微型機器人在短波發(fā)射機冷卻水路清潔中的運用

左德仁 劉冰陽

1 短波發(fā)射機冷卻水路管道清潔現(xiàn)狀

目前，短波發(fā)射機冷卻水路管道都是由技術(shù)維護人員進行清潔維護。一方面，人力清潔比較復(fù)雜、費力、費時，且部分死角（如蒸發(fā)鍋回水管）很難清潔干凈。另一方面，波段冷卻水路管道呈螺旋狀且口徑太小，沒有辦法進行清潔，波段如圖1所示。

圖1 螺旋狀波段冷卻水路管道

為了減輕發(fā)射機清潔檢修強度，解決部分冷卻水路無法清潔、死角清潔不干凈等難題，提高發(fā)射機水路冷卻質(zhì)量，本文對微型機器人在短波發(fā)射機冷卻水路清潔中的運用進行了思考分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)的思考

要實現(xiàn)微型機器人清潔發(fā)射機冷卻水路管道內(nèi)壁的功能，必然要求機器人的材質(zhì)輕巧、體積足夠小、翅膀韌性足夠好且能在狹小的空間內(nèi)自如行動。設(shè)計微型機器人的關(guān)鍵技術(shù)為翅膀、動力和控制，現(xiàn)進行思考如下。

2.1 翅膀的思考

翅膀的結(jié)構(gòu)和形狀應(yīng)設(shè)計得足夠小，使其能夠輕松進入口徑很小的管道內(nèi)；翅膀要求輕且堅固，保證在振動清潔過程中不會斷裂；為翅膀提供足夠的動力，滿足翅膀高頻振動的需求。翅膀的設(shè)計必須以昆蟲結(jié)構(gòu)和運動特性的研究為基礎(chǔ)，提取精髓并進行簡化，從而開發(fā)出更具靈活性和更優(yōu)運動性能的翅膀。

2.2 動力的思考

微型機器人的外形較小、質(zhì)量輕，要求驅(qū)動馬達功率高、能耗小，保證翅膀振動較長時間，完成整個管道內(nèi)壁的清潔。目前，微型電動機有微型渦輪機、熱光電發(fā)電機等，可利用化學電池、燃料電池、太陽能電池作為能源，但這類能源較重，提供能量小，且與檢修環(huán)境不相適應(yīng)。從機器人對質(zhì)量和大小的要求來看，微型電池和電機是首選。

2.3 控制的思考

控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于高度控制和穩(wěn)定性控制。受微型機器人質(zhì)量和體積小及工作環(huán)境的約束，控制系統(tǒng)的實現(xiàn)非常困難。目前的水平要實現(xiàn)復(fù)雜的控制是不現(xiàn)實的，必須進行簡化，一方面把條件簡化，另一方面采用多級簡單控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計以智能分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展為基礎(chǔ)。

3 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到發(fā)射機冷卻水路管道口徑小、彎道多等特點，參考仿昆蟲爬行、飛行機器人現(xiàn)有研究設(shè)計成果，聯(lián)系短波發(fā)射機清潔檢修工作實際，微型機器人應(yīng)由大腦、眼睛、翅膀、腿、心臟構(gòu)成。

機器人的大腦采用一塊基于高性能、低功耗微型嵌入式專用處理器與IBMPC標準完全兼容的PC/104中央處理器模塊，工作頻率700 MHz。主控板包含DMA控制器、中斷控制器及定時器，外接后備電池，256 M字節(jié)DDR內(nèi)存。另外，高性能顯示控制器提供CRT和LCD顯示器支持。編程語言采用C語言實現(xiàn)。

機器人的眼睛采用紅外傳感器，主要包括紅外發(fā)射和接受兩部分，應(yīng)用編碼/解碼集成芯片實現(xiàn)操作控制。

機器人的“腿”設(shè)計成6條，由一個微型的伺服驅(qū)動馬達提供動力，包括一個微型直流馬達，一組變速齒輪，一個可調(diào)電位器及控制板。直流馬達提供基本動力，產(chǎn)生較高的扭力。

