化学气体泄漏检测机器人的设计与分析

引言

在化学研究或生产加工过程中,由于管理疏忽、设备失常等因素,存在着发生室内化学气体泄漏的情况。研究加工场所之大,工位设置之复杂都将造成检查与清理工作的困难性。特别是对于发生多种化学气体泄漏的情况,既要尽快找出泄漏点,还要对室内泄漏气体进行分类,对各种重要气体进行定量。而泄漏易燃、有毒的化学气体更是对检查的工作人员形成了人身安全的挑战。为避免室内化学气体泄漏后持续扩散到户外造成环境污染以及帮助工作人员及时找出泄漏点,本文将设计一种检测机器人。

1系统设计

应用于室内化学气体泄漏检测的机器人主要包括四大部分:移动系统、气体检测系统、无线通信系统和云台系统,如图1所示。四大系统以stm32f4控制器为机载数据处理中心,移动系统中利用减速电机带动履带底盘,履带式移动机构既具有移动平稳的特征,还具有良好的越障能力[2],对于一些小台阶、地面电缆均能平稳通过。气体检测系统中利用Mo-x烟雾传感器检测例如H2、CH4、C3H8等可燃性气体[3],并通过算法对其浓度进行大致性的定量,以便确定气体主要泄漏的范围:气体检测系统中Mo-x烟雾传感器是基于sn02为检测单元的传感器,但其具有的特性是非线性的,因此需要借助最小二乘法[4]来建立被检测气体的浓度与传感器响应电压之间的函数关系。无线通信系统中利用2.4G无线传感器作为通信模块,包括机器人遥控以及图像传输。云台系统中通过LED灯照明,利用摄像头采集现场图像,还结合无线通信系统遥控双轴云台控制摄像头的转向,以进一步具体确定气体泄漏的位置。

2硬件设计

由于化工场所室内的设备、实验台众多,环境复杂,机器人的移动速度不能过快,以免意外撞击障碍物产生火花点燃可燃性气体。选取履带式平台作为机器人的移动平台,其中一个原因是履带能增加机器人与地面的接触面积,加上降低机器人重心的处理方式,机器人便基本具有较好的稳定性。电机作为机器人履带平台的驱动件,其性能也影响着机器人的平稳性,特别是从静止开始加速以及从运动到停止的加减速环节,扭矩是重要因素之一。下文将通过履带平台的越障分析来探讨扭矩的设计,如图2所示,机器人翻越障碍物的某一时刻静止在该位置,受力平衡。

机器人静止时不产生电机扭矩,因此其平衡方程为:

式中,G为机器人重量。

式中,μ为摩擦系数。

由图2的平面几何关系可得:

将式(2)(3)(4)代入方程组(l)并转化可得电机的转矩为:

选取良好的大扭矩电机之后,电机的安装位置也十分重要,为保障机器人在越障过程中重心相对平稳,如图3所示,电机斜对角设置,而非两个电机同时设置在前方或后方。

气体检测装置:本文的气体检测系统使用两个Mo-x烟雾传感器,分别设置于履带移动平台的正前方与正后方,采用至少两个传感器以更好地保障检测的准确性,避免单个传感器测量的偶然性。

无线通信装置:本文使用2.4G无线传感器进行通信,其穿透力强、传输距离远、速率较快,适合本文的应用。其设置在履带移动平台的上表面,天线裸露在空气中,以获得更好的通信效果(该裸露不会产生明火)。

云台装置:本文使用市场现有的摄像头＋双轴舵机云台装置,该装置设置在履带平台的中间位置,主要用来监控,配合M0-x烟雾传感器使用,先由该传感器检测出气体浓度大的位置,便可以估测该位置附近有泄漏点,进一步结合云台装置进行更直观的查找。

3结语

化学气体的泄漏对环境以及人身安全具有难以估量的威胁性,科学技术的进步可以逐渐实现利用机器人代替多类工作。本文主要探讨了应用于室内化学气体泄漏检测的机器人,从系统与硬件两大方面进行了详细设计,期望能为环保化学行业提供一定的技术参考。