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密闭空间：清洁技术和基于机器人的表面清洁。

中国科学研究期刊工程，技术和科学

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摘要

突驰科技提供了现有概述的技术和解决方案来清洁大型密闭空间。特别注意清洁密闭空间的内表面。主要用于储存散装物料或液体，如筒仓。清洁封闭空间技术依赖于积聚材料，表面材料，表面材料等几个方面环境条件。本文介绍了几种清洁技术。与机器人相关的机制和机器人所研究的问题从其清洁内部表面的能力的角度进行了调查和评估。

现有的大部分清洁设备都是用来清洁整个容积的相应的密闭空间（筒仓），但不用于清洁内表面。

关键词：密闭空间;筒仓;表面清洁;清洁技术;清洁机器人；干洗；干冰清洗

1.介绍

密闭空间内用于清洁表面的工作条件通常极端苛刻，工人需要整体紧身衣，头盔，面罩，耳罩和呼吸器保护。工作环境很脏，嘈杂与视力不佳和沉重的高静力负荷。事故风险是显而易见的。

关于工作环境的法律，不允许这种工作进行的时间超过30年，但实际上是，这个规定并未受到重视。工厂和设备基本上不会使用清洁和有效消毒。这项工作的原因同样是效率低下，没有其他质量控制

实施机器人或自动机械在这种危险空间内进行清洁工作取决于受限空间的大小和材料，储存的材料，清洁技术的类型。在密闭空间内开发清洁机器人应该能够承受几个挑战：表面的粗糙度，大空间中的可移动性，附接到内部的安全性和可靠性以及表面高效清洁。

本文将分析清洁和评估大型密闭空间的工作条件，例如第2节第3节调查，审查和分析应用技术和各自的应用清洁设备。第4部分介绍了基于机器人的技术来清洁大型密闭空间。第5节显示某些设计方面以何种方式导致用于大型食品筒仓的高度复杂的清洁机器人。

最后，第6节介绍结束语。

2.受限空间

组织在执行某种清洁，维护或修理操作时，定义危险环境和安全规则，这些规则工人应严格遵守。受限空间被定义为部分或全封闭空间，并具有以下特征：

•工人可以进入的足够宽的内部区域，但不能用作工作场所。

•进入或退出空间困难，这取决于孔的大小和位置。

•正常的大气压力。

•大气和物理危害。

根据上述定义，罐体，管道，筒仓，容器，容器，锅炉或隧道等结构都是如此，视为密闭空间。

受限空间中的危害：可能存在与之前储存的物质类型有关的危险

在封闭空间内，工作活动可能会产生其他危害

空间，危害可以分为几类：

•危险环境：由于有毒气体的排放，密闭空间中的大气危害增加;来自附近环境的污染;易燃或易爆气体，粉尘或蒸汽;

•不安全的氧气水平：缺氧或富氧是危险的环境

在空气中氧气的含量应在19.5％至23.5％之间。氧气不足会引起疲倦和脉率升高等症状，受影响的人可能会难以撤离并可能有窒息的危险。富氧可能会引起火灾或爆炸。

•沉积：一些储存的材料可以在密闭空间形成桥梁或地壳，这将会工作人员在其上行走时会坍塌。

•其他危害：生物，机械，电气或环境危害。

因此总是建议在密闭空间之外进行工作以避免工作风险

在这样的危险区域。我们应该通过隔离污染，清洁和清洗来控制这种风险

密闭空间，检测氧气和有毒气体的气氛，通风和选择适当的保护和安全设备[3]。

筒仓是最受欢迎的密闭空间，筒仓可以存储从各种各样的材料，谷物，食品，矿石等原材料，以及非常昂贵的制造物品等。作为化合物和药物。经常使用三种筒仓：袋子，地堡和塔

筒仓。最后一种是使用量最大的，从十几千克到几千吨不等，从几厘米到几十米高。树林或砖块是建筑塔的基本材料。

筒仓，它们具有隔离和吸湿的特性。现在的钢铁，聚合物和混凝土是最常见的建筑材料。像任何结构一样，筒仓必须妥善维护从而获得最大的使用寿命。维护工作可分为三大工作：

检查，清洁和修理。业主应仔细检查内部和外部表面，寻找任何腐蚀，开裂，腐蚀或变质的迹象。在修复表面之前，进行清洁工作应该完成，修复工作从涂层或油漆表面到更换恶化区域。该内部维护是通过位于顶部不少于两个位置的检查孔完成的和筒仓底部，这些孔的大小通常很小，但足以让工人进入空间。

