永磁轮式爬壁除锈机器人控制系统设计

永磁轮式爬壁除锈机器人控制系统设计

张军梁;张庆华;张小俊

【摘要】油罐除锈作业中,存在粉尘弥漫、气源噪音巨大、罐内照明不足等问题,在该环境操作人员进行除锈作业时,对其生命安全带来极大威胁.针对上述问题,研制出对油罐内外壁进行除锈作业的爬壁除锈机器人.首先,针对该类型机器人的技术难点,对机器人爬壁吸附方式进行选型分析.在此基础上,对爬壁除锈机器人的实时控制系统软件概述;并对爬壁除锈机器人主控模块功能进行概述.最后,通过现场实验的方式验证机器人的除锈作业方式.经过多项测试,实验结果表明爬壁除锈机器人能够代替操作人员完成油罐内外表面的除锈作业,极大提高作业效率并有效降低操作风险.【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2018(018)017

【总页数】5页(P217-221)

【关键词】石化工厂；除锈机器人；吸附方式；结构设计；控制系统

【作者】张军梁;张庆华;张小俊

【作者单位】中国石化镇海炼化公司,宁波315207;洛阳圣瑞智能机器人有限公司,洛阳471000;河北工业大学机械工程学院,天津300130

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.3

石化企业中，油罐必不可少，其作用是用于存放气态、液态化工原料与产品，这类

介质通常具有较强的腐蚀性，容易对油罐的内罐壁产生锈蚀作用，且油罐通常处于室外环境中，风吹日晒雨淋等环境因素导致油罐贮存条件恶劣，油罐的外罐壁极易因锈蚀产生裂纹，存在巨大安全隐患[1—3]。为保障石化工厂的安全运营，国家标准规定油罐需定期进行除锈处理，通常每罐每4～6年进行整个罐体的内外壁除锈作业。目前该作业几乎依靠操作人员人工作业，在该过程中，由于人工除锈中采用喷砂工艺，现场气源噪音巨大，粉尘弥漫，该过程中存在毒性残留介质释放，工人作业中必须佩戴密封面罩高空作业，其工作环境十分恶劣[4,5]。人工除锈作业存

在人工操作效率低且危险性高的问题。

综合常见的油罐内外壁锈蚀处理方式，可以分为机械除锈、手工除锈、化学除锈和高压水射流除锈等[6—8]。前三种除锈方法应用范围较广，具有成本较低的优点，但是在实际应用中，这三种方式大都由操作人员手持专用设备进行除锈作业，除锈效率较低，且长时间进行除锈工作会对操作人员造成一定的身体伤害。相比于这三种除锈方式，高压水射流除锈技术是一种较新型的除锈技术，目前在国内的应用很少，在国外应用也不甚多，其原理是利用高压水射流对被除锈表面进行高压水喷射，进而达到除去表面锈蚀的目的。目前高压水射流除锈方式分为两种，分别是人工手持喷枪式和安装于爬壁机器人本体方式。人工手持喷枪式由人工手持高压水喷枪操作，由于该方式具有一定的后坐力，操作人员手持喷枪无法长时间工作，且喷枪距油罐外壁的距离很难控制，人为因素较大，除锈的效果较差；而在安装于爬壁机器人本体方式中，可移动的爬壁机器人可以用作除锈高压水的载体用来安装固定高压水枪喷头，除锈作业中操作人员可通过遥控器或控制柜远程遥控爬壁机器人在壁面行走进行除锈作业。

随着石化行业的迅速发展与机器人技术的日趋成熟，石化企业对自动化技术的要求也越来越高，研制自动化检测设备以代替操作人员势在必行[9—14]。本研究设计

了一款永磁轮式爬壁除锈机器人，可以代替操作人员完成油罐内外表面的除锈作业，

采用爬壁除锈机器人进行油罐内外壁的除锈作业可有效降低操作风险并提高作业效率。

1 爬壁除锈机器人系统概述

爬壁除锈机器人由机器人本体、控制系统硬件和控制系统软件三个子系统构成。其中，爬壁除锈机器人的机械本体由三轮轮式移动平台和三自由度机械臂组成；爬壁除锈机器人的控制系统硬件由控制柜、供电电缆、通信电缆等硬件组成；爬壁除锈机器人的控制系统软件是操作人员控制机器人机械本体的人机交互界面，同时人机交互界面内显示爬壁除锈机器人本体内的传感器信息。

