鄧三鵬，祁宇明，權(quán)利紅

0 引言

世界技能大賽由世界技能組織舉辦，被譽為“技能奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺。中國在第41屆首次參加收獲1枚銀牌，在第44屆世界技能大賽上獲得了15金、7銀、8銅和12個優(yōu)勝獎的好成績，列金牌榜首位[1]；其中移動機器人（Mobile Robotics）賽項獲得銅牌，實現(xiàn)了該賽項獎牌零的突破。為選拔優(yōu)秀技能人才，培育工匠精神，促進機器人技能人才隊伍建設(shè)，推動國內(nèi)技能競賽與世界技能大賽接軌，全國機械職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會、機械工業(yè)教育發(fā)展中心等單位聯(lián)合舉辦“2017年全國機械行業(yè)職業(yè)院校技能大賽-‘博諾杯’移動機器人競賽”，該賽項由天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司等單位承辦，來自全國13個省市的86支代表隊參與了本次大賽的角逐。

1 賽項任務(wù)

競賽為團體賽，每組由2人組成，不僅考核參賽選手完成比賽任務(wù)的情況，而且還考驗選手對于機械、電氣、程序聯(lián)調(diào)的綜合水平，以及對編程方式、比賽策略的把握。競賽任務(wù)如下：

（1）完成移動機器人機械部分的安裝調(diào)試。保證運動部件運轉(zhuǎn)靈活，無卡阻、爬行現(xiàn)象，在運動過程中，電線不與其它零件發(fā)生碰擦，機械零件連接緊固、正確，電氣接線符合要求，裝配后美觀整潔，排線整齊。

（2）使用myRIO及攝像頭作為硬件，實現(xiàn)臺球的識別。掌握物體識別的方法，掌握一種適合的顏色識別算法，使用myRIO的視覺處理模塊并完成硬件的連接，進行不同臺球的區(qū)分。

（3）移動機器人在場地中遙控或自主尋找指定的臺球并抓取。完成手動遙控器與移動機器人的通信連接，考察通過硬件設(shè)備觀測地形的能力，以及機器人的路徑規(guī)劃策略，完成移動機器人的自主路徑規(guī)劃。

（4）自主搬運臺球通過場地的通道，將臺球放在指定圖形碼的存儲區(qū)內(nèi)，并重復(fù)動作。完成移動機器人的直線、轉(zhuǎn)向以及平移運動，運用傳感器融合技術(shù)，保證移動機器人運動過程中的安全無碰撞。

2 大賽平臺

本次大賽的競賽平臺采用天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司基于第44屆世界技能大賽研制的BNRT-MOB-44型智能移動機器人（如圖1所示）。該平臺由移動平臺、智能視覺系統(tǒng)、機械手爪、傳感系統(tǒng)、myRIO控制單元和通信六個模塊組成，其中包括攝像頭、絲杠、導(dǎo)軌、連接架、舵機、機械手、機架、超聲波傳感器、麥克納姆輪、伺服電機、滾珠滑塊等機構(gòu)。

圖1 BNRT-MOB-44型智能移動機器人

工作場地為2 m×4 m地面平整的空間（如圖2所示）；場地共分為臺球放置區(qū)1，走廊2，臺球散落區(qū)3、4和發(fā)球區(qū)5五個部分。

圖2 移動機器人運行工作場地

主要特點如下：

（1）路徑規(guī)劃與自主移動技術(shù)。移動機器人需要將指定的臺球抓取到其對應(yīng)的圖案處，完成這一任務(wù)的核心是路徑規(guī)劃與自主移動技術(shù)。當移動機器人處在一個簡單或復(fù)雜、靜態(tài)或動態(tài)、已知或未知的環(huán)境中時，機器人的首要任務(wù)是按照一定的性能指標，基于環(huán)境感知，在避開障礙物的同時，搜索到一條從初始位置開始的實現(xiàn)其自身目的的最優(yōu)或次優(yōu)路徑，以最小或較小的消耗完成指定的任務(wù)。移動機器人做好路徑規(guī)劃后，在場地中自主移動，以找到對應(yīng)的臺球。

