程向麗，曾周末，侯越強，趙 興，李 建，靳世久

（天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

0 引言

針對原油凝點高、黏度高和流動性差等特性，在輸送過程中多采用加熱爐傳熱方式，其工作原理即在加熱爐內(nèi)燃燒油或氣以加熱熱媒（即導熱油）用于和原油進行熱交換。但是，不完全燃燒造成的結焦附著于爐膛內(nèi)導熱管壁上，嚴重影響了加熱過程的熱交換效率，因此，需要對內(nèi)壁進行定期清掃。工人攜帶工具進入爐膛內(nèi)部進行人工清灰是目前最普遍的清灰方案。但是此種方案的工作條件十分惡劣，嚴重地損害了工人的身體健康。

結合爐膛內(nèi)部管道的具體結構，提出一種管壁間翻轉(zhuǎn)行走機器人清灰的設想，并完成管壁清灰完全自動控制的設計。管壁間翻轉(zhuǎn)行走機器人能自動完成清掃任務替代人工作業(yè)，可以有效地清除爐膛內(nèi)的灰垢，保證加熱爐高效，穩(wěn)定工作，大大地減輕了清灰的勞動強度，減少了對工人身體的損害［1］。

1 整體結構

加熱爐爐膛導熱管是在水平方向上相互平行、獨立的直管，這些導熱管等距離分布在一個正八邊形上。根據(jù)這一作業(yè)環(huán)境，設計了一種具有翻轉(zhuǎn)功能的機器人，同時還具有行走和清灰兩大功能，以實現(xiàn)機器人的完全自制。整個機器人由翻轉(zhuǎn)機構、行走機構、清灰機構及控制系統(tǒng)4個模塊組成。機器人的工作環(huán)境加熱爐爐膛結構如圖1。

圖1 機器人工作環(huán)境和機械結構示意圖Fig 1 Diagram of working environment and mechanical structure of robot

2 受力分析

可翻轉(zhuǎn)清灰機器人的工作示意圖如圖2所示。機器人通過行走機構直行，通過翻轉(zhuǎn)機構切換軌道，同時清灰電機帶動清灰刷對導熱管壁進行清理，機器人穩(wěn)定可靠地直行和翻轉(zhuǎn)是其有效清除管壁灰塵的關鍵所在［2］。

機器人的工作過程包括:沿單一軌道直行運動（在兩平行管道間）;切換軌道翻轉(zhuǎn)運動（繞單一管道）;直行和翻轉(zhuǎn)間的切換運動。其中切換運動又包括4個子過程，即行走機構靜止，翻轉(zhuǎn)機構收縮并抱緊管壁;翻轉(zhuǎn)機構靜止，行走機構收縮并脫離管壁;翻轉(zhuǎn)機構靜止，行走機構伸開并卡緊管壁;行走機構靜止，翻轉(zhuǎn)機構伸開并脫離管壁。

圖2 機器人的工作示意圖Fig 2 Working schematic diagram of robot

機器人切換運動是由電機帶動蝸輪蝸桿驅(qū)動的過程，因此，這里的動力學分析主要討論行走和翻轉(zhuǎn)過程中的受力情況。

1）行走過程機器人受力情況

記用于機器人行走的各個滾動單元為C1～C8;行走機構為C9;翻轉(zhuǎn)機構為C10;清灰刷為C11。如圖3（a）所示，利用第二類Lagrange方程建立動力學方程［3］。行走過程中只有一個自由度，取直行方向的位移x為廣義坐標，且各滾動單元的角速度、角加速度均相等，清灰刷的角速度、角加速度為其k倍。

由Lagrange方程

式中T為動能，qj為廣義坐標，Qj為廣義力;這里，qj=x，Qj=Qx。

系統(tǒng)動能為

其中，Izi為各滾動軸和清灰刷滾軸的轉(zhuǎn)動慣量，mi為符號機構的質(zhì)量;r1為行走滾動半徑。又有

聯(lián)立式（1）、式（2）、式（3），可得

其中，x為沿x軸線加速度，M為轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)矩M與機器人行進過程中的線加速度呈正比關系，因此，在機器人驅(qū)動階段保持勻加速直線運動，到達預定速度后，再降低M以保持勻速直線運動。

