面向冬奧會的安保機器人動作系統設計

馬立勇 李連輝 賈雅靜 胡任宇 周陽

摘? ?要：文章設計了冬奧會安保機器人的動作系統，通過對機器人各部分進行功能及動作流程分析，對其動作系統進行了平臺搭建與硬件選擇。所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執行模塊3部分完成。根據機器人需要實現的主要功能動作，分為運動控制、簡易掃描平臺、機器人外形的設計與制作3個部分。硬件選擇以經濟、適用為本，選擇紅外接近傳感器、紅外測距傳感器、灰度傳感器、傾角傳感器等，它們有各自的功能，需要相互配合使用。

關鍵詞：安保機器人;動作系統;平臺;硬件;傳感器

第24屆冬奧會及冬殘奧會將于2022年在北京市和張家口市聯合舉行。河北省張家口市將承辦冬奧會雪上項目。如何保障運動員、教練員、官員、工作人員、志愿者和觀眾的生命及財產安全，防止恐怖襲擊及違法犯罪是冬奧會最重要的課題之一。冬奧會的安全保障工作涉及防火、巡邏、嚴查危險物品、對比賽中突發的意外狀況實施救助等。而賽場環境復雜，對工作人員安保技術有很高的要求。機器人的廣泛應用成為近年來代替人力進行高危作業、連續生產的新亮點。機器人對惡劣環境承受能力強、工作效率高、工作時間長、很適合擔任冬奧會賽場安保工作。因此，對冬奧賽場安全保障智能機器人的開發與研究十分必要。

1? ? 功能分析

由于機器人系統是模仿人類等生物的結構、思維而構建的，所以也可以以人類自身為范本來設計機器人。人類用眼睛看到影像、用腦思考是否需要躲避障礙物、用腦控制肌肉做出運動、肌肉帶動骨骼完成回避動作。用到的思維方式包括“是否需要躲避障礙物”和“控制肌肉做出運動”兩個部分，前者是邏輯判斷，后者是固定的行為方法。對于機器人，上述存在于人類自身的結構也可以在機械結構上近似地模擬出來。“眼”替換為“障礙傳感器”，“腦”替換為“控制器”，“肌肉”替換為“舵機”，“骨骼”替換為“結構件”。人類的思維在機器人上以軟件的形式模擬，控制人類行為方式的“邏輯思維”替換 為“邏輯判斷算法”，人類對肌肉的協調控制，替換為機器人對舵機的協調控制[1-5]。

2? ? 動作流程

在設計過程中，最重要的部分就是機器人能夠檢測位置，其次便是防止錯位的過程。

動作流程分析如下：

（1）機器人位于起點并檢測開始信號，然后啟動上臺運動。（2）機器人采用傳感器檢測臺上周圍信息。（3）機器人根據檢測信息判斷運行走向及速度，以及是否需要登擂臺。（4）機器人的運行機構完成設定的走向、速度和動作。（5）采用周期性控制，機器人返回第2過程，循環運行。

3? ? 平臺搭建

以上流程所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執行模塊3部分共同完成。

（1）控制模塊：合理的運動設置（運動狀態分析）。（2）感知模塊：信息采集（檢測傳感器的選擇與使用）。（3）執行模塊：各關節配合運動至定點（運動及動作控制）。

根據機器人需要實現的主要功能動作，將這些功能融合在一個個的分任務中，在掌握分任務中的技術后，再進行綜合項目的設計與實現。分任務有以下3種。

（1）輪式機器人運動控制（實現執行模塊功能）：研究輪式運動的特點，并在機器人套件的基礎上，搭建輪式機器人并搭載相關舵機結構，對運動效果進行測試和改進。

（2）簡易掃描平臺（實現感知模塊功能）：掌握光電傳感器、測距傳感器以及灰度傳感器的應用，搭建掃描平臺，實現檢測敵人以及判斷方位的功能。

（3）機器人的設計與制作（實現控制模塊功能）：根據示例的項目要求以及比賽規則設置自己的機器人，利用之前分任務實現的功能與技術，完成綜合項目的設計制作與實現。

4? ? 硬件選擇

4.1? 控制器

控制器是整個機器人運動控制的核心，是完成預期功能任務的“指揮所”，因此，選擇型號和功能合適的控制器尤為重要。本次設計選擇基于STM32的LUBY控制器。

基于STM32單片機的控制器配置有16路AD接口用于傳感器的數據輸入，6路輸出接口用于驅動LED、模擬舵機等外設。系統內置了藍牙模塊和基于CC2530的ZigBee無線通信平臺，能方便進行組網。

