一種基于ESP32的智能鋼管清潔機器人設(shè)計*

肖彥超， 余 江，2， 何炳良， 藍(lán)業(yè)厚

（1.廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

目前在鋼管的技術(shù)裝備水平、技術(shù)含量、鋼管品種規(guī)格等方面，中國鋼管產(chǎn)業(yè)水平接近世界強國水平，同時中國鋼管的產(chǎn)量占世界鋼管產(chǎn)量的50%以上[1]。國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年我國鋼管產(chǎn)量8 417.6萬t，同比增長8.7%[2]。然而由于環(huán)境中的水分、氧氣以及鋼管表面殘留物等各方面因素的綜合影響，導(dǎo)致鋼管表面相對容易被腐蝕氧化。而金屬的生銹是一種很大的浪費，每年在全世界范圍內(nèi)因為金屬的生銹而報廢的金屬設(shè)備和材料相當(dāng)于其年產(chǎn)量的20%～40%。因此需要對鋼管定期進(jìn)行清潔工作，而研究一款智能鋼管清潔機器人對于已固裝鋼管的清潔作業(yè)很有必要。

在工業(yè)機器人中，管道機器人作為一個重要的研究分支，正日益受到重視。管道機器人可分為管內(nèi)機器人和管外機器人，人們對管內(nèi)機器人已有較多研究[3-5]，而對管外機器人的研究相對較少[6]。本文所研究的基于ESP32的智能鋼管清潔機器人屬于管外機器人。

目前，國內(nèi)外在管外機器人的研究上已經(jīng)取得了一定的成果，也開發(fā)出了適應(yīng)各種管道類型的自動化機構(gòu)[7]。但是在現(xiàn)階段，根據(jù)國內(nèi)外鋼管清洗機器人的研究可知，鋼管清洗機器人技術(shù)尚未成熟，還存在著以下問題：

1）對于爬管機器人的相關(guān)研究有限。雖然有不少對鋼管滾動式爬管機器人進(jìn)行相關(guān)研究的文獻(xiàn)，但對于磁吸式爬管機器人的研究文獻(xiàn)相對較少。同時，對于爬管機器人在水平鋼管上爬行時重心問題的研究也不多。

2）對于已固裝鋼管的清洗機器人的相關(guān)研究有限。目前已有研究的鋼管清洗機大多數(shù)應(yīng)用于工廠的鋼管生產(chǎn)過程中，這些鋼管都是堆疊放置于倉庫中，可運送至清洗機器中進(jìn)行清洗。但對已固裝在建筑上的鋼管的清洗機器人相關(guān)研究較少。

3）鋼管清洗機器人安裝于鋼管的方式比較煩瑣。鋼管清洗機器人在鋼管上進(jìn)行安裝的方式比較多樣，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，較為普遍的安裝方式是將機器人的兩部分通過螺栓連接的方式進(jìn)行安裝，這種安裝方式無疑是煩瑣且低效的。

研究該智能鋼管清潔機器人是為了滿足人類生產(chǎn)生活的需要。如今建筑樓層多、面積廣，走廊鋼管多且長，容易落灰、變臟和生銹，需要定期清洗，以保持整體整潔，否則容易產(chǎn)生管道損壞、使用性能下降、損耗材料、人力耗費等問題。而目前走廊鋼管的清洗主要以人力清潔為主[8]。本課題組研究的智能鋼管清潔機器人在保證清潔度的情況下，可以實現(xiàn)對鋼管的自主清潔，不僅能夠提高鋼管清潔的工作效率，還可以節(jié)省更多的人力，降低成本，適用于學(xué)校、辦公樓、商場等場合，能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 設(shè)計方案概述

課題組所設(shè)計的基于ESP32的智能鋼管清潔機器人主要包括滾刷裝置、爬行驅(qū)動裝置、抽水裝置等。該鋼管清潔機器人采用模塊化的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)自動控制，同時不斷優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，使設(shè)備輕便、易安裝、不易損壞，并確定最優(yōu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。最終通過自主控制或手機以及其他的控制設(shè)備控制，使機器人在鋼管上能夠穩(wěn)定前行、清洗，并且使其具有在清洗過程中自動控制水量等功能。

