室外高空軌道式可移動(dòng)巡查機(jī)器人的研究

王盟锜

（山東省青島第二中學(xué)，山東 青島 266100）

0 引言

研究此項(xiàng)目的目的是為了改善工礦企業(yè)工人的工作狀況，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，提升工作空間，提高工礦企業(yè)工人的工作效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)減員增效從而使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前工礦企業(yè)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，通常是由工作人員定時(shí)定線路對(duì)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)以確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。常規(guī)安裝的監(jiān)控系統(tǒng)的方式為對(duì)應(yīng)被監(jiān)測(cè)目標(biāo)定點(diǎn)安放攝像裝置。這樣的安裝方式不僅占據(jù)了有限的工作空間，而且在對(duì)設(shè)備維護(hù)的時(shí)候需要移動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，這樣在恢復(fù)觀測(cè)設(shè)備使用的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的重復(fù)性工作，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，日常維護(hù)的工作量相當(dāng)大。

另外在石油化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等行業(yè)的反應(yīng)釜被大量使用，由于介質(zhì)的腐蝕性、反應(yīng)條件忽冷忽熱，加上使用操作不規(guī)范、人為等問(wèn)題，并由此造成停產(chǎn)、安全事故及環(huán)境污染等不可預(yù)計(jì)的損失，所以在設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候需要工作人員長(zhǎng)時(shí)間的隨時(shí)通過(guò)觀察窗進(jìn)行查看[1]。

如果使用軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人完全可以代替人工巡檢，使巡檢工人從惡劣的環(huán)境中解脫出來(lái)，這將使巡檢過(guò)程更加安全、可靠、數(shù)據(jù)更加真實(shí)，成本更低。特別在工礦企業(yè)局部發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，可切換到手動(dòng)操作方式對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行遙控操作，從而實(shí)現(xiàn)遙控探險(xiǎn)作業(yè)，收集險(xiǎn)情信息，對(duì)事故搶險(xiǎn)工作起到不可替代的作用。

為此，本文將軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人作為重要課題來(lái)研發(fā)。

1 軌道式機(jī)器人的構(gòu)成及功能

軌道式可移動(dòng)監(jiān)控機(jī)器人本體主要由步進(jìn)電機(jī)及變速傳動(dòng)裝置、車輪、蓄電池、充電插頭以及機(jī)加工件和外殼組成，本體在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，使左右的4個(gè)車輪在軌道上行走，由于機(jī)器人通常在特定的工作環(huán)境下工作，故對(duì)此進(jìn)行一些特殊的設(shè)計(jì)處理，使其達(dá)到如下功能：

1）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人良好的防護(hù)功能，使機(jī)器人能在特定的環(huán)境中正常工作。根據(jù)使用環(huán)境狀況，用途等要求來(lái)確定防護(hù)方式。

2）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人防腐功能，考慮部分環(huán)境具有腐蝕性介質(zhì)，在防腐設(shè)計(jì)方面采取一定的防腐措施。

3）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人保證工作的可靠性，必須能以重復(fù)的和預(yù)定的方式完成客戶巡視計(jì)劃和規(guī)定的數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)。

4）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人具有良好的適應(yīng)性，軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)電源智能控制，實(shí)現(xiàn)自充電、自動(dòng)巡檢功能。

5）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人具有良好的易用性，機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)。因此，便于維修檢測(cè)，便于更換相關(guān)傳感器等部件。

6）軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性可觀，一般有人值守系統(tǒng)都是2人3班制度，采用軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人后，值守人員只需要定期巡視檢修即可，平時(shí)的值守任務(wù)可以由機(jī)器人完成，客戶可以隨時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程音頻、視頻和相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)警信息對(duì)所在場(chǎng)所設(shè)備的工作情況進(jìn)行全面了解。

2 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人系統(tǒng)融合了電子技術(shù)、儀器儀表、自動(dòng)控制、機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、無(wú)線傳輸及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，均涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域巡查的機(jī)器人智能化，首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題如下：

1）機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題。

2）巡查機(jī)器人軌道行走與制動(dòng)定位問(wèn)題。

3）整體機(jī)器人自動(dòng)充電問(wèn)題。

4）所檢測(cè)的信息遠(yuǎn)傳輸問(wèn)題。

5）數(shù)據(jù)、圖像軟件集成技術(shù)問(wèn)題。

6）夜間攝像監(jiān)視技術(shù)問(wèn)題。

3 理論基礎(chǔ)

利用所學(xué)過(guò)的物理知識(shí)，研發(fā)這種軌道式可移動(dòng)巡查機(jī)器人，能解決以上問(wèn)題。所用知識(shí)點(diǎn)如下：

1）電學(xué)技術(shù)知識(shí)：應(yīng)用于本項(xiàng)目的直流電機(jī)的控制、信號(hào)無(wú)線傳輸、電池電壓檢測(cè)與自動(dòng)充電。

2）牛頓第三定律：機(jī)器人在軌道上行走時(shí)的機(jī)械特性，兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，總是同時(shí)在同一條直線上，大小相等，方向相反。

