履帶式巡邏機(jī)器人設(shè)計(jì)

侯汝興，宋杰，趙佳峰，付騰飛，蘇樂(lè)樂(lè)，李建威

履帶式巡邏機(jī)器人設(shè)計(jì)

侯汝興，宋杰*，趙佳峰，付騰飛，蘇樂(lè)樂(lè)，李建威

（青島工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

設(shè)計(jì)并制作了一部履帶式巡邏用機(jī)器人，該款機(jī)器人既可以通過(guò)對(duì)路邊配置的信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與判斷，按照規(guī)定路徑循跡行進(jìn)，也可采用人工遠(yuǎn)程控制方式行進(jìn)。機(jī)器人借助高分辨旋轉(zhuǎn)式攝像頭對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)物料進(jìn)行巡邏檢查。機(jī)器人安裝有溫度傳感器、濕度傳感器，能夠?qū)}(cāng)庫(kù)安全性進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷明火火源，通過(guò)無(wú)線傳輸，準(zhǔn)確及時(shí)進(jìn)行險(xiǎn)情報(bào)警。機(jī)器人也可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)物品的種類(lèi)、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等工作。

履帶式；巡邏；機(jī)器人

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，目前的人力巡邏或CCD定位監(jiān)控已不能滿足夜間保安的要求，且費(fèi)用較高[1-2]。借助巡邏機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)巡邏監(jiān)視，通過(guò)實(shí)時(shí)的信息傳輸可以保證工作人員及時(shí)了解需要巡查的現(xiàn)場(chǎng)的情況。這樣既提高了工作效率、保證了物資倉(cāng)儲(chǔ)的安全性，同時(shí)也可以有效減輕工作人員的工作強(qiáng)度[3-6]。

目前國(guó)內(nèi)外已有針對(duì)履帶式巡邏機(jī)器人的研究，例如，臺(tái)灣師范大學(xué)教授王偉彥率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)一款命名為“NTNUCIR-I”的履帶式機(jī)器人，特色是不必人為操縱，可以自主偵測(cè)地形與判斷行走路線[7]。

本文設(shè)計(jì)的巡邏用機(jī)器人，采用履帶轉(zhuǎn)動(dòng)方式行進(jìn)，通過(guò)傳感器采集各種光電信息后，直接傳給報(bào)警器，并反饋給主控室，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。履帶式運(yùn)行方式便于適應(yīng)各種復(fù)雜路況地形的場(chǎng)地。設(shè)計(jì)制作的巡邏機(jī)器人也可通過(guò)主控室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在相應(yīng)的路段進(jìn)行巡邏，并對(duì)多種險(xiǎn)情進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警處理。履帶式倉(cāng)庫(kù)巡邏機(jī)器人可基本滿足倉(cāng)庫(kù)安保、場(chǎng)地巡邏等功能需要，用于夜間巡邏可有效克服人員夜間易疲勞的缺點(diǎn)，并且減少了人力物力投入，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

履帶式巡邏機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括車(chē)體結(jié)構(gòu)部分、監(jiān)測(cè)報(bào)警部分、控制部分、電源動(dòng)力部分等。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)主要依靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)，在鏈軌的上方有蓄電池給機(jī)器人供電。單片機(jī)主要控制機(jī)器人的路線和信號(hào)的傳遞，對(duì)于不確定的行進(jìn)路線，人們可以通過(guò)主控室來(lái)控制機(jī)器人，對(duì)于實(shí)際路線設(shè)定規(guī)定的程序進(jìn)行控制。

1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)部分

本文設(shè)計(jì)制作的巡邏機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)部分主要包括履帶、履帶輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、履帶張緊輪、車(chē)架及相應(yīng)的聯(lián)接零部件等。

車(chē)架采用鋁合金材料制作，保證車(chē)體強(qiáng)度、剛度的同時(shí)可以有效減輕車(chē)體重量，從而降低了驅(qū)動(dòng)力的要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在車(chē)架的側(cè)壁上，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即巡邏車(chē)兩側(cè)的履帶傳動(dòng)均配置有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，便于通過(guò)控制兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、停止及不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)巡邏小車(chē)的直線行進(jìn)、轉(zhuǎn)向、掉頭等動(dòng)作，調(diào)整行進(jìn)路線。電機(jī)輸出軸與履帶輪通過(guò)螺紋緊固聯(lián)接接，履帶輪上的齒槽與履帶上的槽齒同步嚙合，從而帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。履帶輪下方有5個(gè)履帶支撐輪，均通過(guò)滑動(dòng)軸承固定在車(chē)架的側(cè)壁上，起支撐與轉(zhuǎn)向作用，保證了履帶張緊并且與地面接觸的履帶部分呈水平狀態(tài)，保證巡邏小車(chē)可以穿過(guò)一定寬度的溝渠等路況，同時(shí)，較長(zhǎng)的水平履帶段可以有效增加與地面間的摩擦力，防止行進(jìn)過(guò)程中小車(chē)與路面間打滑。

履帶結(jié)構(gòu)部分如圖1所示。

圖1 履帶式巡邏機(jī)器人車(chē)履帶部分結(jié)構(gòu)

