多傳感器協(xié)同的擦黑板機(jī)器人系統(tǒng)研制

周雨松，熊田忠

(1.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；3.三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012)

0 引言

目前，廣泛應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境的人工黑板擦效率低且無法控制粉筆灰[1]。普通黑板擦質(zhì)量差，損壞后無法循環(huán)使用，導(dǎo)致資源浪費[2]。黑板擦絨布上的粉塵不便于清潔，清潔過程中使空氣中的粉塵再次增多，影響清潔者的健康[3-4]。

爬壁機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在工業(yè)等領(lǐng)域，但由于體積大、質(zhì)量重，不適合在教學(xué)環(huán)境中使用[5-9]；不少爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊、開發(fā)成本高，難以市場化[10-14]；因電源問題需要帶纜作業(yè)，移動靈活性差，使用范圍小[15-20]；在智能控制方面，自主正確處理突發(fā)狀況的能力不夠，無法在閉環(huán)跟蹤控制下完成任務(wù)[21]。

本文設(shè)計了一種工作環(huán)境為鐵磁性壁面的多傳感器協(xié)同擦黑板機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人質(zhì)量輕、靈活性好、智能化程度高，符合節(jié)能和無纜化要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的擦黑板機(jī)器人系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由擦黑板機(jī)器人、視覺監(jiān)控單元和移動終端三大部分組成。擦黑板機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

1.2.1 受力分析

為簡化設(shè)計，假設(shè)擦黑板機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)成中心對稱和軸對稱，四個車輪軸心連線為正方形；黑板平面內(nèi)機(jī)器人重心與形心重合，四個磁輪結(jié)構(gòu)相同，磁輪提供的吸附力均勻分布，忽略擦灰滾筒與黑板間的作用力；進(jìn)行靜力學(xué)分析時只考慮擦黑板機(jī)器人兩前輪或兩后輪軸線水平狀態(tài)下的情況。若該情況下機(jī)器人能可靠吸附于壁面表面并移動，那么其他吸附姿態(tài)下也能可靠吸附并移動。吸附于壁面時，機(jī)器人受力分析如圖3所示。

圖3 機(jī)器人受力分析圖

機(jī)器人靜止時，在垂直壁面方向和豎直方向上的所受合力均為零。此時存在重力和壁面對機(jī)器人上方的兩車輪的正壓力的合力矩，以及壁面對機(jī)器人下方兩車輪的正壓力的合力。當(dāng)這兩個合力矩相互抵消時，機(jī)器人能夠有效吸附在壁面上而不翻轉(zhuǎn)，則機(jī)器人靜止在壁面上的力平衡方程如下：

X軸方向的合力∑X=0，即：

T-N11-N12-N21-N22=0

(1)

Y軸方向的合力∑Y=0，即：

G-F11-F12-F21-F22=0

(2)

F11≤μN(yùn)11

(3)

F12≤μN(yùn)12

(4)

F21≤μN(yùn)21

(5)

F22≤μN(yùn)22

(6)

式中：G為機(jī)器人質(zhì)量；T為磁輪產(chǎn)生的磁力；N11、N12、N21、N22為壁面對磁輪的反作用力；F11、F12、F21、F22為壁面對磁輪的向上的靜摩擦力；μ為磁輪和壁面之間的靜摩擦系數(shù)。

機(jī)器人靜止在壁面上時，車輪因為傳動機(jī)構(gòu)的傳動阻力作用不會轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致車體下落。假設(shè)機(jī)器人和壁面之間只有單純的相對滑動，則上文提到的靜摩擦系數(shù)可視作滑動摩擦系數(shù)。根據(jù)對稱性假設(shè)N11=N12，設(shè)N1=N11=N12、N2=N21=N22，則：

T=2N1+2N2

(7)

由式(1)～式(7)可得出：

2N1μ+2N2μ≥G

(8)

(9)

由式(9)可知，磁輪提供的吸附力與機(jī)器人質(zhì)量成反比，機(jī)器人本體需要使用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料，同時磁輪表面需要使用摩擦系數(shù)較高材料，增強(qiáng)磁輪與黑板之間的靜摩擦力。