清洁是延长密闭空间寿命的重要过程。存储的材料和它们的残留物通过侵蚀有限空间的结构或通过污染新的有害的物质而具有不利影响新鲜的材料。对于密闭空间，可以区分两种清洁类型：

•批量清洁：附上几件作品，如清除材料堵塞物，污泥或其他任何工艺都能保证储存材料的连续流动和整个使用过程空间。

•表面清洁：主要去除堆积物，污染物和污染表面，并保证卫生。

3.密闭空间的清洁技术

清洁技术涉及在有限空间中使用的方案来提高效率

从旧材料到新材料传播污染的风险。 清洁表面的方法可分为水清洁，干冰清洗，机械清洁和化学清洁

3.1高压水水清洁

图1：喷水技术，一名工人在密闭空间使用高压枪清洁泥罐

在一台石油钻机支架上（左图），通过降低水箱内的喷水嘴进行水箱清洁（右图）

在这项技术中，水或任何其他液体溶剂被用来清洁密闭空间中的表面，最流行的技术是水爆。水喷射：是一种高压水驱动的过程，速度通过专门设计的喷嘴投射在表面上。喷水用于应用

从去除堆积材料，残渣，油漆，锈蚀到混凝土拆除。水压和清洁过程的速度，所有这些都可以调整 - 控制清洗质量。使用此方法作为表面处理的最后一步。它的主要限制是废水的收集和处理，以及湿度。必须立即清除过程中的碎片，以防止它们凝固，清洁后表面在较长时间内保持潮湿。这项技术有几个优点，就是这样被认为是绿色技术没有灰尘和有限的噪音水平，没有机械振动强制结构，而且它是一项快速技术。

3.2干洗

在干洗中，有几种技术可用来清洁密闭空间，释放加压气体清洁，喷砂处理，加压喷气和机械清洁。释放加压气体：这种技术是大多用于去除堵塞的材料，最常见的工艺是：

•Cardox [4]：CARDOX管（图2（a））充满液态二氧化碳，涂上一小块电荷激发CARDOX管，液态二氧化碳转化为气体。一个排放喷嘴释放膨胀的CO2并产生强大的推力达到压力

高达3000巴，一次爆炸可以驱逐大量堵塞物。

•空气炮[5]：空气炮或空气炮是一种散装物料清除装置，由两个装置组成

主要部件：储存加压空气的压力容器和触发机构释放高压加速压缩空气一套空气炮永久安装在料仓，料箱和料斗上墙壁（图2（b））。它们用于粉末状的所有材料，以防止粘连，桥接，拉伸，拱起并允许最大的存储容量。

a Cardox管                  b 空中大炮[5]

图2：释放的加压气体技术，

coustic清洁剂[6]：声学清洁通常用于清洁干燥材料和微粒的积聚，并确保筒仓中储存材料的最大连续流动。声学清洁取决于共振现象用于疏松存储材料本身的颗粒与材料之间的粘合

颗粒和容器表面。声学清洁器由一个波发生器组成，强大的基础声波和将基础声波传输到选定基波的钟形部分频率在60-420Hz之间。吸尘器由设备的标准压缩空气启动在定期的时间间隔几秒钟。

磨料喷射：在这种清洁操作中，磨料流在高压下被引导以高速清除表面污染物并为进一步处理准备表面。那里有两个研磨材料的主要类型：非金属和金属，材料如碳化硅，海绵，玻璃

包括小珠，碳酸氢钠（小苏打），塑料喷砂介质，沙子。非金属磨料用于精细操作，如清洁从污渍或霉变的表面，或清洁油或油脂机械的运动部件。而金属研磨材料包括钢丸和砂砾，锌切丝，镍渣，铜渣或碳切丝。金属的研磨剂用于清洁金属表面和硬质表面，如混凝土和石材，它也被用于粗糙光滑的表面。

