肖彥超， 余 江，2， 何炳良， 藍(lán)業(yè)厚

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

目前在鋼管的技術(shù)裝備水平、技術(shù)含量、鋼管品種規(guī)格等方面，中國(guó)鋼管產(chǎn)業(yè)水平接近世界強(qiáng)國(guó)水平，同時(shí)中國(guó)鋼管的產(chǎn)量占世界鋼管產(chǎn)量的50%以上[1]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)鋼管產(chǎn)量8 417.6萬t，同比增長(zhǎng)8.7%[2]。然而由于環(huán)境中的水分、氧氣以及鋼管表面殘留物等各方面因素的綜合影響，導(dǎo)致鋼管表面相對(duì)容易被腐蝕氧化。而金屬的生銹是一種很大的浪費(fèi)，每年在全世界范圍內(nèi)因?yàn)榻饘俚纳P而報(bào)廢的金屬設(shè)備和材料相當(dāng)于其年產(chǎn)量的20%～40%。因此需要對(duì)鋼管定期進(jìn)行清潔工作，而研究一款智能鋼管清潔機(jī)器人對(duì)于已固裝鋼管的清潔作業(yè)很有必要。

在工業(yè)機(jī)器人中，管道機(jī)器人作為一個(gè)重要的研究分支，正日益受到重視。管道機(jī)器人可分為管內(nèi)機(jī)器人和管外機(jī)器人，人們對(duì)管內(nèi)機(jī)器人已有較多研究[3-5]，而對(duì)管外機(jī)器人的研究相對(duì)較少[6]。本文所研究的基于ESP32的智能鋼管清潔機(jī)器人屬于管外機(jī)器人。

目前，國(guó)內(nèi)外在管外機(jī)器人的研究上已經(jīng)取得了一定的成果，也開發(fā)出了適應(yīng)各種管道類型的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)[7]。但是在現(xiàn)階段，根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋼管清洗機(jī)器人的研究可知，鋼管清洗機(jī)器人技術(shù)尚未成熟，還存在著以下問題：

1）對(duì)于爬管機(jī)器人的相關(guān)研究有限。雖然有不少對(duì)鋼管滾動(dòng)式爬管機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)研究的文獻(xiàn)，但對(duì)于磁吸式爬管機(jī)器人的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。同時(shí)，對(duì)于爬管機(jī)器人在水平鋼管上爬行時(shí)重心問題的研究也不多。

2）對(duì)于已固裝鋼管的清洗機(jī)器人的相關(guān)研究有限。目前已有研究的鋼管清洗機(jī)大多數(shù)應(yīng)用于工廠的鋼管生產(chǎn)過程中，這些鋼管都是堆疊放置于倉庫中，可運(yùn)送至清洗機(jī)器中進(jìn)行清洗。但對(duì)已固裝在建筑上的鋼管的清洗機(jī)器人相關(guān)研究較少。

3）鋼管清洗機(jī)器人安裝于鋼管的方式比較煩瑣。鋼管清洗機(jī)器人在鋼管上進(jìn)行安裝的方式比較多樣，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，較為普遍的安裝方式是將機(jī)器人的兩部分通過螺栓連接的方式進(jìn)行安裝，這種安裝方式無疑是煩瑣且低效的。

研究該智能鋼管清潔機(jī)器人是為了滿足人類生產(chǎn)生活的需要。如今建筑樓層多、面積廣，走廊鋼管多且長(zhǎng)，容易落灰、變臟和生銹，需要定期清洗，以保持整體整潔，否則容易產(chǎn)生管道損壞、使用性能下降、損耗材料、人力耗費(fèi)等問題。而目前走廊鋼管的清洗主要以人力清潔為主[8]。本課題組研究的智能鋼管清潔機(jī)器人在保證清潔度的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的自主清潔，不僅能夠提高鋼管清潔的工作效率，還可以節(jié)省更多的人力，降低成本，適用于學(xué)校、辦公樓、商場(chǎng)等場(chǎng)合，能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 設(shè)計(jì)方案概述

課題組所設(shè)計(jì)的基于ESP32的智能鋼管清潔機(jī)器人主要包括滾刷裝置、爬行驅(qū)動(dòng)裝置、抽水裝置等。該鋼管清潔機(jī)器人采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)不斷優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)備輕便、易安裝、不易損壞，并確定最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最終通過自主控制或手機(jī)以及其他的控制設(shè)備控制，使機(jī)器人在鋼管上能夠穩(wěn)定前行、清洗，并且使其具有在清洗過程中自動(dòng)控制水量等功能。

