化工設(shè)備清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究

肖娜 張國鋒

摘 要：隨著化工行業(yè)規(guī)?；牟粩鄶U(kuò)大，化工設(shè)備逐步向大型化、復(fù)雜化不斷發(fā)展，化工設(shè)備清洗機(jī)器人的需求日趨增加，化工設(shè)備清洗機(jī)器人融合了移動機(jī)器人和清洗技術(shù)，成為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一種新型高技術(shù)產(chǎn)品，具有良好的市場前景，近年來正逐步成為一個新的研究熱點。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備;清洗機(jī)器人;研究現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TQ050.5 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

化工清洗機(jī)器人屬于一種特殊的智能服務(wù)機(jī)器人，一般工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境之中，作業(yè)對象是附著或者粘附在化工設(shè)備物體表面的污垢、污泥等有害、較難清洗的物質(zhì)[1]。

1國內(nèi)外化工設(shè)備清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀

化工行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前應(yīng)用于化工行業(yè)的主要清洗機(jī)器人及其自動化設(shè)備有大氣機(jī)械手、真空機(jī)械手、潔凈鍍膜機(jī)械手、潔凈AGV、RGV及潔凈物流自動傳輸系統(tǒng)等。很多現(xiàn)代化工業(yè)品生產(chǎn)要求精密化、微型化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性，在產(chǎn)品的生產(chǎn)中要求有一個潔凈的環(huán)境，潔凈度的高低直接影響產(chǎn)品的合格率，潔凈技術(shù)就是按照產(chǎn)品生產(chǎn)對潔凈生產(chǎn)環(huán)境的污染物的控制要求、控制方法以及控制設(shè)施的日益嚴(yán)格而不斷發(fā)展。因此，在化工領(lǐng)域，隨著未來更多的化工生產(chǎn)場合對于環(huán)境清潔度的要求越來越高，清洗機(jī)器人將會得到進(jìn)一步的利用，因此其具有廣闊的市場空間[1]。

在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。

日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)普及了第一和第二類工業(yè)機(jī)器人，并達(dá)到了其工業(yè)機(jī)器人發(fā)展史的鼎盛時期。而今已在第發(fā)展三、四類工業(yè)機(jī)器人的路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機(jī)器人發(fā)展重點有：低成本技術(shù)、高速化技術(shù)、小型和輕量化技術(shù)、提高可靠性技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、高精度化技術(shù)、視覺和觸覺等傳感器技術(shù)等。

當(dāng)前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上;一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù);工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù);機(jī)器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù);運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù);弧焊、點焊及大型機(jī)器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平[2]。

所以，我國工業(yè)機(jī)器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機(jī)器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高社會生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，引進(jìn)國外技術(shù)和設(shè)備，培養(yǎng)人才，打開市場。

2 主要研究內(nèi)容

針對機(jī)器人在化工設(shè)備非結(jié)構(gòu)復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中的工作特點，采用多種軟件構(gòu)建從機(jī)構(gòu)學(xué)到動力學(xué)玩真的綜合仿真，通過試驗平臺驗證算法的性能。

2.1探索三維空間內(nèi)障礙物運動狀態(tài)，分別在已知和未知條件下，高自由度機(jī)器人拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的多級避障規(guī)劃空間建模。

2.2針對ADAMS軟件建立的虛擬模型能很好地反映實際的物理模型和MATLAB能夠幫助用戶快速構(gòu)建復(fù)雜控制模型的特點，將二者聯(lián)合起來進(jìn)行機(jī)器人仿真的設(shè)計方案，并搭建基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真平臺[3]。

2.3 通過 LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA，與NI單卡式（Single-Board） RIO，整合軟硬件，以便迅速設(shè)計、開發(fā)，并實施控制算法。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1在避障規(guī)劃空間中采用快速遍歷隨機(jī)樹方法得到機(jī)器人在靜態(tài)或已知動態(tài)障礙物信息的工作空間全局路徑規(guī)劃，并根據(jù)機(jī)器人拓?fù)溥B接關(guān)系驗證該路徑;根據(jù)機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)和運動學(xué)特性對機(jī)器人進(jìn)行建模并通過映射關(guān)系，得到機(jī)器人工作空間路徑到關(guān)節(jié)空間的運動軌跡[4]。

