引言

在化學研究或生產加工過程中,由于管理疏忽、設備失常等因素,存在著發(fā)生室內化學氣體泄漏的情況。研究加工場所之大,工位設置之復雜都將造成檢查與清理工作的困難性。特別是對于發(fā)生多種化學氣體泄漏的情況,既要盡快找出泄漏點,還要對室內泄漏氣體進行分類,對各種重要氣體進行定量。而泄漏易燃、有毒的化學氣體更是對檢查的工作人員形成了人身安全的挑戰(zhàn)。為避免室內化學氣體泄漏后持續(xù)擴散到戶外造成環(huán)境污染以及幫助工作人員及時找出泄漏點,本文將設計一種檢測機器人。

1系統(tǒng)設計

應用于室內化學氣體泄漏檢測的機器人主要包括四大部分:移動系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和云臺系統(tǒng),如圖1所示。四大系統(tǒng)以stm32f4控制器為機載數(shù)據處理中心,移動系統(tǒng)中利用減速電機帶動履帶底盤,履帶式移動機構既具有移動平穩(wěn)的特征,還具有良好的越障能力[2],對于一些小臺階、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],并通過算法對其濃度進行大致性的定量,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電壓之間的函數(shù)關系。無線通信系統(tǒng)中利用2.4G無線傳感器作為通信模塊,包括機器人遙控以及圖像傳輸。云臺系統(tǒng)中通過LED燈照明,利用攝像頭采集現(xiàn)場圖像,還結合無線通信系統(tǒng)遙控雙軸云臺控制攝像頭的轉向,以進一步具體確定氣體泄漏的位置。

2硬件設計

由于化工場所室內的設備、實驗臺眾多,環(huán)境復雜,機器人的移動速度不能過快,以免意外撞擊障礙物產生火花點燃可燃性氣體。選取履帶式平臺作為機器人的移動平臺,其中一個原因是履帶能增加機器人與地面的接觸面積,加上降低機器人重心的處理方式,機器人便基本具有較好的穩(wěn)定性。電機作為機器人履帶平臺的驅動件,其性能也影響著機器人的平穩(wěn)性,特別是從靜止開始加速以及從運動到停止的加減速環(huán)節(jié),扭矩是重要因素之一。下文將通過履帶平臺的越障分析來探討扭矩的設計,如圖2所示,機器人翻越障礙物的某一時刻靜止在該位置,受力平衡。

機器人靜止時不產生電機扭矩,因此其平衡方程為:

式中,G為機器人重量。

式中,μ為摩擦系數(shù)。

由圖2的平面幾何關系可得:

將式(2)(3)(4)代入方程組(l)并轉化可得電機的轉矩為:

選取良好的大扭矩電機之后,電機的安裝位置也十分重要,為保障機器人在越障過程中重心相對平穩(wěn),如圖3所示,電機斜對角設置,而非兩個電機同時設置在前方或后方。

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

無線通信裝置:本文使用2.4G無線傳感器進行通信,其穿透力強、傳輸距離遠、速率較快,適合本文的應用。其設置在履帶移動平臺的上表面,天線裸露在空氣中,以獲得更好的通信效果(該裸露不會產生明火)。

云臺裝置:本文使用市場現(xiàn)有的攝像頭＋雙軸舵機云臺裝置,該裝置設置在履帶平臺的中間位置,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,進一步結合云臺裝置進行更直觀的查找。

3結語

化學氣體的泄漏對環(huán)境以及人身安全具有難以估量的威脅性,科學技術的進步可以逐漸實現(xiàn)利用機器人代替多類工作。本文主要探討了應用于室內化學氣體泄漏檢測的機器人,從系統(tǒng)與硬件兩大方面進行了詳細設計,期望能為環(huán)保化學行業(yè)提供一定的技術參考。