1.2.2 有效吸附與工作的要求

機(jī)器人吸附在黑板上不外翻的條件為合力矩∑MA=0，即：

(10)

式中：L1為相鄰兩個車輪軸心之間的距離；L2為機(jī)器人重心與壁面的距離。

則式(10)可化簡為：

(11)

由式(7)和式(11)得出：

(12)

(13)

由式(13)可知：在減小擦黑板機(jī)器人重心與壁面距離的同時增加相鄰車輪軸心距離，能夠降低對于磁鐵吸附力的要求。由式(8)、式(13)得出：

(14)

式中：k1為安全系數(shù)，需要由機(jī)器人工作時的最大加速度、工作環(huán)境和制造精度等實際情況合理確定。

由式(11)、式(12)可得出：

(15)

圖3所示機(jī)器人在所有的工作姿態(tài)中，向上運動的姿態(tài)要求機(jī)器人位于下方的兩個驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大，則電機(jī)正常工作時輸出轉(zhuǎn)矩M的條件為：

(16)

式中：k2為安全系數(shù)，需要由機(jī)器人工作時的最大加速度、工作環(huán)境和制造精度等實際情況合理確定；R為車輪半徑；n為電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)減速比；η為電機(jī)傳動效率。

此處忽略了擦拭滾筒與黑板作用時的排斥力和力矩，經(jīng)試驗該排斥力和力矩較小，也可通過試驗調(diào)整k1、k2兩個安全系數(shù)來滿足要求。

1.2.3 磁輪分析與制作

磁輪本體外緣上均勻鑲嵌一圈長方體強(qiáng)磁鐵條以提供磁力。所用磁鐵條與黑板接觸面的沿車輪圓周方向的寬度較小，磁鐵條越多，磁輪的外側(cè)面越平滑，機(jī)器人的運動阻力越小。為盡可能減小干擾，所安置磁鐵條的磁力線與壁面垂直且相鄰磁鐵條的磁場方向互逆。磁輪平面如圖4所示。

圖4 磁輪平面圖

另外，在鑲嵌過磁鐵條的車輪圓周表面裹一層薄薄的耐磨、防滑橡膠層，有利于增加擦黑板機(jī)器人與黑板面的摩擦系數(shù)，提高安全系數(shù)。這樣既能防止磁輪打滑，又能對黑板面進(jìn)行保護(hù)，也保證了磁輪對黑板的吸附力。磁輪3D模型如圖5所示。

圖5 磁輪3D模型

由實際測量，機(jī)器人本體尺寸為28 cm×15 cm×6.5 cm，車輪直徑為65 mm，質(zhì)量G=20 N，令L1=25 cm、L2=5 cm、k1=k2=1.5、μ=0.2。根據(jù)上文可知，當(dāng)T≥ 150 N時，機(jī)器人可以有效吸附并工作，即磁輪總共要提供最少150 N的磁力。選用型號為N-35磁鐵Nb-Fe-B釹鐵硼稀土材料磁體制作磁輪。磁鐵條尺寸25.4 mm×3.175 mm× 3.175 mm，最大工作溫度為80 ℃，表磁B約為1.2×104Gs。設(shè)與磁通密度正交的面積為S，則：

(17)

式中：F為單個磁輪所需要提供的吸附力。

根據(jù)實際，機(jī)器人工作時平均有4塊磁鐵與壁面表面接觸，則：

F總=4F=184.67 N

(18)

