防爆轮式巡检机器人设计及应用

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

0 引言

随着大型石油化工企业、隧道、地铁等建设的不断扩大，油品、燃气、毒气、化学危险品等引起的泄漏爆炸、火灾等灾害隐患不断增加，为加强高危场所的巡检工作，巡检机器人应运而生，防爆轮式巡检机器人作为特种机器人的一种，在巡检工作中能够发挥举足轻重的作用。防爆轮式巡检机器人搭载一系列传感器，可代替巡检人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等现场进行巡检、探测，有效解决巡检人员在上述场所面临的人身安全、现场数据信息采集不足等问题。采用机器人巡检，既具有人工巡检的灵活性、智能性，同时也克服和弥补了人工巡检存在的一些缺陷和不足，更适应智能场站和无人值守场站发展的实际需求，是智能场站和无人值守场站巡检技术的发展方向。本文从实用性角度出发，介绍了一种防爆轮式巡检机器人系统的设计方法及其在输油站中的应用。

1 防爆轮式巡检机器人系统组成结构

防爆轮式巡检机器人系统由防爆轮式巡检机器人、巡检机器人本地监控后台和巡检机器人远程工作站组成。防爆轮式巡检机器人、巡检机器人本地监控后台和巡检机器人远程工作站通过无线方式进行通信。

1.1 防爆轮式巡检机器人

防爆轮式巡检机器人是巡检系统中的主体，防爆轮式巡检机器人主要由巡检机器人本体、驱动机构、RFID定位系统、前后导航组件、PID气体检测仪、前后避障传感器、防爆扬声器、天线、拾音器、防爆云台和自动充电组件等组成，组成结构如图1所示。

图1 防爆轮式巡检机器人组成结构

巡检机器人本体由小车车体、上防爆箱盖一、上防爆箱盖二、底座、充电电池、控制单元和隔爆腔电气元件组成；驱动机构由驱动电机、减速机、驱动轴和防静电车轮等组成。

小车车体、上防爆箱盖一和底座组成一个独立的封闭仓体，减速机、驱动电机、电气元器件组件和充电电池均安装在该封闭仓体内。小车车体、上防爆箱盖二和底座组成另一个独立封闭仓体，隔爆腔电气元器件组件安装在该封闭仓体内。

前后导航组件包括：防爆线嘴、防爆导航壳体和磁导航传感器，磁导航传感器放在防爆导航壳体内，通过防爆线嘴分别与小车车体的前后部连接。

防爆扬声器和拾音器分别放在封闭的防爆壳体内，通过安装架用螺栓紧固安装在巡检机器人本体上。

RFID定位系统通过螺栓紧固安装在小车车体的正下方，用于确定机器人运行时所在的位置。

PID气体检测仪用于检测工作环境周围的气体浓度，天线用来发送和接收无线信号。

防爆云台安装在巡检机器人本体的正上方，用于采集巡检设备和环境图像信息。

前后避障传感器用于检测机器人行走的路线周围是否存在障碍物，避免机器人与障碍物相撞。

自动充电组件通过圆筒隔爆形式，紧固安装在巡检机器人本体上，当巡检机器人电量不足时，机器人自动行驶到充电桩位置，通过自动充电组件为充电电池充电。

防爆轮式巡检机器人驱动机构采用四组结构相同的独立驱动机构，分别驱动前后四个轮子，并采用隔爆型及本安型防爆技术进行处理。

巡检机器人本体控制单元采用STM32单片机进行设计，通过无线模块与监控后台上位机实时通讯，负责采集传感器反馈的信息状态、执行上位机命令、直接控制机器人本体运行状态、自身异常诊断等等。

防爆轮式巡检机器人整体结构图如图2所示。

图2 防爆轮式巡检机器人整体结构

1.2 巡检机器人本地监控后台

巡检机器人本地监控后台位于机器人巡检区域附近，巡检机器人本地监控后台由一台服务器构成，通过无线方式，用于实现对防爆轮式巡检机器人的无线远程控制、参数设置以及完成与巡检机器人远程工作站的数据传输。

