化學(xué)氣體泄漏檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

引言

在化學(xué)研究或生產(chǎn)加工過程中,由于管理疏忽、設(shè)備失常等因素,存在著發(fā)生室內(nèi)化學(xué)氣體泄漏的情況。研究加工場所之大,工位設(shè)置之復(fù)雜都將造成檢查與清理工作的困難性。特別是對(duì)于發(fā)生多種化學(xué)氣體泄漏的情況,既要盡快找出泄漏點(diǎn),還要對(duì)室內(nèi)泄漏氣體進(jìn)行分類,對(duì)各種重要?dú)怏w進(jìn)行定量。而泄漏易燃、有毒的化學(xué)氣體更是對(duì)檢查的工作人員形成了人身安全的挑戰(zhàn)。為避免室內(nèi)化學(xué)氣體泄漏后持續(xù)擴(kuò)散到戶外造成環(huán)境污染以及幫助工作人員及時(shí)找出泄漏點(diǎn),本文將設(shè)計(jì)一種檢測機(jī)器人。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于室內(nèi)化學(xué)氣體泄漏檢測的機(jī)器人主要包括四大部分:移動(dòng)系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和云臺(tái)系統(tǒng),如圖1所示。四大系統(tǒng)以stm32f4控制器為機(jī)載數(shù)據(jù)處理中心,移動(dòng)系統(tǒng)中利用減速電機(jī)帶動(dòng)履帶底盤,履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)既具有移動(dòng)平穩(wěn)的特征,還具有良好的越障能力[2],對(duì)于一些小臺(tái)階、地面電纜均能平穩(wěn)通過。氣體檢測系統(tǒng)中利用Mo-x煙霧傳感器檢測例如H2、CH4、C3H8等可燃性氣體[3],并通過算法對(duì)其濃度進(jìn)行大致性的定量,以便確定氣體主要泄漏的范圍:氣體檢測系統(tǒng)中Mo-x煙霧傳感器是基于sn02為檢測單元的傳感器,但其具有的特性是非線性的,因此需要借助最小二乘法[4]來建立被檢測氣體的濃度與傳感器響應(yīng)電壓之間的函數(shù)關(guān)系。無線通信系統(tǒng)中利用2.4G無線傳感器作為通信模塊,包括機(jī)器人遙控以及圖像傳輸。云臺(tái)系統(tǒng)中通過LED燈照明,利用攝像頭采集現(xiàn)場圖像,還結(jié)合無線通信系統(tǒng)遙控雙軸云臺(tái)控制攝像頭的轉(zhuǎn)向,以進(jìn)一步具體確定氣體泄漏的位置。

2硬件設(shè)計(jì)

由于化工場所室內(nèi)的設(shè)備、實(shí)驗(yàn)臺(tái)眾多,環(huán)境復(fù)雜,機(jī)器人的移動(dòng)速度不能過快,以免意外撞擊障礙物產(chǎn)生火花點(diǎn)燃可燃性氣體。選取履帶式平臺(tái)作為機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái),其中一個(gè)原因是履帶能增加機(jī)器人與地面的接觸面積,加上降低機(jī)器人重心的處理方式,機(jī)器人便基本具有較好的穩(wěn)定性。電機(jī)作為機(jī)器人履帶平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)件,其性能也影響著機(jī)器人的平穩(wěn)性,特別是從靜止開始加速以及從運(yùn)動(dòng)到停止的加減速環(huán)節(jié),扭矩是重要因素之一。下文將通過履帶平臺(tái)的越障分析來探討扭矩的設(shè)計(jì),如圖2所示,機(jī)器人翻越障礙物的某一時(shí)刻靜止在該位置,受力平衡。

機(jī)器人靜止時(shí)不產(chǎn)生電機(jī)扭矩,因此其平衡方程為:

式中,G為機(jī)器人重量。

式中,μ為摩擦系數(shù)。

由圖2的平面幾何關(guān)系可得:

將式(2)(3)(4)代入方程組(l)并轉(zhuǎn)化可得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為:

選取良好的大扭矩電機(jī)之后,電機(jī)的安裝位置也十分重要,為保障機(jī)器人在越障過程中重心相對(duì)平穩(wěn),如圖3所示,電機(jī)斜對(duì)角設(shè)置,而非兩個(gè)電機(jī)同時(shí)設(shè)置在前方或后方。

氣體檢測裝置:本文的氣體檢測系統(tǒng)使用兩個(gè)Mo-x煙霧傳感器,分別設(shè)置于履帶移動(dòng)平臺(tái)的正前方與正后方,采用至少兩個(gè)傳感器以更好地保障檢測的準(zhǔn)確性,避免單個(gè)傳感器測量的偶然性。

無線通信裝置:本文使用2.4G無線傳感器進(jìn)行通信,其穿透力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、速率較快,適合本文的應(yīng)用。其設(shè)置在履帶移動(dòng)平臺(tái)的上表面,天線裸露在空氣中,以獲得更好的通信效果(該裸露不會(huì)產(chǎn)生明火)。

云臺(tái)裝置:本文使用市場現(xiàn)有的攝像頭＋雙軸舵機(jī)云臺(tái)裝置,該裝置設(shè)置在履帶平臺(tái)的中間位置,主要用來監(jiān)控,配合M0-x煙霧傳感器使用,先由該傳感器檢測出氣體濃度大的位置,便可以估測該位置附近有泄漏點(diǎn),進(jìn)一步結(jié)合云臺(tái)裝置進(jìn)行更直觀的查找。

3結(jié)語

化學(xué)氣體的泄漏對(duì)環(huán)境以及人身安全具有難以估量的威脅性,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步可以逐漸實(shí)現(xiàn)利用機(jī)器人代替多類工作。本文主要探討了應(yīng)用于室內(nèi)化學(xué)氣體泄漏檢測的機(jī)器人,從系統(tǒng)與硬件兩大方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),期望能為環(huán)?；瘜W(xué)行業(yè)提供一定的技術(shù)參考。