2 控制設(shè)計

2.1 硬件配置

該機器人采用多種模塊配合控制機器人整體的工作，核心部分是安信可的ESP32-32S控制板，它負(fù)責(zé)機器人的爬行運動、鋼管清洗、鋼管末端檢測等功能。機器人選用了紅外光電模塊，用于檢測其清洗鋼管時是否到達(dá)了鋼管末端，防止意外發(fā)生。此外，該機器人還裝有HC-07藍(lán)牙模塊，可通過手機藍(lán)牙和APP連接機器人的藍(lán)牙透傳模塊實現(xiàn)對機器人的調(diào)試與控制，具體可控制的功能有爬行清洗功能、爬行速度調(diào)節(jié)、清洗強度調(diào)節(jié)和抽水速度調(diào)節(jié)等；可調(diào)試的功能有爬行裝置的爬行運動，清洗裝置的清洗運動，微型水泵抽水和紅外光電開關(guān)測試。通過這些硬件模塊的功能協(xié)調(diào)，即可實現(xiàn)機器人的硬件控制系統(tǒng)功能。該機器人的硬件配置控制如圖1所示。

圖1 機器人的硬件配置控制

2.2 軟件設(shè)計

本鋼管清潔機器人具有兩種運行模式可選，自動清洗模式和藍(lán)牙遙控模式，控制流程圖如圖2所示。

圖2 機器人的運行程序設(shè)計

機器人開啟運行后，可通過按鈕選擇模式。自動清洗模式可以讓鋼管清潔機器人直接運行設(shè)定的清洗程序，機器人在爬行前進(jìn)的同時對鋼管進(jìn)行清洗。藍(lán)牙控制模式可通過手機端對設(shè)備的各項相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在設(shè)置完成之后設(shè)備會自動運行工作。當(dāng)檢測傳感器檢測到機器人到達(dá)鋼管交叉處時，機器人將停止工作，進(jìn)入待機狀態(tài)。若要繼續(xù)下一段鋼管的清潔，需要由人將其轉(zhuǎn)移工作。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，該鋼管清潔機器人主要由爬行驅(qū)動裝置、滾刷裝置、供水裝置、鎖緊裝置和控制部分等組成，呈包圍式。其清潔主要通過水泵1將水箱2里的水抽至滾刷裝置前端，滾刷裝置中帶有軟毛刷4的滾筒3開始旋轉(zhuǎn)清潔；鎖緊裝置安裝于滾刷裝置套蓋連接處，滾刷裝置通過燕尾槽與爬行驅(qū)動裝置連接。爬行驅(qū)動裝置具有兩組電磁鐵夾臂機構(gòu)6，每組夾臂機構(gòu)上裝有兩塊電磁鐵5，機器人可通過兩組夾臂機構(gòu)上的電磁鐵吸附于鋼管外壁，當(dāng)電磁鐵通電時夾緊鋼管，斷電即松開，兩組夾臂機構(gòu)交替松緊實現(xiàn)爬行進(jìn)給。該機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮廢水回收裝置。

圖3 機器人的總體結(jié)構(gòu)

3.2 爬行驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機器人的爬行驅(qū)動裝置結(jié)合了爬行式鋼管外表面打磨器[9]的磁鐵吸附爬行方式和一種圓管外壁自動爬行打磨機器人[10]的滾輪式爬行方式，如圖4所示。機器人的夾臂機構(gòu)是可調(diào)的，能夠向兩側(cè)伸展以適應(yīng)一定直徑范圍的鋼管。將機器人放置在鋼管上后，初始狀態(tài)下，后夾臂機構(gòu)和前夾臂機構(gòu)都處在同一直線上且其之間的距離處在最短狀態(tài)；通過滾輪能夠支撐機器人在鋼管上吸磁爬行快速前進(jìn)，減少移動時與鋼管之間的摩擦。讓后夾臂機構(gòu)和前夾臂機構(gòu)的電磁鐵均通上電源，電磁鐵牢牢地吸在鋼管上，此時前夾臂機構(gòu)的電磁鐵斷電，接著通過42步進(jìn)電機背向后夾臂機構(gòu)推進(jìn)，讓前夾臂機構(gòu)遠(yuǎn)離機身部分一段可控距離，隨即前夾臂機構(gòu)的電磁鐵通電吸住鋼管[11]；下一步則是讓后夾臂機構(gòu)的電磁鐵斷電，通過步進(jìn)電機將自身拉向已吸牢鋼管的前夾臂機構(gòu)，隨即后夾臂機構(gòu)電磁鐵通電吸住鋼管。這已經(jīng)完成了機器人的一段基本的爬行過程，通過上述方式重復(fù)交替運行即可進(jìn)行持續(xù)的鋼管爬行運動，若需要加快爬行速度，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速即可。