•干冰喷射：干冰颗粒是固体形式的二氧化碳干冰喷射是一种有效的方法在食品工业清洁过程中去除设备表面微生物的污染使用传统的微生物学方法无法检测到。用干冰清洗的过程迅速，因此在筒仓清洁中使用的比较多。优点是它不带来任何污染，它都适应环境的需求，不会破坏一点表面。

•抛丸：这种抛光方法用于金属和混凝土表面清洁和清理准备表面进行进一步处理，如涂层，喷漆，焊接。最终的结果清洁的表面取决于磨粒的物理性质（质量，形状，尺寸，

硬度），鼓风速度，以及冲程的覆盖度和密度。使用两种技术：喷砂和喷砂。轮式喷砂被认为是环保的方法，因为没有使用有毒物质，并且没有浪费。在喷气时，主要的缺点是

废物和工作环境中产生的灰尘。

干冰

图3：使用高压空气射流的筒仓潜水员

高压空气射流：该过程使用压缩空气，通常用于大型食品筒仓不建议使用湿式清洁。气枪的喷嘴，将压缩空气引导到喷嘴上表面，确定负责吹制积聚材料的推力。压缩空气是

用于去除面粉，糖，谷物，煤和粉煤灰等不同类型的建筑材料。一个普通的容器或筒仓的清洁过程可减少污染并保证储存的最大流量材料。设施中的空气源（6-10巴）通常足以满足最多的清洁要求。一些难以清洁的过程需要更强大的推力，因此，提供高空气量的移动式压缩机，清洁过程中最常见的方法是降低内部工作人员。

容器（图3），其使用加压空气来清洁容器内表面。工人应该佩戴个人防护装备以保护他的身体。在一些工具中，清洁空气喷嘴是通过现有的小孔插入容器中，仅适用于清洁工具。那时的操作从容器外部遥控。这项技术是安全的，完全干燥，但其主要

缺点是筒仓中产生的强烈灰尘。

3.3 机械清洁

由于没有添加其他材料，因此机械清洁操作产生的危险废物量最少操作。 机械清洁可提供各种清洁和表面处理选项通过使用手动或自动工具进行处理：

•刷涂：使用不同类型的刷子（钢丝刷或塑料刷）清洁表面上的灰尘，油脂，污垢或积聚材料。 拉丝表面准备进一步处理，如焊接。

•研磨：可以通知两种类型的研磨：通过使用旋转磨料进行强力研磨石头或圆盘，从表面清除最困难和最困难的堆积材料。 抛光（软研磨），使用带有抛光膏的织物或纤维布，清洁表面上的污垢，油脂，腐蚀，变色等

•振动器：用于去除散装物料，它们很容易装入密闭空间，但可能导致结构损坏。

•冲击工具：有效地使用手动装置，例如灌木锤，凿子和针枪去除表面污染（图4）。 自动冲击工具使用液压或气动激活清洁工具的电源，命令将来自密闭空间之外。 对于

例如，在用于筒仓清理的专利设备[7]中，该设备清洁筒仓中的剩余物料

通过撞击它们来限制空间，并将设备悬挂在顶部并由鼓驱动。

图4：工人使用冲击工具在仓内进行清洁

3.4化学清洗

化学清洗过程主要用于清洗不需要的残留物和有机物污染物设备表面，管道，容器和水壶。几个因素决定了化学清洁的选择。

过程：污染的性质，要去除的氧化类型，清洁程度，环境限制，以及可以使用各种化学品的成本。酸洗被认为是最常见的化学品清洁过程用于去除金属表面上的氧化物和铁污染物。酸洗必须是然后用清洁的自来水彻底冲洗，并用酸性污染的废水因此必须收集并中和溶解的重金属（铁，铬，镍）。一般来说，清洁化学法是一种易于清洁的工艺，具有非常好的清洁度，而它是主要的缺点是残留物。在对使用过的清洁技术进行了这样的概述后，选择其中一种技术取决于三种技术应该明确界定的方面，密闭空间的表面类型，材料的类型存储，以及清洁的目的是什么。