2 控制設(shè)計(jì)

2.1 硬件配置

該機(jī)器人采用多種模塊配合控制機(jī)器人整體的工作，核心部分是安信可的ESP32-32S控制板，它負(fù)責(zé)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)、鋼管清洗、鋼管末端檢測(cè)等功能。機(jī)器人選用了紅外光電模塊，用于檢測(cè)其清洗鋼管時(shí)是否到達(dá)了鋼管末端，防止意外發(fā)生。此外，該機(jī)器人還裝有HC-07藍(lán)牙模塊，可通過手機(jī)藍(lán)牙和APP連接機(jī)器人的藍(lán)牙透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的調(diào)試與控制，具體可控制的功能有爬行清洗功能、爬行速度調(diào)節(jié)、清洗強(qiáng)度調(diào)節(jié)和抽水速度調(diào)節(jié)等；可調(diào)試的功能有爬行裝置的爬行運(yùn)動(dòng)，清洗裝置的清洗運(yùn)動(dòng)，微型水泵抽水和紅外光電開關(guān)測(cè)試。通過這些硬件模塊的功能協(xié)調(diào)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)功能。該機(jī)器人的硬件配置控制如圖1所示。

圖1 機(jī)器人的硬件配置控制

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本鋼管清潔機(jī)器人具有兩種運(yùn)行模式可選，自動(dòng)清洗模式和藍(lán)牙遙控模式，控制流程圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人的運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人開啟運(yùn)行后，可通過按鈕選擇模式。自動(dòng)清洗模式可以讓鋼管清潔機(jī)器人直接運(yùn)行設(shè)定的清洗程序，機(jī)器人在爬行前進(jìn)的同時(shí)對(duì)鋼管進(jìn)行清洗。藍(lán)牙控制模式可通過手機(jī)端對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在設(shè)置完成之后設(shè)備會(huì)自動(dòng)運(yùn)行工作。當(dāng)檢測(cè)傳感器檢測(cè)到機(jī)器人到達(dá)鋼管交叉處時(shí)，機(jī)器人將停止工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。若要繼續(xù)下一段鋼管的清潔，需要由人將其轉(zhuǎn)移工作。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，該鋼管清潔機(jī)器人主要由爬行驅(qū)動(dòng)裝置、滾刷裝置、供水裝置、鎖緊裝置和控制部分等組成，呈包圍式。其清潔主要通過水泵1將水箱2里的水抽至滾刷裝置前端，滾刷裝置中帶有軟毛刷4的滾筒3開始旋轉(zhuǎn)清潔；鎖緊裝置安裝于滾刷裝置套蓋連接處，滾刷裝置通過燕尾槽與爬行驅(qū)動(dòng)裝置連接。爬行驅(qū)動(dòng)裝置具有兩組電磁鐵夾臂機(jī)構(gòu)6，每組夾臂機(jī)構(gòu)上裝有兩塊電磁鐵5，機(jī)器人可通過兩組夾臂機(jī)構(gòu)上的電磁鐵吸附于鋼管外壁，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)夾緊鋼管，斷電即松開，兩組夾臂機(jī)構(gòu)交替松緊實(shí)現(xiàn)爬行進(jìn)給。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不考慮廢水回收裝置。

圖3 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

3.2 爬行驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人的爬行驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合了爬行式鋼管外表面打磨器[9]的磁鐵吸附爬行方式和一種圓管外壁自動(dòng)爬行打磨機(jī)器人[10]的滾輪式爬行方式，如圖4所示。機(jī)器人的夾臂機(jī)構(gòu)是可調(diào)的，能夠向兩側(cè)伸展以適應(yīng)一定直徑范圍的鋼管。將機(jī)器人放置在鋼管上后，初始狀態(tài)下，后夾臂機(jī)構(gòu)和前夾臂機(jī)構(gòu)都處在同一直線上且其之間的距離處在最短狀態(tài)；通過滾輪能夠支撐機(jī)器人在鋼管上吸磁爬行快速前進(jìn)，減少移動(dòng)時(shí)與鋼管之間的摩擦。讓后夾臂機(jī)構(gòu)和前夾臂機(jī)構(gòu)的電磁鐵均通上電源，電磁鐵牢牢地吸在鋼管上，此時(shí)前夾臂機(jī)構(gòu)的電磁鐵斷電，接著通過42步進(jìn)電機(jī)背向后夾臂機(jī)構(gòu)推進(jìn)，讓前夾臂機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離機(jī)身部分一段可控距離，隨即前夾臂機(jī)構(gòu)的電磁鐵通電吸住鋼管[11]；下一步則是讓后夾臂機(jī)構(gòu)的電磁鐵斷電，通過步進(jìn)電機(jī)將自身拉向已吸牢鋼管的前夾臂機(jī)構(gòu)，隨即后夾臂機(jī)構(gòu)電磁鐵通電吸住鋼管。這已經(jīng)完成了機(jī)器人的一段基本的爬行過程，通過上述方式重復(fù)交替運(yùn)行即可進(jìn)行持續(xù)的鋼管爬行運(yùn)動(dòng)，若需要加快爬行速度，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速即可。

