简析智能挂轨巡检机器人在原料仓中的应用及巡检技术改进

摘 要： 近年来随着工业的发展，机器人在工业生产中的应用将会更加广泛，对于机器人的软件控制技术的要求也会越来越高。文章详细分析了智能挂轨巡检机器人在原料仓中的应用，重点从机电设计的角度加以阐述，同时介绍了智能巡检技术和应用情况。

关键词： 智能挂轨;有轨巡检;机器人;视觉监控;缺陷检测

一、 引言

文章以上海宝钢原料仓巡检机器人工程为例，阐述了智能挂轨巡检机器人在原料仓中的应用分析及巡检技术。现场巡视内容主要对输送皮带机进行监控并做到影像回传。机器人具备自动巡检功能，同时也能远程遥控，巡检轨迹覆盖原料区区域。根据厂房钢架结构图纸、机电管线的梳理规整，因地制宜地进行机电、软件上位机的设计施工，制订出符合最终效果与经济效益的设计方案并统一执行。

二、项目概况

该项目属于智能巡检代替人工巡检的改进优化项目，该项目最大的挑战是项目不同模块需求的处理，设计布局要互不干扰，并行设计施工。就我国来说，宝钢可以算得上是规模最大的钢铁企业，该公司不但品种规格最为完备，而且在技术含量以及产品附加值方面也都是首屈一指。本次项目应用场所为宝钢原料区输送皮带机巡检，原料区输送皮带机作为关键部位负责钢厂原料及助剂。皮带机在运行过程中容易造成传输带卡阻、跑偏、撕裂、堆料甚至输送带断裂的情况，严重影响相关系统的运行效率以及生产安全性。由于其安装位置及使用特性，且发生问题往往不易判断、时间上也不可控，因此需要尽可能地24小时内高密度机器代替人工监控才能防范风险。

三、 智能挂轨巡检机器人

（一）系统架构

以巡检机器人、轨道系统、供电系统、通信系统、后台管理系统为主体部分组合而成了整个智能巡检机器人系统。此项目中，配备了环境数据采集传感器、红外热像仪、高清相机和拾音器的巡检机器人是系统最为核心的部分，可实现对巡检数据的采集。巡检机器人在监测区域内的移动需要依靠轨道系统的设计，其包括了吊架组件和机器人行走装置的运行轨道本体。供电系统中采用分布式充电站来为蓄电池充电，保障机器人的续航，并对监测区域和巡检路线的实际情况充分考量，科学合理地确定了充电站的位置。原料仓中采集到的各类数据需要通过通信网络来传输，通信基站作为网络的接入设备和交换中心，与机器人之间通过无线网络方式进行互通。后台管理系统包含了后台服务器、交换机、显示器等，负责展示中心和机器人传输数据的接收及处理，通过有线连接方式与通信基站互联。总体的系统架构示意图如图1所示。

（二）子系统架构

1. 巡检机器人

巡检机器人是智能巡检机器人系统的核心，能够以全自主或遥控方式对输料系统进行巡检，完成预设的巡检任务。此外，机器人还配有自动除尘系统，能够通过风力除尘的方式为机器人表面除尘。

2. 轨道系统

机器人轨道采用平行双管轨道，轨道竖向尺寸小，整体安装尺寸需求空间小，工程施工方便。轨道材质为高强度铝合金预制轨道，集中载荷承重能力不小于80 千克，表面经氧化防锈处理，既能提高抗腐蚀能力，又可以提高表面的硬度，增加抗磨损性能。（图2）

3. 供电系统

巡检机器人采用本体蓄电池供电和分布式接触充电相结合的供电方式。根据巡检线路的长度，沿轨道布置多个充电站。机器人本体配备大容量磷酸铁锂电池，结合系统完善的电源管理策略，达到长期自动运行的目的。

4. 通信系统

通信系统采用光纤环网组网，为机器人提供高效、稳定的网络带宽，可以保证系统所有的控制信号、视频数据、音频数据及报警信息等数据能够实时可靠传输。同时，机器人能够在各个AP之间漫游，AP切换时间不大于10ms。

5. 后台管理系统

后台管理系统软件采用B/S架构设计，主要由实时监控模块、数据统计模块、报表系统、地图编辑模块、任务管理模块、系统设置模块和系统集成模块等组成，能够管理巡检机器人，并具有数据分类储存、统计、检索、报表输出、智能分析等多种功能。