4.干冰清洁机器人

控制密闭空间风险的基本要素是在不进入空间的情况下进行工作，因此有很多机器人和机器人被发明来做这个工人的工作。 在下面我们将介绍其中的一些机制：

4.1暂停机制

A普通机制             b 配套干冰清洗机制

图5：暂停机制

悬浮干冰清洁机构被认为是承担高空筒仓的最佳解决方案。在这清理设备通过绳索[8]或梁[9]以及所有的绳索悬挂在密闭空间内控制命令是在有限空间之外完成的。有两种设备的专利清洁或去除密闭空间表面的堆积材料。不同的清洁技术在这些设备中使用。在专利[10,11]中使用加压空气喷射来清洁表面。声学清洁技术在[12]中被采用。在[13,14]使用湿法清洗技术。专利[15,16]使用机械清洁技术。大多数这些设备易于控制，他们需要一个或两个工作人员的团队来处理它们，那些用来去除堵塞的机制非常有效。虽然主要缺点用于大型筒仓表面清理的设备一方面是清理原因的不准确性没有关于表面清洁质量的反馈，另一方面没有任何机制在垂直运动和清洁过程中稳定机构。液压或气动

普通机制：这种机制被工业领域的清洁公司广泛使用（图5（a））。它有一个伟大的

除去鼠洞堵塞的效果，很容易附着在筒仓顶部的人孔上。它可以被操纵由一个操作员通过从筒仓外部的简单控制操纵清洁头，伸缩吊杆伸入筒仓中，引导软管并握住鞭头，旋转的挠性鞭子附着在筒仓上清洁头对积聚的松散材料具有切割作用，使其掉落和不使用

破坏筒仓的墙壁。通过上下移动或旋转吊杆，鞭子可以清洁大厅空间，鞭子可以清理高度达60米，直径达18米的筒仓。液压或气动钻机：这种机制与Whip机制一起工作，也用于去除桥梁堵塞（图5（b））。这种机构很容易连接到筒仓顶部的人孔或固定在地面和螺旋钻上从筒仓底部的检查大厅进入。

Silo-RoboFox [17]：是一种用于饲料筒仓的移动式可用干冰清洁机器人。 RoboFox在a上下驱动由铝制成的垂直领导杆，它牢固地卡在筒仓的中心，带有绞盘的电缆绞盘减速电机用于调整机器人的高度。另外还有一个围绕自身轴旋转的机器人清洁工具的移动确保达到筒仓中的每个点。它可以调整到不同的筒仓直径（图7）。一个清洁程序是由第一个柔软的课程与热水和清洁剂。第二个操作包括在高压下施加水的主要清洁工作（直到170巴;2500升水）。在第三项操作中，筒仓可以通过添加消毒剂进行消毒。干燥的食品筒仓形成了用热空气完成清洁工作。 RoboFox用于食品筒仓玉米或玉米组件容器是否充满爆炸性材料。所有垂直静止的圆形直径最小1.8米，最大5米，最大高度9米的容器（筒仓）可以

由RoboFox清理（图6）。

图6：RoboFox [17]

4.2 长距离操纵器

图7：长距离干冰清洗系统概述

刚性和灵活的手臂操纵器都被使用，它们主要用于核电站去除核废料]，用于处理任务或用于检查。 该解决方案用于最大高度可达10米，在密闭空间外需要宽阔的空间来安装机构，在大多数情况下不可用。 ReTRIEVR：改进炮塔卷绕电缆增量链接扩大吸尘机器人是一个长途机器人坦克或筒仓废物回收，成为专利。ReTRIEVR机器人系统由六个链接段组成

（总长度为18米）以及固定在末端桅杆上的六自由度机器人机器人。 （图7）。该

通过液压驱动器驱动主动关节连接节段。 手臂可以握住并引导a真空吸嘴或可能需要的任何其他清洁工具来帮助废物回收。

4.3机器人

在过去的几十年里，使用机器人系统迅速增长，特别是在危险和危险的环境中，所以我们可以在许多工业领域找到机器人：建筑和民用基础设施，石化电厂，核电站，造船。 这些机器人的主要任务是检查和测试，维护和清洁。