1.3 巡检机器人远程工作站

巡检机器人远程工作站包括：上位机、显示器和相应的监控软件，用于实时显示巡检设备的视频图像、报警信息、机器人位置等数据。上位机监控软件采用C++语言进行开发设计，主要对机器人上传数据进行分析处理、异常报警及记录存档，实时刷新界面，浏览视频；机器人到达巡检位后，上传到位信号及点检位卡片号，通过卡片号调用相应云台预制点，初步寻找仪表或者阀门位置，通过分析确定目标再画面中的位置进行闭环调节，再次捕获清晰的目标照片进行状态、数据识别。

巡检机器人远程工作站利用无线通信方式，通过控制软件完成与巡检机器人本地监控后台的信息交换，同时也可实现对巡检机器人的远程控制，在远程工作站的显示器上能直观的反映出巡检机器人采集的视频信息及其他数据信息。远程工作站功能类似于人类的大脑，除了机器人本身的动作控制指令由此发布外，机器人所有的视觉、音频等感知信息在此进行分辨。

如检测到设备异常时巡检机器人和远程工作站均会产生声光报警信息，提示用户及时检修，防患于未然。通过远程工作站能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入远程工作站的数据库中，可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。

2 防爆轮式巡检机器人功能与特点

2.1 图像识别功能

输油场站内的目标主要包括压力表、温度表、流量计、球阀、截止阀和蝶阀等等，经过预先标定，将每处需要拍照检测的目标观测点设置为云台的预置点，机器人通过导航及RFID定位运行到检测位后，自动调用云台进行拍照，然后将目标图像传送到远程工作站进行识别。可识别的信息包括：阀门开度、仪表指针读数、阀门有无泄露等。

2.2 声音采集功能

实时采集输油场站内环境和设备的声音，如发现较明显的声音异常，则发出预警信号，从而达到及时发现故障、避免故障扩大的目的。

2.3 报警功能

如检测到设备异常时，巡检机器人和远程工作站均会产生声光报警信息，提示用户及时检修，防患于未然。通过远程工作站能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入远程工作站的数据库中，可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。

2.4 防爆功能

巡检机器人各组成部分均按照国家II C防爆标准，采用隔爆型及本安型防爆技术进行处理，因此，具有防爆功能，可用于易燃易爆等高危环境。

2.5 自主充电和避障功能

当机器人电池电量不足时，巡检机器人自动行进到充电站，通过自动充电组件进行充电。在巡检过程中，如遇到障碍物，巡检机器人通过前后避障传感器，可自动避开障碍物，避免碰撞。

3 应用效果

该防爆轮式巡检机器人系统已在中石化某输油站成功应用，完成了对泄压罐、污油罐、密度计、过滤器、减压阀、质量流量计等输油设备的巡检工作，数据采集准确，图像清晰，故障报警及时。实际应用结果表明，该巡检系统工作可靠，运行状况稳定，节省了大量的人力物力，完全替代了人工巡检工作，减员增效取得明显效果，达到了无人值守的目的，取得了较好的经济效益。图3为现场应用情况；图4为仪表数据显示画面。

图3 现场实际应用情况

图4 仪表数据显示

4 结束语

防爆轮式巡检机器人作为一种全新的设备运行维护方式，能够在一些主要的设备巡检领域代替人工巡检工作，减轻巡检人员的劳动强度，并缓解日益严重的行业机构性缺员问题，通过技术手段实现节能增效的目的，同时在降低人工巡检的安全风险同时，提升危化企业的本质安全管理。本文介绍的防爆轮式巡检机器人系统设计合理，技术先进，抗干扰能力强，满足国家防爆技术要求，并且具有操作灵活、功能全面、人机界面友好等特点，为高危行业相关场所提供了新型的技术检测手段，具有非常广阔的应用前景。