F總大于磁輪所需要提供的最小吸力，即該型號的磁鐵符合設(shè)計要求，機(jī)器人能夠有效吸附于壁面并正常工作。

1.2.4 擦灰、吸灰裝置分析與制作

擦灰、吸灰裝置如圖6所示。

圖6 擦灰、吸灰裝置示意圖

擦黑板機(jī)器人的擦灰裝置使用可伸縮的固定支架和擦灰滾筒實現(xiàn)。擦灰滾筒的驅(qū)動減速電機(jī)型號為GA12N20 (12 VDC，負(fù)載轉(zhuǎn)速96 r/min，額定電流150 mA，減速比1∶250)。擦灰滾筒的軸線與車輪軸線平行，擦灰滾筒外層采用一定厚度的海綿等彈性物包裹，增大擦灰接觸面，提高適應(yīng)性；擦灰滾筒的最外層擦布通過尼龍搭扣可方便地實現(xiàn)更換、清洗，確保擦灰裝置的可循環(huán)使用。擦黑板機(jī)器人的吸灰裝置，使用小型風(fēng)扇和集塵袋實現(xiàn)。風(fēng)扇的額定電壓12 V，額定電流0.26 A，風(fēng)量23CFM，噪聲28 dB，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，集塵袋采用無紡布制作。小型風(fēng)扇通過風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，將擦灰滾筒擦灰產(chǎn)生的漂浮粉塵隨空氣一起吸入集塵袋，經(jīng)集塵袋過濾，排出干凈空氣，收集粉塵垃圾。

1.3 電機(jī)功率計算與選型

擦黑板機(jī)器人使用帶減速箱的直流驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)式(15)、式(16)可得出：

(19)

(20)

式中：k2為安全系數(shù)，k2=1.5;μ為靜摩擦系數(shù)，μ=0.2;n為減速比，n=120;η為傳動效率，η=0.8;v為機(jī)器人的工作時的運動速度平均，v=0.1 m/s;R為磁輪半徑，R=3 cm;ω為磁輪轉(zhuǎn)動角速度，ω1=3.33 rad/s。

設(shè)ω2為電機(jī)軸轉(zhuǎn)動角速度，則ω2=120ω1，代入式(21)：

(21)

式中：P為機(jī)器人單個驅(qū)動電機(jī)需要的最小功率。

根據(jù)實際情況，選擇額定電壓為12 V，額定功率為3 W，傳動比為120∶1，轉(zhuǎn)矩為0.024 N·m的直流電機(jī)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

擦黑板機(jī)器人系統(tǒng)的控制優(yōu)先級設(shè)定為：機(jī)器人的自我保護(hù)控制優(yōu)先級最高，通過移動終端的人工控制優(yōu)先級次之，視覺監(jiān)控單元的自動控制優(yōu)先級最低。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

擦黑板機(jī)器人的自我保護(hù)控制步驟為：紅外對管檢測擦黑板機(jī)器人相對于黑板面的垂直距離，當(dāng)垂直距離超出擦黑板機(jī)器人在黑板面上的平穩(wěn)移動距離，第一微控制單元發(fā)信號給驅(qū)動模塊控制電機(jī)停止、減速或轉(zhuǎn)向安全區(qū)域移動。

2.2 視覺監(jiān)控單元設(shè)計

視覺監(jiān)控單元主要包括固定于黑板正前方的攝像機(jī)，其攝像頭采用大恒MER12530UML型工業(yè)相機(jī)，最高像素1 292× 964、索尼電荷耦合元件傳感器、USB接口、COMPUTAR系列M1214MP型光學(xué)鏡頭；控制電路的MCU采用意法半導(dǎo)體STM32F107型微控制器，通信模塊采用HC05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊等。

2.2.1 圖像處理流程

視覺監(jiān)控單元圖像處理流程如圖8所示。

圖8 視覺監(jiān)控單元圖像處理流程圖

當(dāng)移動終端將控制方式切換為智能控制后，視覺監(jiān)控單元開始閉環(huán)控制操作。其中二值化處理的單個像素在0～255取值，令閾值為127.5，大于127.5的數(shù)置為255，否則置為0。中值濾波和均值濾波之后，對圖片中的目標(biāo)圖形(包括擦黑板機(jī)器人圖形和粉筆字圖形)進(jìn)行追蹤并標(biāo)記，提取面積和重心坐標(biāo)等二值特征。通過面積識別出機(jī)器人圖形和粉筆字圖形，計算機(jī)器人圖形和粉筆字圖形對應(yīng)重心的距離并判斷，由視覺監(jiān)控單元指示擦黑板機(jī)器人前進(jìn)至目標(biāo)點擦拭。視覺監(jiān)控單元不斷采集圖像跟蹤處理，直至采集的圖像中識別不出粉筆字圖形，完成智能擦黑板任務(wù)，機(jī)器人回歸原點。

