遠程綜合應(yīng)急機器人平臺的開發(fā)及應(yīng)用

張黎寅，曾憲文

(南京理工大學(xué)北方研究院 天津 300221)

0 引 言

隨著人工智能時代的到來，在“機器人換人”大潮下，對于特殊環(huán)境，如爆炸、高溫、輻射、重污染等人類無法接觸的特殊環(huán)境的綜合應(yīng)急工作，已經(jīng)引發(fā)了廣泛的重視。南京理工大學(xué)北方研究院研制了一種通用機器人平臺，即遠程綜合應(yīng)急地面機器人平臺(以下簡稱“機器人平臺”)，該機器人平臺具備全地形通行能力、環(huán)境適應(yīng)能力、遠距離通信和操控能力、較大承重負載和電力續(xù)航等特性；在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面預(yù)留較大內(nèi)部空間，用于提升機器人平臺的擴展性，從而實現(xiàn)通過在機器人平臺上加裝不同的功能載荷，面向不同場景開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。

1 遠程綜合應(yīng)急機器人平臺

1.1 車體

車體是裝配載荷部件的主要支撐裝置，是運動中的主要部件之一。無論是框式結(jié)構(gòu)還是其他機構(gòu)，考慮極端情況車體可能會同其他物體相碰撞，除了操作上的需要，車身表面不得有尖角和其他突起等危險部分(圖1)。

對機器人平臺整車、整機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性、可維修性等質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)予以確認；對安全件，如制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)進行強度、安全性設(shè)計評價以及耐久性、疲勞運轉(zhuǎn)試驗設(shè)計，充分考慮車的環(huán)境、振動、噪音、風(fēng)、霧、寒、塵、雨、熱等因素影響。

行進過程中如果沒有其他路線可以選擇，必須涉水，主要考慮機器人平臺的密閉性，如果密封不嚴(yán)，可能造成艙內(nèi)進水。在艙內(nèi)及檔板下密布了許多電機、電控單元，一旦進水會造成電機、電控單元的損壞，故加強整機的防護等級至關(guān)重要。

1.2 電池

機器人平臺采用48 V 60 Ah動力鋰電池組為動力，電芯采用18650動力電池，配備智能BMS電池管理系統(tǒng)來保證電池組的安全，通過總線通信將電池組詳細數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人平臺主控制器，并根據(jù)當(dāng)前的剩余容量來判斷尚可行駛里程。

1.3 驅(qū)動裝置

由車輪履帶、減速器、制動器、驅(qū)動電機及速度控制器等部分組成，是控制機器人平臺正常運行的裝置。其運行指令由計算機或人工控制器發(fā)出，運行速度、方向、制動的調(diào)節(jié)分別由計算機控制。為了安全，在斷電時制動裝置能靠機械實現(xiàn)制動。

1.3.1 行進方式

行進方式采用履帶式，因為履帶式底盤具有全回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，起升高度大、牽引系數(shù)高、爬坡度大。與輪胎式相比，因履帶與地面接觸積大，故對地面平均比壓小，可在松軟、泥濘地面上作業(yè)，滿足機器人平臺全地形行進需求。

1.3.2 伺服驅(qū)動電動機

控制后輪驅(qū)動行進的原動力機構(gòu)，是支持和為整個機器人平臺提供動力的元件。它的選取關(guān)系到車體的運動快慢及其能夠產(chǎn)生的扭矩大小、驅(qū)動力的強弱。

機器人平臺的尺寸要求：1 300 mm×1 000 mm×6 000 mm(長×寬×高)，標(biāo)準(zhǔn)承重不小于30 kg，考慮到整體成本和能源利用效率，本項目選取了額定功率為0.75 kW的驅(qū)動電機，而轉(zhuǎn)向電機功率則相對較小，為0.4 kW。

1.3.3 控制模塊

機器人平臺包括電機驅(qū)動系統(tǒng)、航姿系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)；系統(tǒng)控制設(shè)備裝載端將圖像信息回傳到終端，數(shù)傳為雙向傳輸，既發(fā)送機器人端信息，又接收控制端信息，用于回傳圖像信息、接收操控人員控制信息(向前、向后、向左、向右的運動)、發(fā)回機器人運動信息(圖2)。

遠端控制系統(tǒng)用于接收機器人平臺端發(fā)送的圖像、傳感器采集數(shù)據(jù)等信息，傳送操控機器人及機載設(shè)備指令，通過手柄控制器，用于控制機器人運動以及執(zhí)行機載任務(wù)，自動或人為采集信息及傳輸數(shù)據(jù)，并通過載荷裝置升高或降低控制工作高度變化。

2 應(yīng)用開發(fā)

2.1 智能采樣機器人

天津濱海新區(qū)8·12特大爆炸事件發(fā)生后，對于爆炸中心點污染物的取樣工作采用人工采樣方式危險性高、效率低。針對該需求，南京理工大學(xué)北方研究院在機器人平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)智能采樣機器人以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工采集方式，完成高效、安全的采樣任務(wù)。可實現(xiàn)采樣點的硫化氫、氨氣、VOC、臭氣濃度的實時監(jiān)測，并通過負壓式真空氣體采樣箱，進行氣體樣本的采集，用于實驗室進行進一步數(shù)據(jù)分析和樣本留存(圖3)。

2.2 遠程智能消防機器人系統(tǒng)

消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和搶險救援中愈加發(fā)揮舉足輕重的作用。由于各種大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等不斷增多，油品燃氣、毒氣泄漏爆炸、隧道、地鐵坍塌等災(zāi)害隱患不斷增加，消防機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災(zāi)害事故現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋。

在機器人平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)遠程智能消防機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)由消防機器人與地面控制站兩大部分組成，消防機器人主要負責(zé)現(xiàn)場的消防救援、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、快速定位等，地面控制站主要負責(zé)將現(xiàn)場機器人所采集到的實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等，消防機器人與地面控制站之間通過數(shù)圖傳電臺進行數(shù)據(jù)及圖像的顯示(圖4)。

2.3 全地形智能巡邏機器人

針對大型涉密園區(qū)“機防”“技防”代替“人防”的需求，在機器人平臺基礎(chǔ)上應(yīng)用開發(fā)集遠程遙控、北斗定位、無線傳輸、圖像視頻采集、人臉識別綜合功能于一體的機器人平臺，通過組合多種傳感器，對其自身的位置、現(xiàn)場環(huán)境、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進行監(jiān)控，實時更新和傳輸數(shù)據(jù)；通過數(shù)圖傳電臺配合高清攝像機實時傳輸現(xiàn)場圖像畫面及數(shù)據(jù)到控制中心，從而提高系統(tǒng)的安全性，并減少人力支出，減少不必要的損失。

3 結(jié) 語

通過提煉特種機器人的通用需求，打造遠程綜合應(yīng)急機器人平臺，充分預(yù)留開發(fā)接口、內(nèi)部空間，具備高拓展性。若繼續(xù)研發(fā)面向不同應(yīng)用場景的特種機器人，可基于該機器人平臺，僅專注于具體應(yīng)用功能的載荷開發(fā)與適配，從而切實減少開發(fā)周期和成本。■