2）翻轉(zhuǎn)過程機器人受力情況

如圖3（b）所示，記A臂上受力點為A1～A6號;B臂上受力點為B1～B6號，行走機構、翻轉(zhuǎn)機構以及清灰刷仍沿用直行受力分析的記號，包括C1～C11。方法與行走分析類似，翻轉(zhuǎn)過程中取ψ為廣義坐標，ψ為機器人繞x軸翻轉(zhuǎn)時與水平面的夾角;翻轉(zhuǎn)機構的各個滾動軸的角速度、角加速度均相等。

圖3 機器人受力分析圖Fig 3 Force analysis graph of robot

系統(tǒng)動能為

其中，m為輪子質(zhì)量;ri為i機構的半徑;mA，RA和mB，RB為A臂和B臂的質(zhì)量和其質(zhì)心到管道中心的半徑;Ixii，IxpA，IxpB，IxpC9C11為i機構繞其滾軸xi，A 臂、B 臂以及 C9和C11整體繞管道中心軸xp的轉(zhuǎn)動慣量;Rp為管道半徑;ri為i機構的半徑。又有

聯(lián)立式（1）、式（5）、式（6），可得角加速度

其中，

由上式可知，轉(zhuǎn)矩M與機器人翻轉(zhuǎn)過程中的角加速度呈正比關系，因此，在機器人翻轉(zhuǎn)階段，根據(jù)不同位置M不同，角加速度也不同。

根據(jù)機器人在爐膛內(nèi)不同位置的不同情況，對機器人建立牛頓靜力學模型，采用整體法進行受力分析，易得機器人的靜力學方程為

其中，ρ=30°;α =0°，45°，90°，135°;G=（M1+M2+M3）g。

3 運動控制

控制系統(tǒng)的基本要求是隨動性好、可靠性高、經(jīng)濟實用、良好的速度以及位移控制能力［4］。該機器人的具體控制對象包括:

1）機器人行走機構的控制:包括直行控制部分、伸縮控制部分;故行走機構需要控制直行、伸縮兩種運動形式的直流電機。

2）機器人翻轉(zhuǎn)機構的控制:包括翻轉(zhuǎn)控制部分、伸縮控制部分和旋轉(zhuǎn)控制部分。故翻轉(zhuǎn)機構需要控制翻轉(zhuǎn)、伸縮以及旋轉(zhuǎn)三種形式的直流電機。

3）機器人清灰機構的控制:這里是帶動清灰刷的旋轉(zhuǎn)，從而達到清灰目的，故清灰機構只需要轉(zhuǎn)動控制的直流電機。

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人自動清灰的關鍵核心部分，為實現(xiàn)清灰機器人的完全自動控制，對其采用了“兩條腿”走路的控制系統(tǒng)設計，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體框圖Fig 4 Block diagram of the whole system

1）自動控制模式

機器人在未上電狀態(tài)下，行走機構呈收縮狀態(tài)，當工作人員將機器人置于0°兩導熱管之間，給機器人上電，單片機控制行走機構水平方向延伸，直至與兩側的導熱管壁頂緊，然后行走機構直行、清灰刷開始清灰工作;同時，控制器接收超聲測距傳感器［5］的距離信號，對機器人進行實時測距，當機器人行進至管道盡頭時，電機反轉(zhuǎn)，行走機構帶動機器人反向行走，機器人開始反向清灰，回到初始位置后停止前進。

