一種化工廠搶險救災機器人

和壯+陳瑞+韓茳

1 研制背景與意義

近年來，化工廠泄露事故頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失?；どa(chǎn)中的三種主要事故：火災、毒氣泄露和腐蝕都可能會產(chǎn)生人無法靠近的環(huán)境，并且可能對環(huán)境造成永久的損壞，這時需要工作人員穿著防化服或者其他防化措施靠近現(xiàn)場，進行洗消和搶險作業(yè)以消除環(huán)境的危害。此時惡劣的環(huán)境和較為復雜的工況使得救災人員在進行一系列洗消作業(yè)和搶險救災時顯得力不從心，而且救災人員的生命安全沒法得到很好的保障。

所謂搶險救災機器人，就是當天災人禍來臨時，動用一切力量搶險救災和保護人員生命和財產(chǎn)的安全。對于工況較為簡單的環(huán)境，人為的進行搶險救災無疑是最方便、最切實可行的一種方案。但是對于發(fā)生事故后的化工廠來說，惡劣的環(huán)境，例如酸性堿性腐蝕性液體氣體的存在，導致人員很難進入，更別說進行一系作業(yè)，而機器人則很好的適應了這一發(fā)展的需求。

對于洗消作業(yè)，機器人可以深入最危險的區(qū)域，攜帶更多的洗消劑，其工作效率可以遠遠大于人工。并且機器人準備時間短，能迅速進入事故現(xiàn)場，盡可能早的投入救援或洗消。

與此同時，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各類化工廠遍布全國。大部分化工廠都存在高溫高壓、有毒有害環(huán)境以及發(fā)生事故的隱患。無數(shù)的事故案例表明，我國的化工安全不容樂觀。在很多的化工廠，例如氯堿廠、化肥生產(chǎn)廠等，經(jīng)常會發(fā)生有毒有害氣體泄漏的情況。針對這種情況，尚無安全的處理方案。

以2014年8月2日昆山化工分廠爆炸事故為例：那次共有遇難人員共75之人，受傷人員更是多達185人。官方給出了以下幾點事故發(fā)生的原因：1.因爆炸會使得粉塵四處沖擊，加上現(xiàn)場情況混亂，導致危險源沒有被移除，二次爆炸發(fā)生數(shù)次；2.生產(chǎn)工藝路線過緊過密，導致人員不易進入，救援最佳時間被錯過；

3.車間內(nèi)所有電器設備沒有按防爆要求配置，導致很多發(fā)生電氣設備損壞，而且沒有及時關(guān)閉供電總閥，導致大面積起火。

綜上事故案例，設計一款專門用于化工廠的前線救災洗消機器人，并使其具有平時自助巡航、全天候?qū)崟r監(jiān)測以及預警，在發(fā)現(xiàn)事故時能高效化自動作業(yè)、及時上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)測端，事故發(fā)生后能代替人力有效地進入事故現(xiàn)場，盡可能排出隱情或是降低工況環(huán)境危險程度，更加便于搶險人員進入作業(yè)的能力，是十分必要的。

2 設計方案

該洗消機器人是一種能在化工廠使用的洗消機器人，該機器人有一定的越障能力，可以遠程無線控制，攜帶盡可能多的洗消液，采用細水霧系統(tǒng)進行洗消作業(yè)，噴頭的高度、朝向可以調(diào)節(jié)，洗消液流量也可以調(diào)節(jié)，同時機械臂可以進行一系列機械作業(yè)。該機器人設計上有以下特性：（1）穩(wěn)定的遠程無線通信；（2）符合人機工程學的控制器；（3）無線視頻監(jiān)控；（4）符合人機工程學的操作界面；（5）安全、穩(wěn)定，有糾錯能力的控制方案；（6）有防護設施的控制電路。

3 控制系統(tǒng)總體方案

根據(jù)設計的要求，將本機器人的控制分為兩大部分：上位機控制和下位機控制。上位機控制部分包括控制器、上位機和無線通信模塊，其主要作用是將控制器的信息通過上位機的讀取和轉(zhuǎn)換變成符合通信協(xié)議的控制字發(fā)送給下位機。同時上位機還具有無線視頻通信的功能，使用網(wǎng)絡攝像頭通過wifi信號傳輸現(xiàn)場圖像信息。

下位機的控制系統(tǒng)可以分為三部分：動力部分，機械臂部分和細水霧部分。動力部分包括2個120W的直流電機；細水霧部分包括：一個水泵、一個電磁閥、一個升降桿和一個云臺電機；機械臂部分包括四個圖1上位機控制原理圖

直上直下的電動推桿、一個滑軌裝置一個機械抓裝置。其中動力部分和細水霧部分，機械臂需

要用MCU控制。其控制原理圖見圖1，2.