機器人的翅膀由輕質(zhì)清潔材料制成，便于清潔、清洗和更換，由微型馬達提供動力，實現(xiàn)高頻振動。

機器人的心臟由微型電池構(gòu)成，給控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)提供12 V的電壓。

4 實現(xiàn)主要功能

微型機器人主要具備紅外控制、沿壁爬行、振動清潔等功能，實現(xiàn)了發(fā)射機冷卻水路清潔機器人化，減輕了技術(shù)維護人員工作強度。

4.1 紅外控制

紅外控制包括發(fā)射和接收兩大部分，用集成電路進行操作控制，如圖2所示。紅外控制的發(fā)射部分主要包括編碼調(diào)制、紅外發(fā)送器等，當按下發(fā)射器后，就會發(fā)出遙控碼，按鍵不同，發(fā)出的遙控碼也會不同。該遙控碼采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.56 ms、周期為1.125 ms的組合表示二進制“0”；以脈寬為0.56 ms、周期2.25 ms的組合表示二進制“1”。

遙控編碼是連續(xù)的64位二進制編碼，前32位是用戶識別碼，主要用來區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機類的遙控碼相互干擾。后32位是功能碼，功能碼是8位，有128種不同組合的編碼，用以實現(xiàn)其控制功能。

紅外控制的接受部分主要包括光電轉(zhuǎn)換器、解碼電路等，由一個紅外接受模塊實現(xiàn)。該模塊內(nèi)部含有高頻的濾波電路，專門用來慮除紅外線合成的載波信號。當信號到達紅外接受模塊，就能得到發(fā)射器發(fā)出的編碼，經(jīng)單片機解碼處理，就能得知按下哪個鍵，進而做出相應(yīng)調(diào)整，完成整個紅外控制動作。

4.2 沿壁爬行

沿壁爬行由微型的伺服馬達控制實現(xiàn)，其原理如圖3所示.

圖3 伺服馬達原理

控制端發(fā)送脈沖信號到控制電路，使驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)驅(qū)動減速齒輪運動，輸出端帶動一個線性的比例電位器檢測位置，通過電壓反饋給控制電路板，使馬達正向或反向轉(zhuǎn)動，進而控制機器人位置。

伺服馬達有電源、地、控制三條控制線控制。電源線及地線給內(nèi)置的直流馬達和控制線路提供大約5 V的電壓，伺服控制系統(tǒng)通過控制線將周期性的脈寬信號直接傳遞給伺服馬達，該周期性信號的高電平脈寬在2 ms左右，低電平脈寬在20 ms左右，不同的脈寬對應(yīng)不同的伺服馬達輸出臂。

4.3 振動清潔

振動清潔是該微型機器人的重要功能，實現(xiàn)對波段、蒸發(fā)鍋回水管等發(fā)射機冷卻水路內(nèi)壁的清潔。機器人的內(nèi)部另置一個電驅(qū)動的振動電機，讓翅膀在垂直方向完成高頻振動，但振動幅度不大，一般在3～5 ms。清潔過程中，一方面高頻振動的翅膀能高效完成刷洗管道內(nèi)壁的動作，另一方面頻率超過500 Hz的振動能夠讓洗滌劑和水的混合物產(chǎn)生大量微小的氣泡，氣泡爆裂時產(chǎn)生的壓力可深入清潔管道內(nèi)壁。

5 結(jié)語

該微型機器人的設(shè)計能夠極大解放發(fā)射機技術(shù)維護人員的雙手，減輕檢修維護人員的負擔，提高發(fā)射機檢修質(zhì)量。相信在未來，隨著機器人的快速發(fā)展，會有更多種類的機器人運用到發(fā)射機的值班、檢修等工作中，有效確保發(fā)射機的安全播出。

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