車間智能服務機器人

李兆亮

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430070）

隨著現代科學技術的飛速發展，機器人已越來越多地進入人們的生活領域，機器人代替人類從事各種單調、重復、繁重、危險以及有毒害的工作是社會發展的一個趨勢[1]。現代機器人一般為兩類：工業機器人，主要指裝配、搬運、焊接、噴漆等機器人；極限作業機器人，指在人難以到達的惡劣環境下代替人工作的機器人。在設備高智能化和社會人性化的今天，用機器代替人完成危險作業，機器的集成化、人性化成為未來發展的方向。目前，各種工業機器人在工廠生產線中的應用越來越廣泛，如焊接機器人、裝配機器人和噴涂機器人等，這些機器人大大提高了生產效率和生產精度，但它們只是在固定生產線中重復進行某些操作，不能滿足車間人員其他方面的需求[2]。比如，車間工程師在工廠維修維護設備時，往往需要背負沉重的工具包、潤滑油等材料，這成為工程師的一個負擔；有些車間存在潛在的危險，車間人員不能及時察覺；機器設備出現故障時，工程師很難進狹小的地方查看具體情況。工廠車間需要一種智能服務機器人，協助車間人員完成設備維護、車間巡視，檢測工廠環境，間接保護人身安全的服務機器人，因此，設計了一種車間服務機器人。

1 系統功能分析

本次設計的車間智能服務機器人兼備兩種功能，自動跟在工人身后作為工人搬運工作的必要用具，又可以在惡劣環境下，進入有限制且人不方便進入的場所進行作業，為工人傳回實時圖像。尤其是當危險發生時，如爆炸之類事情發生時，在搶險之前檢測作業區的溫度、濕度、甲烷濃度等氣體，并且回傳現場圖像，減少救險人員的傷亡[3]。

車間智能服務機器人是一種基于單片機設計[4]的智能全自動小車，主要應用于各種工廠車間，例如裝配車間、維修車間等。其主體包括小車底盤、尋跡跟蹤模塊、車載高清攝像頭、超聲波模塊、多種傳感器（溫度傳感器、甲烷等可燃危險氣體傳感器、酒精傳感器）和控制系統（單片機、舵機控制板、藍牙模塊等）。車間智能服務機器人總體系統功能如圖1 所示。

圖1 機器人系統功能圖

如圖1 所示，傳感器將外部信息采集并輸入到處理器，處理器計算并發出控制信號，通過舵機、驅動輪和報警器等做出外部控制。車間智能服務機器人主要有以下4 個功能。

1.1 載物跟蹤人行駛

有紅外探測、超聲波模塊、無線電模塊3 種方法可保證機器人跟著人行駛。基于這種功能，在機器人上裝載著很多工廠維修或者完成其他任務時的必需品，以減少工人的體力勞動。

1.2 檢測報警功能

機器人在運行過程中會時刻采集所處環境的信息，當有某個危害參數超標時，會做出報警反應，并把信息傳輸給終端和手持裝置。

1.3 工作現場檢測判斷

機器人可代替人進入不宜人進入的工作場所，完成初期檢測工作。車上裝有Wi-Fi 傳輸模塊和高清攝像頭，通過手機軟件可以操縱小車行走，并將工作現場的實時圖像傳給工人，方便工人判斷現場情況。

1.4 高危工作場所檢測

當車間發生危險事故時，救援人員先遙控本機器人進入事故發生地檢測當時環境，并將現場視頻和環境信息傳輸給救援人員。車間智能服務機器人上安裝有溫度傳感器，檢測甲烷、丙烷等可燃性危險氣體的傳感器，酒精傳感器外加部分危險氣體傳感器。當現場氣體或溫度指標超過人體能夠承受的范圍時，車載蜂鳴器會發出警報，讓救援人員在進入工作場所前有所準備。高危工作場所檢測如圖2 所示。

圖2 高危工作場所檢測示意圖

2 機器人硬件部分

為了完成上述功能，設計車間智能服務機器人硬件主要包括主構件單元、行進單元、監測單元、控制單元和手持單元。為了更好地在狹小空間內作業，將尋人傳感器的架子設計為折疊方式，尋人時架子打開，不尋人時將架子折疊在車頂。為了能夠實現360°無死角視頻監測，設計了1 個兩維運動的云臺，配合機器人本身的運動，可實現無死角監控。為了更好地在工廠這種復雜環境中運行，設計4 個輪全部具有驅動能力，能有效地提高其通過率，其機械結構如圖3 所示。

圖3 機械結構簡圖

主構件單元由機身、豎直下擺臂、豎直上擺臂、水平擺臂和4 個舵機構成。豎直下擺臂下端通過舵機固定安裝在機身上，豎直上擺臂下端通過舵機固定安裝在豎直上擺臂上端，水平擺臂中間位置通過舵機與豎直上擺臂上端固連，機身后端中間位置固定安裝1 個舵機。

行進單元由4 個直流電機、4 個減速器、4 個驅動輪、1個直流電機驅動器構成。4 個驅動輪分別獨立安裝在車間機器人機身底部的前左方、前右方、后左方和后右方，每個驅動輪分別與1 個減速器相連，每個減速器還分別與1 個直流電機連接，4 個直流電機都連接在直流電機驅動器上。