圖4 爬行驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

3.3 滾刷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機器人的滾刷裝置包括帶有齒輪副的滾筒3、直流減速電機16、主支架19、左套蓋15、右套蓋20以及軟毛刷4等，如圖5所示。當(dāng)機器人工作時，通過水泵將水箱里的水抽至清洗裝置的一端，同時滾刷裝置兩側(cè)的直流減速電機通過齒輪副帶動安裝在滾筒內(nèi)的軟毛刷，使得帶有軟毛刷的滾筒繞著鋼管旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對鋼管的清潔；并且可以通過手機端藍(lán)牙控制調(diào)節(jié)參數(shù)，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)清洗裝置對鋼管的清潔強度。清潔度的最大化需要爬行裝置和清洗裝置共同協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)。同時，滾筒直徑是固定的，通過更換不同長度的軟毛刷可以在一定的直徑范圍內(nèi)適應(yīng)不同直徑的鋼管。

圖5 滾刷裝置結(jié)構(gòu)

3.4 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人放上鋼管后需要結(jié)合鎖緊，防止中途松動掉落，為此專門設(shè)計了一種彈簧鎖緊裝置，該鎖緊裝置具有快速、方便等特點。鎖緊裝置由底座23、被動推桿21、解鎖推桿24、彈簧22和兩個鎖扣25構(gòu)成，如圖6所示。當(dāng)機器人的兩個帶齒輪副的滾筒套合上后，可通過該鎖緊裝置進(jìn)行鎖緊，使左、右套蓋可以穩(wěn)定快速地安裝合攏。鎖緊裝置默認(rèn)狀態(tài)時被動推桿會向外伸出，當(dāng)需要安裝合攏左、右套蓋時，應(yīng)手動按住解鎖推桿使被動推桿向內(nèi)縮進(jìn)去，同時將左右套蓋合攏，完全合攏后松開解鎖推桿，被動推桿則會卡進(jìn)鎖扣孔內(nèi)。當(dāng)鋼管清潔完或中途停止需要拆下機器人時，可通過按壓解鎖推桿解鎖。

圖6 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

該基于ESP32的智能鋼管清潔機器人采用模塊化的設(shè)計，易于拆裝，便于對該機器進(jìn)行維護(hù)和技術(shù)改造，減少設(shè)備成本的同時提高設(shè)備的利用率。且該機器人滾刷裝置的軟毛刷是可拆裝的，軟毛刷作為清潔部位容易磨損，可拆裝的軟毛刷便于更換；其次，該機器人還能夠通過選取軟毛刷長度，適應(yīng)一定范圍內(nèi)的鋼管直徑，并且通過適當(dāng)調(diào)整爬行支架即可自適應(yīng)調(diào)整設(shè)備的重心，使用操作簡單。該設(shè)備還具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，便于攜帶、搬運。其制造成本和使用成本較低，適用范圍較廣，具有良好的市場前景。

目前，對于該基于ESP32的智能鋼管清潔機器人的研究設(shè)計還處于初步階段，該階段實現(xiàn)了其大部分應(yīng)實現(xiàn)的功能并將其簡單試驗應(yīng)用于一段距離的水平鋼管。但其并不具備完善的功能使其適應(yīng)較大的工作場合，具有一定的局限性，但本研究將會持續(xù)改進(jìn)。