（三）视觉监控

相比较于传统的视频监控，此系统中将计算机视觉与人工智能相结合并采用了智能视觉监控，通过高清相机自动分析采集许多图像序列，以此来对监测场景中的环境状況和运动物体进行定位、跟踪和识别，实现对整个原料仓区域以及各通道的全方位监控，缺陷信息保存及上传服务器端，并处理后发送至移动端信息报警。

四、 智能挂轨巡检机器人在原料仓中的应用

智能挂轨巡检机器人在原料仓中的应用，主要包括原料仓的机电系统的设计，机电设备能够划分成控制系统以及执行机构。针对机电执行机构来说，通常涵盖了以下两部分，一个是驱动元件，另一个是机电执行机构;而对于控制系统而言，它的工作核心是依靠传感器所接收到的信号，经过计算之后可得到相关的控制策略。同时，在对楼宇智能化系统中的机电设计时，应采用传感器技术，为系统提供丰富的数据信息来源。此外，应合理选择机电控制系统的控制算法。同时在原料仓的机电设计中，可采用机电一体化技术，尽可能将多种技术加以融合，保证机电系统具有较高的智能化水平。

应用于宝钢原料区的巡视设备为输送皮带机，其巡检路径整体为“U”字形，巡视区域覆盖输送皮带机。两侧分别为1000米的直线巡视路径，现场宽度为16.6米，巡视总长度2010米。安装在云台远红外传感器负责巡视两条皮带机内测滚轮温度、传输带卡阻、跑偏、撕裂、堆料甚至输送带断裂的情况等设备情况，安装挂轨机器人的空气传感器对异常气体进行检测并及时反馈。

其中最为关键的“U”字形巡检路径，“U”字形拐弯处铺设高2.5米、宽0.5米，拐弯外圆周长1.5米，双轨道铺设，必须避开输送带发动机，互相不能干涉。对于工期安排、运行平稳、质量控制等提出了极高的要求，不能影响24小时正常生产。

五、缺陷检测及巡检技术改进

为了符合项目工期，确保项目顺利完成。其中最重要的是视觉检测缺陷图片获取，标签缺陷图片样本量至少需要上万张，现场获取照片不现实。机器视觉需要样品图片经过标记，训练，深度学习后，做成样板模型，才可以智能检测有缺陷的图片。对制订项目重要技术开会讨论，提出解决方案提出输送带传输设备，来制作缺陷的输送带图片，拍照设备包括光源、相机镜头拍照的方案，制作简易设备，来模拟生产现场环境，做出缺陷图片，满足研发样品图片大量需求。将测试方案，现场一一测试验证，确定简易方案得到落实并应用良好。视觉检测领域样品图片少困难，作为该项目的技术迭代重要依据。

在“U”字形拐弯处的云台相机通过无线网点传输设备AP上传视频影像速度卡，无法及时上传数据。 我专门制订项目重要技术开会讨论并提出了解决方案：提高AP设备支架高度、云台相机MCU处理速度、降低小车转弯时速度，控制巡检机器人的工作温度。将测试方案在现场逐个测试验证，确定高配云台相机处理速度等相关软硬件提高。解决方案实测数据，作为该项目的重要技术革新支撑。针对这些要求，专门制订了项目子专项：双管钢轨悬臂梁斜拉设计图纸实施;3米双根弯管与直管对接固定再上架安装。时间安排上，我方和宝钢生产技术协商结果，避开生产时间施工。挂轨巡检机器人经过“U”字形拐弯地方，经过多次反复测试，最终做到了平稳、稳定，音视频及传感器信息上传下达通畅，顺利通过验收，最终获得了项目参与方施工工人、质量部门技术人员、甲方领导一致好评。

另外，项目综合考虑挂轨巡检机器人在人员安全、可靠及性价比方面，对于此项目可以作为一个最优选择。它以自主或遥控的方式，在无人或少人值守的作業区域对设备和线路进行巡检，可及时发现相关设备的热故障、外观缺陷等设备异常现象，提高运行的工作效率和质量，最大限度的保障人员安全，而且还可以提升企业整体的科技含量，做到智能化的防灾减灾。我们和项目相关参与方、加工厂家、现场施工团队、宝钢技术人员紧密配合，做到了无缝对接，对于诸多复杂工程的多专业协调进行了成功的实践，积累了对于此类项目技术改进的宝贵经验。

六、 结论

智能挂轨巡检机器人在如今的工业生产体系中的应用较为广泛，在原料仓中也同样得到了应用，对于提高原料仓的管理效率发挥了重要的作用。在更多其他的各类应用场景中，可以对文章所述的智能挂轨巡检机器人技术加以推广，为社会和国家做出更大的贡献。

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作者简介：  王永昌，南京激扬智慧信息技术研究院有限公司。