3）射頻定位技術(shù)：應(yīng)用于本裝置行走的位置的檢測(cè)（磁感應(yīng)原理、數(shù)碼技術(shù)原理）。

4）光學(xué)知識(shí)：應(yīng)用夜間攝像頭攝影（紅外線特性）。

5）信號(hào)采集：工業(yè)數(shù)據(jù)采集。

4 研究方案

4.1 總體設(shè)計(jì)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加工難度，軌道式機(jī)器人在采用四輪驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，增加了前后限位輪。由于軌道式機(jī)器人是在固定軌道上行走的，存在轉(zhuǎn)彎半徑的問(wèn)題，本方案通過(guò)增加前后限位輪的方式，使機(jī)器人在前后運(yùn)行過(guò)程遇到彎道時(shí)，通過(guò)限位輪進(jìn)行彎道行進(jìn)調(diào)整，從而用極低的成本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能。

高性能直流減速電機(jī)可以滿足軌道機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行和25°以內(nèi)的上下坡功能。由于本軌道巡檢機(jī)器人的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)自帶減速機(jī)，所以能有效地防止軌道式巡檢機(jī)器人停留在允許坡道的時(shí)候保持靜止，防止溜車。

防止機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中被障礙物阻擋而發(fā)生事故，軌道式巡檢機(jī)器人的前后端都裝有超聲波傳感器，從而讓軌道式巡檢機(jī)器人有了避障的能力。為了遠(yuǎn)程控制機(jī)器人行進(jìn)距離，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定點(diǎn)測(cè)控，本方案通過(guò)在軌道上安裝無(wú)源射頻卡的方式進(jìn)行軌道式巡檢機(jī)器人的行進(jìn)定位。軌道式巡檢機(jī)器人的測(cè)控軟件通過(guò)機(jī)器人運(yùn)行速度和定位標(biāo)簽的雙重校正方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在軌道上的定位，從而用戶可以通過(guò)測(cè)控軟件將機(jī)器人遙控到軌道上的預(yù)定位置。

采用無(wú)源射頻卡的定位方式，具有很高的實(shí)用性、準(zhǔn)確性和高性價(jià)比。因此，本方案可以適應(yīng)線路曲折或長(zhǎng)距離的用戶定位需求部署。

4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用“采集—中繼—接收”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，這3類節(jié)點(diǎn)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線局域網(wǎng)。機(jī)器人攜帶采集節(jié)點(diǎn)，將視頻信息由多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇最優(yōu)路徑發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)，PC控制端通過(guò)接收節(jié)點(diǎn)逆向控制機(jī)器人的行為，如圖3所示。

圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of robot ontology structure

圖2 機(jī)器人軌道安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of robot track installation

圖3 系統(tǒng)框架Fig.3 System framework

無(wú)線傳輸因?yàn)楣β氏拗茊?wèn)題，當(dāng)機(jī)器人與信號(hào)收發(fā)網(wǎng)橋距離太遠(yuǎn)時(shí)，或者在拐彎處出現(xiàn)信號(hào)衰減時(shí)，需手動(dòng)加入無(wú)線中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)保證視頻、數(shù)據(jù)的正常傳輸。

4.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集部分由移動(dòng)機(jī)器人控制PLC、傳感器、IP攝像機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋等模塊組成。

機(jī)器人控制系統(tǒng)采用上下兩層的控制結(jié)構(gòu)。其中，控制器作為底層的控制以及機(jī)器人本身傳感器的數(shù)據(jù)采集處理器；車載計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)信息的處理器以及附件的擴(kuò)展平臺(tái)。

機(jī)器人采用西門子Smart200 PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)紅外溫度傳感器、煙霧傳感器等現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和機(jī)器人行走、定位、自充電等動(dòng)作進(jìn)行控制。攝像圖像和音頻信號(hào)通過(guò)無(wú)線Wi-Fi橋接回路和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)一起傳輸?shù)杰壍朗娇梢苿?dòng)安全巡查機(jī)器人綜合管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號(hào)等信息的全集成[2]。從而使遠(yuǎn)程用戶擁有身臨其境般的測(cè)控感受同時(shí)，精確觀測(cè)、記錄現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，完全替代了有人值守系統(tǒng)中的抄表、就地人工操作等功能。因此，軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人可以極大地提高工業(yè)用戶的管理水平，同時(shí)減少了巨額的人工成本和管理成本。

另外在一個(gè)工廠的多個(gè)車間或者不同區(qū)域，用戶可以通過(guò)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)將多地部署的軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人，同時(shí)接入到軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)軌道式可移動(dòng)安全巡查機(jī)器人的集群控制和數(shù)據(jù)整合，從而為整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘提供了豐富而統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。

4.4 系統(tǒng)集成圖（見圖4）

圖4 系統(tǒng)集成圖Fig.4 System Integration diagram

5 主要技術(shù)原理及技術(shù)方法

5.1 自動(dòng)充電裝置技術(shù)原理及方法

主要由蓄電池、電源管理單元、充電插頭組件組成（如圖5所示）。電源管理單元檢測(cè)到蓄電池電量低于規(guī)定值時(shí)，會(huì)向控制單元發(fā)出充電指令，控制單元會(huì)自動(dòng)將機(jī)器人移動(dòng)到指定的充電位置進(jìn)行充電，充電完成后，向控制單元發(fā)出充電完成的信息，等待巡查的指令[3]。