a突驰科技一代干冰清洗机器人  b 突驰科技二代干冰清洗机器人

图8：突驰移动机器人

移动机器人：在狭窄的空间中使用合适的工具实现移动机器人在市场上得到广泛应用作为完成风险任务的便利解决方案。在一个轻量级移动机器人的模块化设计介绍了混凝土表面的水力清除和清洁金属表面。机器人由a组成履带车和带各种清洁工具的机器人手臂。模块化和更小的机器人重量可轻松实现运输，普通施工条件下的操作和在非常狭小的空间内操纵（图8a）。一个储油罐污泥清理机器人系统（图8b）配备了铲斗铲污泥和用于清洁废水的干冰喷嘴用吸入软管收集固定在机器人上。清洁过程通过固定在机器人顶部的相机完全监控。该系统在油箱中进行测试时，显示出高效率，高安全性和环保性。该移动机器人的主要优点是安装不同类型的清洁工具和高有效载荷的灵活性。虽然在有限空间中使用移动机器人的主要缺点是，它仅用于水平表面或垂直表面的小立面。

攀爬机器人：每次作业被列为危险时，攀爬垂直表面的兴趣越来越大，可能会影响操作员的健康或安全。攀爬机器人：运动，粘附和应用。 主要的两个方面在设计攀爬机器人是他们的运动和粘附。 环境和给定的任务是主要的决定最佳运动原理类型的因素。 一般来说，四种类型的运动可以是：

•使用四肢运动给机器人一个很大的灵活性避免环境中的障碍。机器人可以有两条腿，八条腿和四条腿采用更安全，高负载能力。这些优势将使复杂化控制系统，提高机器人的体积和重量，降低运动速度。每脚装有粘合剂组件，例如吸盘，抓握器或磁性组件装置，这些装置能够牢固和稳定地粘附到表面。

•链条和轮子驱动的运动：轮式或履带的最大优势运动是快速连续的运动和更简单的机械结构和控制元素。使用两个驱动轮，吸盘和真空发电机保持系统的运行独立于表面材料。 磁轨在铁磁性表面上移动以对其进行非破坏性检测，大型油船船体外表面和浮式生产储油卸货

图9：腿部和轮子驱动的运动干冰清洗机器人

•滑动框架运动：这些系统通过两个系统提供了一个简单的机械结构可以以线性或旋转方式相互移动的框架。一般来说，每一帧都是配备了一组吸盘或磁铁等附着点，并将机器人保持在墙壁上，第二框架被抬起并沿期望的方向移动。这可以轻松控制机器人的运动结合安全粘附，因为系统可以在抬起第二个框架之前测试其底座点。与轮式或履带式车辆相比，该原理的缺点仍然是低速，由于棒 - 移动 - 棒 - 移动循环的不连续运动，相当大的尺寸，和

穿越裂缝和障碍物的困难。

检查核电厂中使用吸力进行附着的圆柱形罐。在中，介绍了一种用于在造船厂喷砂处理船体的无人监督机器人，该机器人使用该机器人附着磁力。

•导轨和电缆驱动的运动：在导轨系统中，机器人的运动是由导轨的位置决定。 在有线系统中，没有驾驶机制在机器人中实现，但它可以根据其重量（重力）移动对应安装在建筑物屋顶上的小车起重机的提升力。 主要的这些运动原理的优点是系统安全，不会掉落。 铁托（图10（b））是用于建筑物立面的清洁机器人，它使用两根电缆上下移动并保持

通过使用推进力附着到表面。

图10：滑动框架和导轨运动

当需要清洁墙壁时，要解决的主要问题是如何使清洁工作可靠地粘住设备到垂直表面。 攀爬机器人的附着力可以分为五类：吸力，磁力，机械力，静电力和仿生力。 后两者的附着力还需要进一步提高才能承受有效载荷。 在狭窄的工作环境中，使用吸力，磁力和机械附着力，因为它们具有强大的附着力并且支持大的有效载荷。

•吸力：使用负压力粘合是最常用的粘合方法。三种不同类型可以区分：被动吸盘，主动抽吸室和推力系统。无论采用何种材料，吸力都可以强力粘附在表面上如玻璃，金属和水泥。主要缺点是密封件中的任何间隙都会使粘合力丧失，使用几个吸盘可以克服这个问题。因此，这种类型的粘附通常用于相对光滑，无孔且无裂纹的表面。