4.2? 傳感器

結構零件組成了機器人的軀體，控制器是機器人的大腦，而傳感器就是機器人的感知器官：皮膚、眼睛、耳朵、鼻子和舌頭。

4.2.1? 紅外接近傳感器

紅外接近傳感器用于判斷機器人是否到達擂臺邊緣，從而能夠防止小車掉下擂臺，即起到防掉臺的作用。現有的光電傳感器優先使用的是波長780 nm～3 μm的近紅外光，并已有比較穩定的集成化產品，與數字電路的接口也非常簡單。

4.2.2? 紅外測距傳感器

日本SHARP公司推出的紅外測距傳感器用來測量前方物體和傳感器探頭之間的距離。這些傳感器體積小（手指大小）、重量輕（不到10 g）、接口簡單，用于微型機器人的測距是非常理想的選擇。

4.3? 灰度傳感器

灰度傳感器通過LED發射亮度較強的光束照亮擂臺平面，從而擂臺平面反射LED發射的白色光束。而不同物體的顏色對白色光的反射能力各不相同，對于相同的材料來說，白色反射能力強，而黑色則偏低。并且灰度傳感器前端布置了光敏電阻，其作用是檢測反射光的強度大小，并據此可以推斷出擂臺平面的灰度值。

4.4? 傾角傳感器

姿態傳感器采集的是機器人的姿態信息，因此，選擇一個基本的姿態傳感器—水銀開關（輸出數字信號）。

水銀開關里面有一個位于玻璃管，其中，有可自由移動的水銀粒，水銀粒位于玻璃管的不同端，水銀開關輸出不同的信號。如在水銀粒處于玻璃管一端時，水銀開關輸出高電平;當傳感器由于某種原因姿態改變過大時，水銀粒移動到玻璃管另一端，水銀開關輸出低電平。根據水銀開關這種輸出信號與其本身姿態有關的特性，可以檢測機器人的姿態。

4.5? 執行器

機器人常用的運動驅動部件有直流有刷電機、直流無刷電機、步進電機、舵機等。

基于所設計的機器人特點，選擇型號為CDS5500的機器人舵機。proMOTION CDS系列機器人舵機屬于一種集電機、伺服驅動、總線式通信接口為一體的集成伺服單元，主要用于微型機器人的關節、輪子、履帶驅動，也可用于其他簡單位置控制場合。每個舵機都有自己單獨的ID號，在機器人構型搭建時，需要對ID號進行配置，以免機器人的某些舵機的ID號重疊。

5? ? 結語

本文主要在功能和硬件兩方面闡述了機器人搭建工作。

（1）功能分析：在設計過程中，首先，最重要的部分就是機器人能夠檢測自己的位置，能夠準確完成動作。其次，便是防止錯位。

機器人設計所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執行模塊3部分完成。根據機器人需要實現的主要功能動作，將這些功能融合在一個個的分任務中，在掌握分任務中的技術后，再進行綜合項目的設計與實現。分任務包括輪式機器人運動控制、簡易掃描平臺、機器人的設計與制作3個部分。

（2）硬件選擇：以經濟、適用為本，選擇合適的控制器、傳感器和執行器。

[參考文獻]

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[3]汪騰.基于STM32的掃地機器人控制系統設計[D].南昌：南昌大學，2019.

[4]龍凱.基于移動機器人路徑跟蹤的智能控制設計與實踐[J].電子技術與軟件工程，2019（6）：81.

[5]盧銀輝，楊勇.基于機器視覺的輸煤現場巡檢機器人控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2019（6）：102-103.

Design of security robot action system for Winter Olympic Games

Ma Liyong1， Li Lianhui1*， Jia Yajing2， Hu Renyu1， Zhou Yang1

（1.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;

2. Zhangjiakou Cigarette Factory Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：This paper designs the action system of the Winter Olympics security robot， through the analysis of the functions and motion flow of each part of the robot， the platform and hardware selection of its action system are carried out. The functions involved need to be completed by the sensing module， the control module and the execution module. According to the main functional actions that the robot needs to implement， it is divided into three parts： motion control， simple scanning platform， and robot shape design and production. The hardware selection is economical and applicable， and the infrared proximity sensor， infrared ranging sensor， grayscale sensor， tilt sensor， etc. are selected， and they have their own functions and need to be used together.

Key words：security robot; motion system; platform; hardware; sensor