目前，国内铝电解企业的电解槽温度测量、液位监测、故障跟踪和日常巡视数据录入等大量工作仍需人工完成，且电解铝槽内部电解液需通入电流强度为200~300 k A的直流电，使得铝电解作业场所充斥着强磁场和有毒有害气体，并伴有大量噪声，巡查人员无法抵近巡视，导致巡查工作不全面，不利于掌握运行设备的实时工作状态。此外，由于铝电解的生产工艺要求原因，导致厂房结构设计复杂、占地面积较大，因此，传统人工巡检面临着作业劳动强度大、工作效率低等问题，尤其当突发性事件出现时，巡查人员的生命安全受到严重威胁。铝电解槽应用场景如图1所示。

电解铝是以熔融冰晶石为溶剂，氧化铝为溶质，以碳素体为阳极、铝液为阴极，在950~970 ℃下通入强大的直流电后，电解槽内的两极上发生电化学反应。根据电解铝工艺，电解铝车间直流电流产生的静磁场，因此机器人设计过程中要充分考虑静磁场与电磁干扰的影响。基于上述背景，中煤科工集团沈阳研究院有限公司（以下简称中国煤科沈阳研究院）开展电解铝槽巡清扫巡检机器人技术研究。

图1 铝电解槽应用场景

电解铝槽清扫巡检机器人技术原理

电解铝槽清扫巡检机器人本体由轮式底盘、清扫机构、吸尘机构、积尘箱、卸料机构、供电系统、通信与导航定位模块等组成（图2、图3）。采用大功效四轮差速底盘，满足坡度20°爬坡能力的动力性能，悬挂采用摇摆桥结构。为清扫机构提供安装空间与位置，清扫刷盘布置在车体前部两侧向中间清扫，车体中间两侧布置毛刷与挡尘板，后面布置吸扒，具备磨损自动补偿功能与抬起功能；吸扒有辅助轮可实现特定地形越障，以及非工作状态抬起功能。

图2 电解铝槽清扫巡检机器人

图3 清洁机构

基于电磁屏蔽原理与特种机器人设计理论，研制强磁场下高精度高稳定性全向移动巡检机器人，其系统组成包括轮式移动底盘、智能感知系统、核心控制器、无线充电及无线网络。核心控制器作为“大脑”，负责机器人的底层运动控制、中间层环境信息测量和顶层数据传输；移动底盘采用四差速转向运动模式，配置摇臂式减震系统，实现机器人高越障能力、原地转向等运动性能；智能感知系统由多种传感器组成，采用多传感数据融合技术，能够实时采集机器人自身运动参数、巡检场景环境信息和特定性监测指标，实现机器人的精准感知；机器人能源供给采用电池供电方式，并基于磁耦合无线充电技术，实现动力电池的智能管理与机器人的安全高效驱动；无线网络传输则基于巡检场景的4G、5G网络布置，采用ZigBee、WiFi与蓝牙技术，即时传输机器人的姿态信息、巡检监测信息并上传至监控中心，实现数据传输的稳定、可靠。清扫巡检机器人总体原理架构如图4所示。

图4 电解铝槽清扫巡检机器人原理架构

围绕清扫巡检机器人原理架构，研制出电解铝槽清扫巡检机器人，其性能指标参数：行走速度0~2 m/s；爬坡能力≥20°；导航定位精度误差±10 mm、角度误差±5°；导航环境覆盖率≥90%；图像识别准确率≥80%；续航时间6~8 h；具备电解槽温度检测功能，检测精度±0.5°；具备电解槽液位监测报警、预警功能。

电解铝槽清扫巡检机器人研究内容及技术创新

针对强磁场环境特征，开展电解铝槽清扫巡检机器人技术研究，主要内容如下：

（1） 研究机器人稳定可靠伺服驱动系统，解析直流伺服电机磁屏蔽原理，建立伺服电机磁屏蔽模型，实现了机器人稳定可靠动力驱动。

（2） 研究强磁环境下信号降噪去干扰技术，建立电磁干扰信号模型，提出信号增强解决方案以及滤波器结构，实现了机器人模拟、数字信号精准控制。

（3） 研究高粉尘强磁场下无线数据通信技术，搭建信息完整、数据可靠传输通信协议，解决了机器人多扰动下无线数据传输误码率较高问题。

（4） 研发强磁环境下机器人关键传感感知单元，揭示传感器磁场磁化机理，给出传感器消磁解决方案，实现了机器人高可靠性智能感知。

（5） 研究机器人无线自主充电技术，建立机器人高效高机动充电控制策略，完成了机器人自主充电轨迹规划。

电解铝槽清扫巡检机器人的技术创新包括：

①采用特殊电磁屏蔽材料对机器人主要部件进行电磁屏蔽，防止电磁信号辐射影响内部电路；②通过电源隔离将关键部件单独隔离供电，防止信号通过电源串扰干扰内部传感器正常工作；③通过在主要供电回路上增加磁环等元器件，阻断电源信号中的某些频段信号，进而保护内部传感器不受外界干扰。

应用推广分析

根据市场调研，我国现有电解铝企业150 余家，据此估算，如果采用智能清扫巡检机器人代替现有巡检方式，市场规模将突破10亿元。同时电解铝槽清扫巡检机器人也适用于特高压强磁场电站巡检，全国现有电站2万座左右，如果使用该巡检机器人，市场规模将突破400亿元。鉴于当前国内强磁环境下未见成熟的智能巡检机器人产品，电解铝槽巡清扫巡检机器人的广泛推广，可以成为电解铝行业实现信息化和智能化的重要突破口，为铝业智能化建设强磁环境移动机器人设计提供可靠的技术支撑。

中国煤科沈阳研究院一直致力于特种机器人的开发，在积极深挖煤矿机器人技术领域的同时，力谋非煤特种机器人的多元化发展。中国煤科沈阳研究院已与沈阳铝镁设计研究院、中国铝业集团有限公司等国内铝业主力军达成战略合作，在实验室建设、联合人才培养等基础上，共同制定作业类、检测类、电解工业类等专业领域的机器人研发计划，打造铝镁及其他有色金属和矿山产业智能化机器人群，为有色金属冶炼行业智能化建设积累经验。当前已着手联合开发电解槽底清扫巡检机器人、电解槽料位监控巡检机器人、电解车间（地坪）安全巡检机器人、电解车间工艺参数（巡检）检测机器人、碳素生产线炭块搬运上料机器人等铝镁行业机器人集群，开展了防磁结构仿真设计、防磁关键感知元器件选型等工作，为铝镁行业机器人研制提供了技术支撑。部分仿真结果及试验验证如图5、图6所示。

图6 强磁环境模拟仿真试验

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