肖娜 张国锋

摘 要：随着化工行业规模化的不断扩大，化工设备逐步向大型化、复杂化不断发展，化工设备清洗机器人的需求日趋增加，化工设备清洗机器人融合了移动机器人和清洗技术，成为服务机器人领域中的一种新型高技术产品，具有良好的市场前景，近年来正逐步成为一个新的研究热點。

关键词：化工设备;清洗机器人;研究现状;关键技术

中图分类号：TQ050.5            文献标识码：A

化工清洗机器人属于一种特殊的智能服务机器人，一般工作在非结构化的环境之中，作业对象是附着或者粘附在化工设备物体表面的污垢、污泥等有害、较难清洗的物质[1]。

1国内外化工设备清洗机器人研究现状

化工行业是工业机器人主要应用领域之一。目前应用于化工行业的主要清洗机器人及其自动化设备有大气机械手、真空机械手、洁净镀膜机械手、洁净AGV、RGV及洁净物流自动传输系统等。很多现代化工业品生产要求精密化、微型化、高纯度、高质量和高可靠性，在产品的生产中要求有一个洁净的环境，洁净度的高低直接影响产品的合格率，洁净技术就是按照产品生产对洁净生产环境的污染物的控制要求、控制方法以及控制设施的日益严格而不断发展。因此，在化工领域，随着未来更多的化工生产场合对于环境清洁度的要求越来越高，清洗机器人将会得到进一步的利用，因此其具有广阔的市场空间[1]。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

日本工业机器人产业早在上世纪90年代就已经普及了第一和第二类工业机器人，并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期。而今已在第发展三、四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。日本下一代机器人发展重点有：低成本技术、高速化技术、小型和轻量化技术、提高可靠性技术、计算机控制技术、网络化技术、高精度化技术、视觉和触觉等传感器技术等。

当前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上;一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术;工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术;机器人软件的设计和编程技术;运动学和轨迹规划技术;弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平[2]。

所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

2 主要研究内容

针对机器人在化工设备非结构复杂动态环境中的工作特点，采用多种软件构建从机构学到动力学玩真的综合仿真，通过试验平台验证算法的性能。

2.1探索三维空间内障碍物运动状态，分别在已知和未知条件下，高自由度机器人拓扑机构的多级避障规划空间建模。

2.2针对ADAMS软件建立的虚拟模型能很好地反映实际的物理模型和MATLAB能够帮助用户快速构建复杂控制模型的特点，将二者联合起来进行机器人仿真的设计方案，并搭建基于ADAMS和MATLAB的联合仿真平台[3]。

2.3 通过 LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA，与NI单卡式（Single-Board） RIO，整合软硬件，以便迅速设计、开发，并实施控制算法。

3关键技术

3.1在避障规划空间中采用快速遍历随机树方法得到机器人在静态或已知动态障碍物信息的工作空间全局路径规划，并根据机器人拓扑连接关系验证该路径;根据机器人刚柔耦合动力学和运动学特性对机器人进行建模并通过映射关系，得到机器人工作空间路径到关节空间的运动轨迹[4]。

3.2用SolidWorks进行机器人操作臂的建模，MATLAB对静力学和动力学方程进行数值解法的仿真，在相同条件下，在ADAMS中建立虚拟样机，进行静力学和动力学方程的虚拟样机仿真，所得各关节力及力矩与MATLAB数据进行分析对比。进行联合仿真中，通过建立虚拟样机以及控制系统模型，从而根据仿真结果，完成机器人运动规划中的动态特性分析。

3.3使用PXI-8101作为主控制器，并使用NI LabVIEW来控制硬件接口。LabVIEW因特网工具包用于编程无线局域网，USB-6210用于采集力和力矩传感器数据。用于SolidWorks的NI SoftMotion可评估并设计运动仿真，以研究机器人的运动。NI SoftMotion模块能够在SolidWorks总成中构建和配置机器人关节，使用SoftMotion功能模块来创建运动轨迹。 LabVIEW MathScript RT模块用于执行使用The MathWorks公司MATLAB编写的代码，生成步态轨迹，从而简化了跨平台安装软件的困难[5]。

4结论

在前期的研究中发现，多自由度机器人操作臂，尤其是工业机器人自主运动规划问题是制约该技术应用的主要瓶颈。而其研究的难点在于运动规划面临的复杂性，主要体现为：（1）系统模型构建的复杂性，机器人模型包括了拓扑运动学模型、运动学模型和动力学模型。在此基础上，仍需对机器人从运动学到控制系统的仿真。这些模型往往需要在不同平台上建模，通过数据和模型交互，进行综合分析，从理论角度给出其可行性。（2）综合试验平台构建的复杂性，为了实现机器人的运动规划等工作任务，需要在一个硬件平台上，将仿真模型得到的数据和仿真结果，下载到一个具体的机器人操作臂上，能够迅速操作机器人完成某项工作。该硬件平台一方面可以通过借口与仿真分析的结果进行交互，另一方面能够快速形成硬件控制系统，完成从理论分析—仿真分析/验证—试验验证的系统。

参考文献：

[1]臧义. 柔性驱动立筒仓清理机器人转动控制系统建模及简化，现代制造工程，2014，2014（4）：24-29.

[2]刁伟华.立筒仓悬挂式清洁机器人的建模与转动控制仿真，机械传动，2012，36（02）：29-32.

[3]朱煜钰， 张燕燕. 恶劣工作环境中移动焊接机器人模块化密封控制器的研究，电焊机，2015.08 ：139-144.

[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.

作者简介：肖娜（1983—），女，硕士研究生，高级工程师，主要从事化工设备结构设计、DCS控制和化工工艺优化等方面的研究工作。

基金项目：本文是2018年度河南省科技攻关项目“一种用于化工设备内部清洗的新型机器人”（项目编号：18210220406）的研究成果之一。