1.2 控制與信號(hào)監(jiān)測(cè)部分

履帶式巡邏機(jī)器人的控制部分主要由集成電路板、單片機(jī)、電源等構(gòu)成，固定在車(chē)架上部的平臺(tái)上，如圖2所示。

圖2 履帶巡邏機(jī)器人控制部分

機(jī)器人的信號(hào)檢測(cè)部分主要由攝像頭、報(bào)警裝置、紅外傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器）等硬件構(gòu)成，采用控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)。在機(jī)器人的前部設(shè)計(jì)有三個(gè)電子攝像頭，并配備熱紅外人體感應(yīng)器（熱感應(yīng)器會(huì)在一定范圍內(nèi)感應(yīng)到人的存在），攝像頭所拍攝的畫(huà)面和熱感應(yīng)器的感應(yīng)結(jié)果會(huì)傳送到主控室，將采集的視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸裝置傳給主機(jī)，主機(jī)會(huì)對(duì)采集的圖像進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。巡邏機(jī)器人操作員也可根據(jù)監(jiān)控的圖像發(fā)送控制命令給主機(jī)，經(jīng)主機(jī)遠(yuǎn)程控制巡邏機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)巡邏機(jī)器人的行進(jìn)運(yùn)動(dòng)行為控制，在服務(wù)器上顯示巡邏機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境情況，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控作用。

2 組裝與調(diào)試

將準(zhǔn)備好的零部件進(jìn)行組裝，對(duì)單片機(jī)和電池安裝定位。單片機(jī)通過(guò)霍姆傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能，連接電路原理如圖3所示。攝像頭安裝在機(jī)器人的頂部，與手機(jī)APP連接，通過(guò)InterNet實(shí)時(shí)查看監(jiān)控畫(huà)面。調(diào)試過(guò)程中，機(jī)器人可以非常輕便地躲避障礙，并通過(guò)攝像頭時(shí)時(shí)向手機(jī)傳輸監(jiān)控錄像。

圖3 履帶巡邏機(jī)器人小車(chē)電路原理

機(jī)器人通過(guò)傳感技術(shù)和無(wú)線控制技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)的控制和分析以達(dá)到直接或間接控制或監(jiān)控的目的。攝像頭可在一定范圍內(nèi)識(shí)別人體，同時(shí)，可旋轉(zhuǎn)式攝像頭可同時(shí)對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)控，具有防盜、倉(cāng)庫(kù)管理等功能。組裝后的履帶巡邏機(jī)器人小車(chē)如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)履帶式巡邏監(jiān)控機(jī)器人小車(chē)，采用履帶式結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)多種復(fù)雜路況。對(duì)路面狀況、周?chē)h(huán)境可以通過(guò)手機(jī)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成機(jī)器人的直線行進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退等動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)攝像頭擴(kuò)大了檢測(cè)范圍。

履帶式巡邏機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕質(zhì)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了人力巡邏和CCD定位監(jiān)控的不足之處，可用于白天和夜晚的安全巡檢。在后續(xù)的研究中需進(jìn)一步調(diào)試程序，并增加燈光的照射來(lái)改進(jìn)檢測(cè)圖形、圖像的清晰程度，提高巡邏小車(chē)的工作精度和效率。

圖4 履帶式倉(cāng)庫(kù)巡邏機(jī)器人

[1]陳華志，謝存禧，曾德懷. 巡邏機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2003（12）：19-21.

[2]亓希龍. 校園巡邏機(jī)器人定位與避障技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[3]劉康軒. 安防巡邏機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2016.

[4]吳慶甜，郭會(huì)文，吳新宇，等. 基于巡邏機(jī)器人的實(shí)時(shí)跑動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 集成技術(shù)，2017（5）：50-58.

[5]托馬斯·布勞恩. 嵌入式機(jī)器人學(xué)：基于嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2012.

[6]宮小飛，陳富林，馮帥. 基于ARM嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子，2017（12）：72-76.

[7]臺(tái)灣首創(chuàng)履帶機(jī)器人可自主爬樓梯將用于巡邏[DB/OL]. http:// taiwan.huanqiu.com/roll/2013-05/3907936.html?from=mobile.

[8]彭寬棟，張學(xué)良，鄭龍，羅曉曄，曹周杰. 自適應(yīng)履帶機(jī)器人的研究與測(cè)試[J]. 機(jī)電工程，2017（12）：1485-1490.

Design of Crawler Patrol Robot

HOU Ruxing，SONG Jie，ZHAO Jiafeng，F(xiàn)U Tengfei，SU Lele，LI Jianwei

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Institute of Technology, Qingdao 266300, China )

A crawler patrol robot is designed and manufactured, which can identify and judge the signal emitted by the road-side signal source, follow the prescribed route and travel by manual remote control. The robot patrols the storage area with high resolution rotary camera. The robot is equipped with a temperature sensor and a humidity sensor, which can monitor the security of the warehouse dynamically, judge the fire source, and give the accurate and timely alarm through the wireless transmission. Robots can also conduct statistics on the type and quantity of stored items.

crawler；patrol；robot

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.011

1006－0316 (2018) 12－0038－03

2018－05－07

青島工學(xué)院2016年度董事長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目（2016CX018）

侯汝興（1995－），男，山東聊城人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與控制。

宋杰（1975－），男，山東青島人，博士，講師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)成型技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真。