預先標定，將每處需要拍照檢測的目標觀測點設置為云臺的預置點，機器人通過導航及RFID定位運行到檢測位后，自動調用云臺進行拍照，然后將目標圖像傳送到遠程工作站進行識別。可識別的信息包括：閥門開度、儀表指針讀數、閥門有無泄露等。

2.2 聲音采集功能

實時采集輸油場站內環境和設備的聲音，如發現較明顯的聲音異常，則發出預警信號，從而達到及時發現故障、避免故障擴大的目的。

2.3 報警功能

如檢測到設備異常時，巡檢機器人和遠程工作站均會產生聲光報警信息，提示用戶及時檢修，防患于未然。通過遠程工作站能夠形成實時報警記錄、歷史報警記錄并存入遠程工作站的數據庫中，可按日期、按設備進行隨時查詢設備信息和存檔圖片。

2.4 防爆功能

巡檢機器人各組成部分均按照國家II C防爆標準，采用隔爆型及本安型防爆技術進行處理，因此，具有防爆功能，可用于易燃易爆等高危環境。

2.5 自主充電和避障功能

當機器人電池電量不足時，巡檢機器人自動行進到充電站，通過自動充電組件進行充電。在巡檢過程中，如遇到障礙物，巡檢機器人通過前后避障傳感器，可自動避開障礙物，避免碰撞。

3 應用效果

該防爆輪式巡檢機器人系統已在中石化某輸油站成功應用，完成了對泄壓罐、污油罐、密度計、過濾器、減壓閥、質量流量計等輸油設備的巡檢工作，數據采集準確，圖像清晰，故障報警及時。實際應用結果表明，該巡檢系統工作可靠，運行狀況穩定，節省了大量的人力物力，完全替代了人工巡檢工作，減員增效取得明顯效果，達到了無人值守的目的，取得了較好的經濟效益。圖3為現場應用情況；圖4為儀表數據顯示畫面。

圖3 現場實際應用情況

圖4 儀表數據顯示

4 結束語

防爆輪式巡檢機器人作為一種全新的設備運行維護方式，能夠在一些主要的設備巡檢領域代替人工巡檢工作，減輕巡檢人員的勞動強度，并緩解日益嚴重的行業機構性缺員問題，通過技術手段實現節能增效的目的，同時在降低人工巡檢的安全風險同時，提升危化企業的本質安全管理。本文介紹的防爆輪式巡檢機器人系統設計合理，技術先進，抗干擾能力強，滿足國家防爆技術要求，并且具有操作靈活、功能全面、人機界面友好等特點，為高危行業相關場所提供了新型的技術檢測手段，具有非常廣闊的應用前景。