機器人技術在有限空間氣體檢測中的應用

李志龍，林寶森，葛志強，趙小娟

（國能（泉州）熱電有限公司，福建泉州 362804）

0 引言

石油、化工、煤炭、電廠等行業存在很多有限作業空間。由于作業空間的特點容易造成有毒氣體積聚，對作業人身安全造成極大威脅。災難發生后，由于現場環境的復雜性和危險性，救援工作往往很難開展，也給救援隊員的生命安全帶來很大隱患。因此需要一種能夠代替救援隊員深入到危險區域并探測現場有用信息的監測機器人。

目前工業應用領域的有害氣體檢測儀器大多是固定式或便攜式的。使用固定式檢測儀器，只能在安裝點及其附近進行數據測量，檢測范圍小，局限性大；使用便攜式檢測儀器，仍需人員手持到現場進行操作。在石油、化工、煤炭等行業，生產車間在發生氣體泄漏后，現場環境變得高危，不宜人員進入，而做出及時、正確的判斷和決定又依賴于及時、準確的事故現場數據。

1 氣體檢測機器人概述

機器人是可自主執行任務的設備，其中主要是受到人們的指揮以及支配，需預先對于機器所要做的工作進行編寫程序。機器人在程序的指引下，可以進行取代人們做一些比較繁重的工作。

機器人主要利用機械的傳動、微電子技術，模仿人的動作，但是外觀不一定真的像人一樣。在實際上，機器人是綜合了多種學科進行設計的高新技術設備。

為適應有限作業空間的特點必須選擇靈活、移動能力強、檢測設備可隨意搭配的機器人。下面以某有限作業空間檢測機器人為例，簡述機器人在有限作業空間的應用。

2 結構組成以及功能

整套檢測機器人包括有毒有害及粉塵檢測倉、機器人運動支架、高清攝像云臺、手持控制器、地面工作站（圖1）。

圖1 系統構架

有毒有害及粉塵檢測倉可根據實際場景定制各類傳感器，可實現對多種有毒有害氣體的檢測、采集及數據上傳。檢測倉通過實時檢測比較，當出現異常時可立即作出報警提示。

機器人運動支架可搭載檢測倉在各種有限作業空間移動，能全方位檢測作業空間的環境情況：①通過高清攝像云臺可實時查看作業空間的環境情況；②通過手持控制器可控制機器人移動及云臺轉動；③地面工作站一方面為機器人提供電力，同時通過通信電纜完成視頻及控制信號的傳輸；④地面基站對外提供無線信號，手持控制器通過無線信號接入完成機器人操作、環境數據接收顯示及實時視頻的播放。

基于上述情況，在進行實際的設計過程中，對于現場有毒有害氣體的濃度、粉塵濃度及環境溫度等參數進行巡檢，主要是對于實際的有害氣體進行檢測。同時在此基礎上需要完成檢測數據以及視頻數據的實時傳輸，將在狹小的空間的數據實時傳輸給指揮中心。

機器人系統的檢測主要分為兩種模式，分別是既定的巡檢模式和手動的巡檢模式：在既定的巡檢模式中，機器人可以按照設定的路線完成有毒有害氣體以及周圍環境溫度的檢測；手動模式下通過手持控制器完成機器人的操作，同時完成作業空間環境的檢測。檢測期間通過無線技術將周圍的數據進行傳輸到上位機，經過分析處理實現自動的檢測以及報警，同時可以將一些異常的數據上傳到上層服務，結合企業的自動化生產和自動化巡檢系統完成系統級聯動功能。在機器人的硬件方面，對于一些檢測裝置的電子電路進行高度模塊化的處理，在檢測裝置中主要是由控制器模塊以及各種傳感器的模塊（SKA/NE-7 氣體的濃度傳感器模塊以及溫度傳感器模塊）。

另外需要注意的是圖像采集模塊、通信模塊以及電機驅動模塊及電源模塊。總結以上內容設計出一款有限作業空間檢測機器人（圖2）。該機器人檢測的有毒氣體可根據實際應用場景選擇，樣機所能檢測的氣體具體數據見表1。

表1 氣體檢測能力

圖2 有限空間氣體檢測機器人

3 控制及監控系統

檢測機器人控制及監控系統主要在手持控制器上完成，系統采用C/S 架構設計。系統包含5 個部分：①視頻播放模塊，包含前后攝像頭的播放；②云臺控制，變倍、變焦；③通信模塊，實現與機器人通信，保證連接穩定；④數據顯示模塊，實時顯示各采集數據，出現數據異常時作出示警；⑤機器人控制模塊，實現機器人運動控制（圖3）。

圖3 手持控制系統框圖

UI（用戶）界面觸發控制指令，客戶機通過TCP 通信把控制指令下發到下位機，下位機解析數據并對指令相對應的動作進行執行，控制機器人進行運動。

通過手持式控制器可方便操作機器人并且可以實時監控有限作業空間的情況及展示有限空間內部環境數據。作業人員在有限作業空間外也可全面了解作業空間的情況。控制系統操作界面如圖4 所示。

圖4 手持控制系統界面

4 結束語

利用有限空間檢測機器人在狹小的空間對有毒有害氣體進行檢測，通過機器人的傳感器對于周圍的數據進行采集，通過無線傳輸技術傳輸到計算機終端。并進行對比，一旦發現超標進行報警。