圖4 爬行驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

3.3 滾刷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人的滾刷裝置包括帶有齒輪副的滾筒3、直流減速電機(jī)16、主支架19、左套蓋15、右套蓋20以及軟毛刷4等，如圖5所示。當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，通過水泵將水箱里的水抽至清洗裝置的一端，同時(shí)滾刷裝置兩側(cè)的直流減速電機(jī)通過齒輪副帶動(dòng)安裝在滾筒內(nèi)的軟毛刷，使得帶有軟毛刷的滾筒繞著鋼管旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的清潔；并且可以通過手機(jī)端藍(lán)牙控制調(diào)節(jié)參數(shù)，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)清洗裝置對(duì)鋼管的清潔強(qiáng)度。清潔度的最大化需要爬行裝置和清洗裝置共同協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，滾筒直徑是固定的，通過更換不同長(zhǎng)度的軟毛刷可以在一定的直徑范圍內(nèi)適應(yīng)不同直徑的鋼管。

圖5 滾刷裝置結(jié)構(gòu)

3.4 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人放上鋼管后需要結(jié)合鎖緊，防止中途松動(dòng)掉落，為此專門設(shè)計(jì)了一種彈簧鎖緊裝置，該鎖緊裝置具有快速、方便等特點(diǎn)。鎖緊裝置由底座23、被動(dòng)推桿21、解鎖推桿24、彈簧22和兩個(gè)鎖扣25構(gòu)成，如圖6所示。當(dāng)機(jī)器人的兩個(gè)帶齒輪副的滾筒套合上后，可通過該鎖緊裝置進(jìn)行鎖緊，使左、右套蓋可以穩(wěn)定快速地安裝合攏。鎖緊裝置默認(rèn)狀態(tài)時(shí)被動(dòng)推桿會(huì)向外伸出，當(dāng)需要安裝合攏左、右套蓋時(shí)，應(yīng)手動(dòng)按住解鎖推桿使被動(dòng)推桿向內(nèi)縮進(jìn)去，同時(shí)將左右套蓋合攏，完全合攏后松開解鎖推桿，被動(dòng)推桿則會(huì)卡進(jìn)鎖扣孔內(nèi)。當(dāng)鋼管清潔完或中途停止需要拆下機(jī)器人時(shí)，可通過按壓解鎖推桿解鎖。

圖6 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

該基于ESP32的智能鋼管清潔機(jī)器人采用模塊化的設(shè)計(jì)，易于拆裝，便于對(duì)該機(jī)器進(jìn)行維護(hù)和技術(shù)改造，減少設(shè)備成本的同時(shí)提高設(shè)備的利用率。且該機(jī)器人滾刷裝置的軟毛刷是可拆裝的，軟毛刷作為清潔部位容易磨損，可拆裝的軟毛刷便于更換；其次，該機(jī)器人還能夠通過選取軟毛刷長(zhǎng)度，適應(yīng)一定范圍內(nèi)的鋼管直徑，并且通過適當(dāng)調(diào)整爬行支架即可自適應(yīng)調(diào)整設(shè)備的重心，使用操作簡(jiǎn)單。該設(shè)備還具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，便于攜帶、搬運(yùn)。其制造成本和使用成本較低，適用范圍較廣，具有良好的市場(chǎng)前景。

目前，對(duì)于該基于ESP32的智能鋼管清潔機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)還處于初步階段，該階段實(shí)現(xiàn)了其大部分應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能并將其簡(jiǎn)單試驗(yàn)應(yīng)用于一段距離的水平鋼管。但其并不具備完善的功能使其適應(yīng)較大的工作場(chǎng)合，具有一定的局限性，但本研究將會(huì)持續(xù)改進(jìn)。