圖5 自動(dòng)充電裝置組成示意圖Fig.5 Diagram of the composition of the automatic charging device

軌道式巡檢機(jī)器人，在自動(dòng)巡檢狀態(tài)下，在電量低于安全值時(shí)會(huì)自動(dòng)回到充電樁的位置進(jìn)行充電。其過(guò)程是：當(dāng)軌道巡檢機(jī)器人自檢到缺電時(shí)，自動(dòng)返回到充電樁，并自行將充電插頭進(jìn)行對(duì)接。當(dāng)充電插頭對(duì)接到位后，充電樁和軌道巡檢機(jī)器人的充電回路閉合，此時(shí)進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)軌道巡檢機(jī)器人充電完畢后，軌道巡檢機(jī)器人與充電樁自動(dòng)斷開充電回路，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)與充電樁脫離，繼續(xù)進(jìn)入自動(dòng)巡檢狀態(tài)。

在軌道式巡檢機(jī)器人處于遠(yuǎn)程手動(dòng)遙測(cè)的情況下，用戶可以在選擇到手動(dòng)模式后，通過(guò)手動(dòng)方式遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人進(jìn)行充電。

5.2 信息遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)原理及方法

信息遠(yuǎn)程傳輸主要由無(wú)線網(wǎng)橋、485通訊模組、戶外無(wú)線基站、NVR及磁盤陣列等部分組成，采用Wi-Fi技術(shù)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)使網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的信息傳輸功能。控制人員可以從計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析機(jī)器人傳回的圖像、音頻和數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)機(jī)器人靈活和實(shí)時(shí)控制。

另外在軌道式巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，還可以根據(jù)用戶需求加載其他的無(wú)線通訊收發(fā)裝置，從而實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線通訊方式的并存使用。

5.3 圖像、音頻信號(hào)的采集處理技術(shù)原理及方法

1）圖像的采集

攝像機(jī)主要為IP數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。其主要作用是將現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)和音頻信號(hào)進(jìn)行采集。攝像機(jī)所采集的信號(hào)通過(guò)無(wú)線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)平臺(tái)軟件，并通過(guò)硬盤錄像機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和回放管理。用戶可以通過(guò)平臺(tái)軟件對(duì)移動(dòng)軌道巡檢機(jī)器人上的攝像機(jī)的角度進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定向觀測(cè)。

2）音頻信號(hào)的采集和語(yǔ)音對(duì)講

對(duì)于簡(jiǎn)單聲音采集需求，本系統(tǒng)可以將現(xiàn)場(chǎng)音頻信號(hào)通過(guò)攝像機(jī)自帶的拾音器將現(xiàn)場(chǎng)聲音采集，從而用戶可以實(shí)時(shí)聽到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的聲音。對(duì)于某些對(duì)聲音采集清晰度高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以采用高精度工業(yè)拾音器進(jìn)行音頻信號(hào)的采集和數(shù)字化處理，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的遠(yuǎn)傳和存儲(chǔ)。

圖6 光源組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of light source composition

在某些需要語(yǔ)音對(duì)講和音頻廣播的場(chǎng)所，移動(dòng)式軌道機(jī)器人還可以加裝IP語(yǔ)音通訊組件，從而實(shí)現(xiàn)中控室在平臺(tái)軟件授權(quán)的情況下，客戶端與現(xiàn)場(chǎng)人員的雙向?qū)χv功能（IP語(yǔ)音對(duì)講設(shè)備為選配設(shè)備）。

3）照明光源的技術(shù)原理與方法

光源主要由光敏元件及紅外燈光組成（如圖6所示），在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境照度不能滿足攝像機(jī)需要的情況下，可自動(dòng)開啟照明裝置。前端機(jī)器人安裝有感光原件，隨外接光線的變化自行調(diào)節(jié)光源照明。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不同，通過(guò)軟件模擬測(cè)試照度需求，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)設(shè)置（照射光源為現(xiàn)場(chǎng)選配設(shè)備）。

6 收獲與體會(huì)

作為一名中學(xué)生，能夠扎扎實(shí)學(xué)好課本知識(shí)，善于觀察，善于分析問(wèn)題，將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，解決實(shí)際問(wèn)題。本次研發(fā)活動(dòng)通過(guò)對(duì)化工產(chǎn)品泄漏事故的思考及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的考察，利用自己所學(xué)的知識(shí)，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性著手，研究更合適無(wú)人巡查測(cè)量易燃易爆液體檢測(cè)的機(jī)器人，在幾個(gè)月的研究和資料的收集、整理過(guò)程中，學(xué)到了很多課本中無(wú)法學(xué)到的知識(shí)，收獲極大，同時(shí)也更激發(fā)了發(fā)明創(chuàng)造的熱情。