經(jīng)過二值化處理的圖形仍然存在許多噪點，這些噪點會增加擦黑板機(jī)器人的工作量，采用中值濾波以及均值濾波疊加使用進(jìn)行一定程度的降噪。本文中的中值濾波處理選用3×3的模板對其中所有像素排序，取中間數(shù)值代替原來的像素值。均值濾波的處理選用3×3的模板，以模板中全體像素的均值替換掉原來需處理像素的均值。

2.2.2 目標(biāo)圖形面積與重心計算

設(shè)Ki(xi,yi) (i=1，2，…,n)為圍成不規(guī)則圖形的頂點，則圖形K1K2,…,Kn的面積為：

(22)

令xn+1=x1,xn+1=x1。進(jìn)一步可得，該不規(guī)則多邊形K1K2,…，Kn的重心G(xG,yG)為：

(23)

2.2.3 重心距離計算

根據(jù)識別的目標(biāo)圖形的面積判斷擦黑板機(jī)器人圖形與粉筆字圖形，再由圖形的重心位置計算距離，以一個像素為單位，設(shè)擦黑板機(jī)器人圖形重心為(x1,y1)，某一個粉筆字圖形的重心為(x2,y2)，則兩者之間的距離為：

(24)

當(dāng)d>0時，視覺監(jiān)控單元發(fā)出指令，擦黑板機(jī)器人接收到指令后繼續(xù)擦灰；當(dāng)d=0時，視為擦黑板機(jī)器人對粉筆字完成擦拭。

3 試驗與分析

對于視覺監(jiān)控單元的閉環(huán)控制處理過程，通過在黑板上寫一行字進(jìn)行擦拭實際采集的圖片進(jìn)行分析。擦拭前視覺監(jiān)控單元圖像處理過程如圖9所示。

圖9 擦拭前視覺監(jiān)控單元圖像處理過程圖

擦拭前提取出的目標(biāo)圖形的二值特征中的面積與重心坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 擦拭前提取的對應(yīng)關(guān)系

表1中：1號為黑板圖形，2號是擦黑板機(jī)器人的圖形，其余為粉筆字的圖形。根據(jù)對應(yīng)的重心坐標(biāo)按照式(24)計算出距離，根據(jù)距離大小判斷是否執(zhí)行擦拭任務(wù)。

部分擦拭后視覺監(jiān)控單元采集并處理黑板圖像的過程圖如圖10所示。從圖10可以看出，擦拭后粉筆字仍有部分殘留，視覺監(jiān)控單元會再次命令機(jī)器人進(jìn)行擦拭，直至完全擦干凈為止。

圖10 部分擦拭后視覺監(jiān)控單元圖像處理過程圖

擦拭后提取的目標(biāo)圖形的面積與重心坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系如表2所示。表2中：1號仍然代表黑板板面圖形；2號為擦黑板機(jī)器人的圖形面積。由于在二值化過程中、濾波處理過程中以及機(jī)器人行走過程中角度的變化等原因，表1與表2的黑板板面面積以及擦黑板機(jī)器人的面積存在誤差，但這并不影響對于目標(biāo)的判斷，因此不會影響擦黑板機(jī)器人完成擦拭任務(wù)。

表2 擦拭后提取的對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種多傳感器協(xié)同工作的擦黑板機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人本體、視覺監(jiān)控單元和移動終端相互配合工作以及人工和自主雙模式的控制方式，有效提升了機(jī)器人的智能化水平和環(huán)境適應(yīng)能力。簡化的靜力學(xué)分析方法，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)來滿足動力學(xué)要求。相對于多姿式動態(tài)分析、靜力學(xué)分析方法降低了計算復(fù)雜度。視覺監(jiān)控單元提取圖像的面積與重心二值特征，根據(jù)機(jī)器人圖形重心與目標(biāo)圖形重心距離，實現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)跟蹤控制，保證了對黑板的智能、高效、環(huán)保的擦拭，具有良好的應(yīng)用前景。