管网智能巡检运维机器人设计研究

周铭基，谢奇志，李洪盛

（徐州工程学院，江苏 徐州 221018）

1 前言

冷库的发展反映了一个国家食品工业的发展水平、技术实力，甚至是综合国力。在大型冷库的生产中，制冷系统的耗电量占总耗电量的50%～60%。冷库的制冷性能受到运行条件、室内外条件等多种干扰因素的影响。如图1 所示，由于冷库内部结霜，阻碍了冷能在管道中的传导和释放，最终影响制冷效果。当霜层冰层厚度达到一定程度时，制冷效率甚至下降到30%以下，导致电能极大浪费，且缩短制冷系统的使用寿命。因此，有必要在适当的周期内进行冷库除霜操作。现有除霜方式一般为人工使用清理工具清扫除霜，货物需要搬动，引起库温波动较大，影响冷冻冷藏质量。通过设计机器人实现管网攀爬除霜，减少货物挪动而引起的货温变化、货物变质，避免人力除霜强度大以及冻伤等不良后果。

图1 冷库管网结霜

本文查阅了国内外特种机器人设计理论与技术现状及发展趋势，分析现有巡检特种机器人机构的功能实现及适用范围，设计研究适用于冷库管道巡检的特种机器人，得出指导性研究方向和研究思路，攻克制约产业发展的瓶颈技术难关。提出冷库运维特种机器人架构体系，研发高效专业化设备，用于指导冷库特种机器人的实际产品设计与应用。

2 总体思路

如图2 所示，基于除霜机器人的工作环境、工作流程及方法，建立客户需求描述模型、信息集成模型，建立除霜机器人结构及系统。从行走、除霜、检测和控制四个维度入手，设计除霜特种机器人的行走方式，实现攀爬行走；集成机械与射流相结合的多模式除霜机构，实现机器人高效洁净除霜；搭建三维检测系统，获取冷库温湿度计霜层厚度的空间参数分布，实现精准除霜；研究机器人的智能控制系统，实现机器人的自主行走和作业。

图2 智能运维机器人系统架构

3 行走机构

如图3 所示，机器人主要由后部热融组件1、后部机械手2、磨削组件3、变形机构4、前部机械手5 和前部热融组件6 构成。行走机构主要由机械手和变形机构组成，机器人的机械手抓附机构防止机器人在垂直攀爬或悬吊行走过程中打滑或坠落。后部机械手2 的减速电机2-1 用于驱动夹爪2-2 开合运动。磨削组件3 的旋转电机3-4 用于驱动摆臂3-2 做横摆运动，以覆盖整个圆周工作范围。伸缩电机3-5 可调整摆臂3-2 以及打磨钻头3-1 相对排管霜层的距离。基于摄像头3-3 采集结果，打磨钻头辅助热气除霜，即机械与射流相结合的除霜方式，进行高效精准双模除霜。变形机构4 设计为共边双平行四边形结构，使得后部机械手2 和前部机械手5 能够始终保持平行，从而方便对相邻两个管道的抓附锁紧。

图3 机器人结构方案图

如图4 所示，管网7 主要由铁架7-1、铁箍7-2 和排管7-3 构成，排管通过铁箍固定在铁架上，铁架固定在冷库四周或顶部的墙壁上。机器人同时实现机器人沿管道轴向的伸缩式避障运动、沿管道横向的多管轨切换路线，如图4（a）～(d)所示。通过轴向折展，实现机器人沿管道轴向的伸缩式步态运动；通过斜向折展，实现机器人沿管道横向的管轨变化。

图4 机器人在冷库排管上行走状态图

4 除霜系统

机器人的后部热融组件1 包括用于输送高压水射流的管柱1-1，用于检测霜层分布的摄像头1-2，底部开有若干小孔的分流板1-3。设计机械除霜和热流除霜相结合的除霜结构，保证除霜效率、除霜洁净率。基于视觉技术，实现霜层厚度精准定位和检测。对于薄霜层，采用热流除霜，通过高压水射流将热水喷射到霜层或冰层上，超声空化作用加速霜层溶解。对于厚冰层，大量采用热流除霜会耗费很多能量，而机械除霜辅助热流除霜，以敲击振动的方式将松动的冰层振落并进行回收，以减少能耗。

5 测控系统

本文提出的一种特种除霜机器人，搭载霜情检测系统，集成视觉距离传感器，获取霜层分布、厚度、面积等信息。基于目标检测算法和多传感器融合，提高识别速度和识别准确率。设计人机交互界面和工控屏幕，利用屏幕区域的颜色变化表征霜情严重程度，并及时释放预警信号，提醒除霜。环境感知系统用于获取冷库空间内温度、湿度、气体组分的空间分布状态。携带温度、湿度、气体检测传感器，建立多传感器视觉和热成像融合检测系统，保障冷媒管路畅通，获得冷媒流态分布。

结合人工智能技术和机器人技术搭建智能控制系统，设计集霜和除霜动作自适应协调控制算法，实现同步集霜；对机器人的行走路径、折展变形、行走速度、除霜动作进行规划和控制，实现自主行走和智能操作。

6 结语

本文通过上述研究工作，探索冷库管网巡检运维机器人的技术体系、实现方式、设计方法及工作流程，对机器人除霜作业整个过程进行质量把控，综合判据技术、经济、环境、资源、能源等各项指标，促进我国冷库除霜行业的智能化、无人化和规范化建设。