•磁力：使用永久磁铁或电磁致动器可以产生高附着力可以承受大载荷的力。主要的缺点是它只能是施加在铁磁性表面上。锅炉水冷管维修机器人（图11（b））具有多任务操作装置，包括灰分清洁，排渣，厚度测量和符号标记。该运动通过双轨道和粘附是通过永磁块固定在轨道上，并设计成适合管子的形状。一个大的有效载荷能力和通过障碍是带轮式爬坡机器人的主要特征结构磁性附着单元。它用于焊接和检查一些大型设备。

•机械力：粘附力基于爪，旋转或抓取设备，机器人使用表面的粗糙度来为脊椎提供良好的吸引点并且使用突出元素或结构来抓住它们。主要优势在于沿着复杂的旅行环境和安全。另一方面，这样的系统不是很快，而且是有限的可操作性。

图11：攀爬机器人的不同附着力

5.讨论大型食品筒仓清洁机器人的设计问题

清洁表面的机器人非常有趣的领域是清理大型食品筒仓的任务。 典型的食物筒仓为圆柱形，高20至30米，直径4至8米，有水泥表面。 至少有一个圆形（直径80厘米）或矩形（80×80厘米）检查孔放置在筒仓顶部，通常不是放置在筒仓的中心垂直轴线上。 到目前为止，这些垂直结构的清洁是由手工完成的。通过检查孔降低称为“筒仓潜水员”的工人。 突驰科技开发一种能代替人的机器人，同时满足以下设计要求。

•机器人的外形应该紧凑/可折叠，以便能够通过小孔进入筒仓;

•机器人必须能够在筒仓内移动，以便从上到下扫描整个高度，让机器人从上到下扫描整个高度清洁工具到达内表面的每个点;

•机器人在清洁过程中应该保持位置，机器人应该承受反作用力的清洁过程;

•可以携带相应的清洁工具和辅助设备;

•对内部筒仓环境的感知，更具体地说是对其质量评估的表面清洁过程。

表1总结了清洁技术和有用的清洁机构类型的组合清理大型食品筒仓。 可以说，暂停的机制需要一个非常复杂的指挥系统清洁整个大表面。 远距离操纵器通常不适用于远距离处理任务超过15米。 攀爬机器人在水泥和粗糙地面上无法使用的主要制约因素突出物是如何保持机器人在清洁时粘在表面上。 人们可以总结一下，那就是清洁大型食品筒仓，干冰清洁机器人应该能够承受几个挑战：内表面的粗糙度在大空间中的可移动性，附着到内表面的安全性和可靠性以及高效率清洗。

表1：大型食品筒仓清洁任务的不同清洁技术和机制的适用性。

我们提出了图12所示的筒仓清洁机器人概念，似乎满足所有这些要求。

可折叠机器人的形式使其能够从小型沙井进入。由于极端恶劣的粘附条件，唯一可行的方法是将带有清洁工具的机器人悬挂在与墙壁等距的地方。垂直通过改变悬挂钢缆的长度来改变机器人的位置。除了机器人的垂直运动之外，清洁工具围绕筒仓轴线的旋转运动允许清洁机器人整个表面。在清洁过程中强烈需要稳定机器人以避免物理伤害工具与墙壁之间的相互作用可能会损坏工具。这可以通过使用最少三个来实现支撑与墙壁接触的臂（图12（b））。另外，这些手臂爬行爬行/爬下的运动。

图12：筒仓内干冰清洗

六，结论

在本文中，对已经应用的具有高潜力的密闭空间内的清洁技术进行了调查已经提出了筒仓和大型储罐等大型封闭空间。

讨论了两种主要的清洁技术，高压水清洗和干冰清洗。清洁技术取决于存储在空间内的堆积材料的类型以及封闭的表面材料类型空间。用于清洁和检查大型密闭空间的机器人和机构解决方案，检查。大多数机器人用于有效负载太小的检查和维护任务。进一步，介绍了机器人运动以及吸引垂直结构的不同原理。最现有的清洁机器人用于小型和金属密闭空间。

作为一个结论可以说，清洁受限空间和内部表面的领域形成了一个现有商业产品无法满足的具体要求数量。到目前为止，仍然在降低一个空间内的工作人员是最常用的技术，只有一些机器人方面的特殊解决方案存在仅限于特定设置或特定环境的原型。因此，在进一步的研究

未来可以设计专门的机器人用于大型密闭空间的清洁和卫生。

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