機器人技術(shù)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(yè)存在很多有限作業(yè)空間。由于作業(yè)空間的特點容易造成有毒氣體積聚，對作業(yè)人身安全造成極大威脅。災難發(fā)生后，由于現(xiàn)場環(huán)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(qū)域并探測現(xiàn)場有用信息的監(jiān)測機器人。

目前工業(yè)應用領(lǐng)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(shù)據(jù)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(xiàn)場進行操作。在石油、化工、煤炭等行業(yè)，生產(chǎn)車間在發(fā)生氣體泄漏后，現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1 氣體檢測機器人概述

機器人是可自主執(zhí)行任務的設(shè)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(shù)，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(shè)計的高新技術(shù)設(shè)備。

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

2 結(jié)構(gòu)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(tǒng)構(gòu)架

有毒有害及粉塵檢測倉可根據(jù)實際場景定制各類傳感器，可實現(xiàn)對多種有毒有害氣體的檢測、采集及數(shù)據(jù)上傳。檢測倉通過實時檢測比較，當出現(xiàn)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(yè)空間移動，能全方位檢測作業(yè)空間的環(huán)境情況：①通過高清攝像云臺可實時查看作業(yè)空間的環(huán)境情況；②通過手持控制器可控制機器人移動及云臺轉(zhuǎn)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(huán)境數(shù)據(jù)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(shè)計過程中，對于現(xiàn)場有毒有害氣體的濃度、粉塵濃度及環(huán)境溫度等參數(shù)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(chǔ)上需要完成檢測數(shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸，將在狹小的空間的數(shù)據(jù)實時傳輸給指揮中心。

機器人系統(tǒng)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(shè)定的路線完成有毒有害氣體以及周圍環(huán)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(yè)空間環(huán)境的檢測。檢測期間通過無線技術(shù)將周圍的數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)缴衔粰C，經(jīng)過分析處理實現(xiàn)自動的檢測以及報警，同時可以將一些異常的數(shù)據(jù)上傳到上層服務，結(jié)合企業(yè)的自動化生產(chǎn)和自動化巡檢系統(tǒng)完成系統(tǒng)級聯(lián)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(qū)動模塊及電源模塊?？偨Y(jié)以上內(nèi)容設(shè)計出一款有限作業(yè)空間檢測機器人（圖2）。該機器人檢測的有毒氣體可根據(jù)實際應用場景選擇，樣機所能檢測的氣體具體數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)

檢測機器人控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要在手持控制器上完成，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)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(xiàn)與機器人通信，保證連接穩(wěn)定；④數(shù)據(jù)顯示模塊，實時顯示各采集數(shù)據(jù)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時作出示警；⑤機器人控制模塊，實現(xiàn)機器人運動控制（圖3）。

圖3 手持控制系統(tǒng)框圖

UI（用戶）界面觸發(fā)控制指令，客戶機通過TCP 通信把控制指令下發(fā)到下位機，下位機解析數(shù)據(jù)并對指令相對應的動作進行執(zhí)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(jiān)控有限作業(yè)空間的情況及展示有限空間內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)。作業(yè)人員在有限作業(yè)空間外也可全面了解作業(yè)空間的情況。控制系統(tǒng)操作界面如圖4 所示。

圖4 手持控制系統(tǒng)界面

4 結(jié)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(shù)據(jù)進行采集，通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)接嬎銠C終端。并進行對比，一旦發(fā)現(xiàn)超標進行報警。