这三个子系统组成完整的爬壁除锈机器人系统。在实际的作业过程中，操作人员通过遥控器远程遥控，指令通过通信电缆传递至爬壁除锈机器人本体内，驱动各关节位置的伺服电机带动机械本体运动，完成操作人员期望的控制指令。同时，安装在爬壁除锈机器人本体内的各传感器将其信息显示在“爬壁除锈机器人实时控制系统软件”中。

2 爬壁除锈机器人吸附方式

爬壁除锈机器人本体由三轮轮式移动平台和三自由度机械臂组成，爬壁除锈机器人机械本体如图1所示。论文设计的机器人要完成的主要任务是替代操作人员完成油罐内外表面的除锈作业工作。参照爬壁机器人研究的国内外发展现状，吸附方式一般分为正负压吸附和磁吸附这三种形式。

图1 爬壁除锈机器人机械本体Fig.1 Wall-climbing descaling robot mechanical body

正压吸附原理一般在机器人背部安装螺旋桨，通过旋转的螺旋桨产生一定压力，在反作用力的作用下产生吸附力。在本研究中，爬壁机器人设计目标是完成油罐的除锈作业，需加装高压水射流喷射装置，所需的能耗较大，不适合在机器人本体上直接安装电池、高压泵等储能设备，需要机器人本体连接控制柜，从地面牵引高压水

管、供电通信电缆等管线。正常工作情况下，随着机器人运动高度的增加，拖缆的质量也在不断地增大，仅依靠正压吸附很难满足设计要求，难以实现足够的吸附力。负压吸附指用真空泵抽掉负压腔内的空气，在负压腔内产生真空负压力，其原理是依靠负压腔内外的压力差值产生吸附力。与正压吸附相比较，负压吸附力较大且较稳定。但是负压吸附方式同样存在很多缺点，如负压吸附方式对吸附的墙面表面质量要求较高，当墙面本身具有较大弧度时，负压腔与墙面间难以形成完整的负压腔，尤其是若这种技术应用于除锈机器人，水射流产生的废水和铁锈容易吸入负压腔，造成涡轮或抽气设备损坏，因而采用负压吸附方式也不适用于除锈爬壁机器人。本研究设计的爬壁除锈机器人吸附并攀爬的墙壁为油罐的内外壁，采用磁吸附方式可以充分利用该墙壁为钢铁的材料属性，经过多次可行性论证，本研究中采用磁吸附形式最为合适。

按照磁力产生方式的不同，磁吸附方式可以分为电磁和永磁两种吸附形式。电磁吸附易于根据现场实际需要调节，缺点在于电磁发热量较大，易于损坏，且一旦失去供电，电磁铁吸附力立刻失去，用于爬壁机器人存在很高的危险性。永磁吸附方式吸附力稳定，持久，牢固，缺点是磁力大小难于与作业方式相匹配。基于上述论证，项目组最终选择永磁吸附方式，通过理论计算与现场实验的方式，最终选用合适磁力的永磁磁轮，以实现与爬壁除锈机器人除锈作业方式相匹配。

3 爬壁除锈机器人控制系统概述

机器人系统中，除机器人结构设计外，控制系统同样十分重要在，本研究中，除锈作业中操作人员可通过遥控器远程遥控或使用鼠标、键盘等通过人机交互界面下达控制指令，指令通过通信电缆传递至爬壁除锈机器人本体内，驱动各关节位置的伺服电机带动机械本体运动，完成操作人员期望的控制指令。爬壁除锈机器人的控制系统架构方式如图2所示。

图2 爬壁除锈机器人控制系统架构Fig.2 Wall-climbing descaling robot