收縮翻轉(zhuǎn)機構（即機械臂），使機械臂抱緊導熱管，收縮行走機構，使之完全脫離導熱管;翻轉(zhuǎn)機構沿導熱管周向翻轉(zhuǎn)，直至到達預定角度（翻轉(zhuǎn)角度在 0°，45°，90°和 135°平行管道時為180°，在管道接合處為135°）;延伸行走機構，至頂緊管壁兩側，再延伸機械臂，至機械臂與管壁完全脫離;翻轉(zhuǎn)機構再旋轉(zhuǎn)180°與下一待翻轉(zhuǎn)導熱管呈虛抱緊狀態(tài)，至此，一個工作周期完畢，其程序控制框圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig 5 Control flow chart

2）手動控制模式

通過人眼觀察機器人的位置及其清灰效果，通過紅外遙控裝置發(fā)送命令，控制機器人行走、翻轉(zhuǎn)等一系列工作形式，并且，控制系統(tǒng)主程序隨時響應手動模式下的紅外命令中斷，故手動模式控制優(yōu)先級高于自動模式。

以上2種控制模式實現(xiàn)了機器人的清灰除塵目的。

4 性能測試

圖6 翻轉(zhuǎn)測試過程中的位置標記Fig 6 Position marking during inversion test

基于本文提出的集翻轉(zhuǎn)、行走、清灰功能于一體的組合式結構機器人，對其翻轉(zhuǎn)性能測試實驗:將翻轉(zhuǎn)機構沿管壁外徑為219 mm的鋼管周向翻轉(zhuǎn)，對其翻轉(zhuǎn)不同位置處的π/2弧長所需時間等相關數(shù)據(jù)進行分析，如圖6所示。其中，a，b，c，d4弧段構成了管道外壁的一周，該實驗的4個弧段包括了機器人在爐膛內(nèi)翻轉(zhuǎn)的所有情況，其實驗相關數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 等長弧段內(nèi)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)Tab 1 Turnover data during equilong trajectory

可見，在a，d弧段翻轉(zhuǎn)時間長，翻轉(zhuǎn)速度小，即相應的滾動軸扭矩M大，故機器人處于一，四象限內(nèi)，要求電機輸出大扭矩，以提高機器人的角加速度來保證翻轉(zhuǎn);而b，c弧段的翻轉(zhuǎn)時間短，翻轉(zhuǎn)速度大，滾動軸扭矩M減小，故機器人處于二，三象限內(nèi)，不要求電機輸出較大扭矩即可保證翻轉(zhuǎn)。該性能測試中，機器人的角加速度根據(jù)翻轉(zhuǎn)位置變化發(fā)生改變，驗證了上述的理論推導。

行走機構性能實驗與翻轉(zhuǎn)性能實驗類似。

5 結束語

本文介紹了一種運用于加熱爐爐膛內(nèi)管壁清灰翻轉(zhuǎn)機器人，該機器人體積小，重量輕，實現(xiàn)了全自動化。簡單介紹了機器人整體機械結構設計，詳細進行了工作過程中的受力分析，闡述了控制系統(tǒng)模塊的整體設計實現(xiàn)思想，并提出了機器人自動轉(zhuǎn)換軌道這一創(chuàng)新思想，同時進行了相關實驗，驗證了機器人的可行性。利用自動清灰機器人替代工人在惡劣、危險環(huán)境下作業(yè)具有可操作、高效率等特點，在石油輸送等領域有著廣闊的應用前景。

［1］ Wang Y，Liu S L，Xu D G．Development and application of wallclimbing robots［C］∥Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，Piscataway，NJ，USA，1999:1207－1212．

［2］ 冉小東，陳世利，曾周末，等．一種用于熱媒爐爐膛內(nèi)清灰爬壁機器人設計［J］．化工自動化及儀表，2010，37（8）:78 －82．

［3］ 李 近．淺談虛功原理的應用［J］．中國科技信息，2009（24）:25－30．

［4］ 宋 巖．一種尺蠖式爬行機器人的研究［D］．重慶:重慶大學，2007:14 －17．

［5］ Marioli D．Digital time-of-flight measurement for ultrasonic sensors［J］．IEEE Trans on Instrumentation and Measurment，1992，41（1）:88－92．