監測單元主要包括用于拍攝車間視頻的攝像頭、監測人體位置的熱釋電人體紅外傳感器、監測距離的超聲波傳感器、監測煙霧和火災的火焰傳感器、監測車間環境溫度的溫度傳感器、監測車間易燃氣體的可燃氣體傳感器。

控制單元主要包括微處理器、晶振及復位電路、存儲模塊、Wi-Fi 無線傳輸模塊、舵機控制模塊、圖像處理模塊、數據采集模塊、報警器、供電電池。

手持單元包括1 個智能手機和手機端APP 軟件。通過控制單元中的Wi-Fi 無線傳輸模塊，將控制單元與手持單元建立無線通訊，傳輸控制信號和數據信息。

3 機器人電氣控制部分

機器人電氣控制部分[5]，主要包括微處理器、晶振及復位電路、存儲模塊、Wi-Fi 無線傳輸模塊、圖像處理模塊、無線電模塊、舵機控制模塊、數據采集模塊、報警器、供電電池等。其中，微處理器、晶振及復位電路、存儲模塊集成在一個電路板上。圖像處理模塊連接攝像頭，數據采集模塊連接熱釋電人體紅外傳感器、超聲波傳感器、火焰傳感器、溫度傳感器、可燃氣體傳感器。所有舵機都與舵機控制模塊相連，電路板、舵機控制模塊、Wi-Fi 無線傳輸模塊、圖像處理模塊、數據采集模塊和供電電池均安裝在機身內部。供電電池為可充電電池，為電路板供電。微處理器與直流電機驅動器通訊，控制行進單元的行進和轉向。微處理器與數據采集模塊和圖像處理模塊通訊，采集傳感器數據或視頻數據，并保存在存儲裝置中。報警器安裝在機身的側面，并與微處理器相連，當微處理器采集的溫度數據超過設定閾值或采集到車間中有可燃氣體或火焰，將與報警器通訊，發出報警聲音。微處理器與Wi-Fi 無線傳輸模塊通訊，接收或發送各種無線控制信號。微處理器能夠與舵機控制模塊進行通訊，控制所有舵機的順時針或逆時針旋轉，舵機Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的旋轉角度均為90°，舵機Ⅳ可以在0°～60°范圍內任意旋轉。舵機Ⅰ旋轉后，豎直下擺臂可轉到水平位置；舵機Ⅱ旋轉后，豎直上擺臂可轉到水平位置；舵機Ⅲ旋轉后，水平擺臂可轉到豎直位置。當車間智能服務機器人需要到車間內的狹小空間進行探測和巡視時，舵機Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ將旋轉90°。舵機Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ旋轉后，豎直下擺臂、豎直上擺臂和水平擺臂可以折疊，水平疊放在機身上面。舵機Ⅳ旋轉時，攝像頭隨其旋轉，增大拍攝范圍。安裝在手機上的APP 軟件能實現車間服務機器人的方向控制，也能顯示機器人所采集的視頻、傳感器參數等信息。通過控制單元中的Wi-Fi 無線傳輸模塊，控制單元和手持單元建立無線通訊，傳輸控制信號和數據信息。具體控制系統結構如圖4 所示。

圖4 控制系統結構圖

控制部分采用單片機作為控制芯片[6]，設計中采用了4片單片機，1 片作為主機，其他3 片作為從機。每個單片機有自己的控制部分，相互之間協調工作，兼容性較好。單片機電器原理如圖5 所示。

圖5 單片機電氣原理圖

驅動裝置動力源采用的是直流減速電機，通過驅動模塊來驅動電機動作，本設計選用的驅動模塊型號為L298N，單片機傳給驅動模塊控制信號，控制電機的運轉方向及速度，通過光電編碼器反饋轉角信息。L298N 驅動模塊的電氣原理如圖6 所示。

圖6 L298N 電器原理圖

手機通過Wi-Fi 網絡與車載路由器相連[7]，攝像頭通過路由器將拍攝到的視頻傳給手機，通過特定的APP 軟件和電腦終端，且攝像頭安裝在車的旋轉云臺上。路由器與單片機串口相連，通過串口給予單片機指令，然后進行相應控制。

執行載物跟蹤人行走功能時，由3 種傳感器共同完成。首先人體紅外傳感器檢測是不是人體，如果檢測到不是人體，則載物跟人功能條件不成立，機器人將不會做出反應；如果檢測到是人體，則超聲波傳感器工作；然后4 個超聲波傳感器接收返回的距離信息并且傳輸給從單片機處理，再通過4 位并行通訊傳給主單片機，進而控制電機的運行。在尋人程序剛開始執行時，主單片機給從單片機控制指令，使之控制前端舵機運動，將支架打開，尋人結束時，支架落下。

4 結語

通過分析目前工廠存在的一些問題，如監測設施不完善、功能單一等，發現當今工廠缺少安全管理機制，且缺少檢測手段。通過對單一系統功能的分析，提出解決的具體方案，并給出實現此功能的電路原理圖。車間智能服務機器人開發設計以人為本、智能、便捷為主要目的，使未來工廠更加人性化，以安全為至高原則，為實現中國制造2025 計劃提供更好的安全服務。在當代科技與社會高度發展的前提下，利用機器代替人在惡劣的環境完成生產任務，極大地提高了生產效率，保障了安全生產，為企業節省大量的人力、物力和財力。