3.2用SolidWorks進(jìn)行機(jī)器人操作臂的建模，MATLAB對靜力學(xué)和動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值解法的仿真，在相同條件下，在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)方程的虛擬樣機(jī)仿真，所得各關(guān)節(jié)力及力矩與MATLAB數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。進(jìn)行聯(lián)合仿真中，通過建立虛擬樣機(jī)以及控制系統(tǒng)模型，從而根據(jù)仿真結(jié)果，完成機(jī)器人運動規(guī)劃中的動態(tài)特性分析。

3.3使用PXI-8101作為主控制器，并使用NI LabVIEW來控制硬件接口。LabVIEW因特網(wǎng)工具包用于編程無線局域網(wǎng)，USB-6210用于采集力和力矩傳感器數(shù)據(jù)。用于SolidWorks的NI SoftMotion可評估并設(shè)計運動仿真，以研究機(jī)器人的運動。NI SoftMotion模塊能夠在SolidWorks總成中構(gòu)建和配置機(jī)器人關(guān)節(jié)，使用SoftMotion功能模塊來創(chuàng)建運動軌跡。 LabVIEW MathScript RT模塊用于執(zhí)行使用The MathWorks公司MATLAB編寫的代碼，生成步態(tài)軌跡，從而簡化了跨平臺安裝軟件的困難[5]。

4結(jié)論

在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，多自由度機(jī)器人操作臂，尤其是工業(yè)機(jī)器人自主運動規(guī)劃問題是制約該技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸。而其研究的難點在于運動規(guī)劃面臨的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)為：（1）系統(tǒng)模型構(gòu)建的復(fù)雜性，機(jī)器人模型包括了拓?fù)溥\動學(xué)模型、運動學(xué)模型和動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，仍需對機(jī)器人從運動學(xué)到控制系統(tǒng)的仿真。這些模型往往需要在不同平臺上建模，通過數(shù)據(jù)和模型交互，進(jìn)行綜合分析，從理論角度給出其可行性。（2）綜合試驗平臺構(gòu)建的復(fù)雜性，為了實現(xiàn)機(jī)器人的運動規(guī)劃等工作任務(wù)，需要在一個硬件平臺上，將仿真模型得到的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果，下載到一個具體的機(jī)器人操作臂上，能夠迅速操作機(jī)器人完成某項工作。該硬件平臺一方面可以通過借口與仿真分析的結(jié)果進(jìn)行交互，另一方面能夠快速形成硬件控制系統(tǒng)，完成從理論分析—仿真分析/驗證—試驗驗證的系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧義. 柔性驅(qū)動立筒倉清理機(jī)器人轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)建模及簡化，現(xiàn)代制造工程，2014，2014（4）：24-29.

[2]刁偉華.立筒倉懸掛式清潔機(jī)器人的建模與轉(zhuǎn)動控制仿真，機(jī)械傳動，2012，36（02）：29-32.

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[4]Cao Yi. Accurate Numerical Methods for Computing 2D and 3D Robot Workspace，International Journal of Advanced Robotic Systems，2011，8（6）：1-13.

[5]Zang Haihe. An engineering-oriented method for the three dimensional workspace generation of robot manipulator，Journal of Information and Computational Science，2011，8（1）：51-61.

作者簡介：肖娜（1983—），女，碩士研究生，高級工程師，主要從事化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、DCS控制和化工工藝優(yōu)化等方面的研究工作。

基金項目：本文是2018年度河南省科技攻關(guān)項目“一種用于化工設(shè)備內(nèi)部清洗的新型機(jī)器人”（項目編號：18210220406）的研究成果之一。