（2）圖像處理以及顏色識別技術(shù)。在比賽過程中，移動機器人需要識別16種不同的物體。使用myRIO控制器的圖像處理模塊并配合LabVIEW的圖像編程模塊，區(qū)分出臺球不同的顏色以及圖案，并將這些數(shù)據(jù)反饋給主程序。圖像處理以及顏色識別技術(shù)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用地越來越廣泛，世界技能大賽移動機器人賽項將圖像處理的難度加大，由幾種顏色的區(qū)分發(fā)展到現(xiàn)在16種不同顏色以及圖案的處理。

（3）傳感器多源信息融合。移動機器人需要從起始位置出發(fā)，在不碰到走廊墻壁的前提下，沿著走廊墻壁行走，移動到達臺球散落處，將臺球抓取后移動至走廊入口處，在移動機器人移動的過程中，需要避免障礙物的碰撞。多傳感器集成與融合技術(shù)對環(huán)境和對象的復(fù)雜性、不確定性感知性很強，其具有互補性、冗余性、低成本性及實時性等優(yōu)點，利用多個不同的傳感器完成信息的采集并實現(xiàn)信息的融合，大大提升了移動機器人的靈活性。

移動機器人采用美國NI的myRIO1900控制器為核心，使用LabVIEW作為開發(fā)工具，使得整個控制流程變得可視化圖形化，例如建立如圖3所示的移動機器人系統(tǒng)調(diào)試界面，在界面標題部分需寫有“2017年“博諾杯”移動機器人大賽”，并在Labview前面板相應(yīng)設(shè)置各單元調(diào)試模塊。應(yīng)用LabVIEW，開發(fā)速度明顯提高，LabVIEW強大的工具支持內(nèi)部大量的例程模塊與函數(shù)包，使得不論是做控制還是做數(shù)據(jù)采集與處理分析都變得簡單快捷。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖3 移動機器人系統(tǒng)調(diào)試界面設(shè)計

在強大的核心控制器與軟件平臺支持下，圖像識別，定位跟蹤和自主移動等機器人智能技術(shù)都可以輕松實現(xiàn)，移動機器人采用標準的鋁型材搭建，配以精巧的機械結(jié)構(gòu)，搭載四個麥克納姆輪，與大量可選傳感器配合（攝像頭視覺，超聲波測距，紅外尋跡，灰度識別，紅外測距等），使得移動機器人能夠適應(yīng)多種場地，完成多種綜合任務(wù)。

3 培養(yǎng)機器人技能型人才助力產(chǎn)業(yè)升級

移動機器人技術(shù)代表著現(xiàn)代機器人發(fā)展的前沿，在工業(yè)機器人中占有重要的比重，是中國制造2025重點發(fā)展領(lǐng)域中的重要組成部分，也是職業(yè)院校以及高等院校的教學(xué)重要環(huán)節(jié)。近年來，國內(nèi)移動機器人產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出爆發(fā)性增長態(tài)勢，對移動機器人設(shè)計、維護、保養(yǎng)方面的專業(yè)技術(shù)人員的需求也不斷擴大，培養(yǎng)精通移動機器人技術(shù)的高水平人才也成為各大院校關(guān)注的重點問題。一直以來，天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司以協(xié)助院校進行機器人及相關(guān)建設(shè)，提升人才職業(yè)能力素養(yǎng)為總體目標，充分發(fā)揮機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，以校企合作為支撐紐帶，不斷推動移動機器人技能型人才培養(yǎng)工作的開展。

3.1 移動機器人教材開發(fā)

基于LabVIEW2015-myRIO版編程軟件和智能移動機器人（BNRT-MOB-44）開發(fā)了教材《移動機器人技術(shù)應(yīng)用》，通過剖析世界技能大賽移動機器人賽項闡述了移動機器人技術(shù)，從移動機器人世賽典型機器人搭建實例及調(diào)試、LabVIEW基礎(chǔ)、myRIO配置、myRIO應(yīng)用、傳感器的通信與調(diào)試、LabVIEW拓展訓(xùn)練、移動機器人世賽典型機器人控制等七部分來講述，按照“項目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動”的理念精選教學(xué)內(nèi)容，內(nèi)容全面綜合、深入淺出、循序漸進、實操性強，每個項目均含有典型的實施案例講解，兼顧移動機器人應(yīng)用的實際情況和發(fā)展趨勢。

3.2 開展專業(yè)師資培訓(xùn)

近幾年來，博諾機器人為國內(nèi)眾多職業(yè)院校骨干教師提供專業(yè)培訓(xùn)機會，先后開展了多期“機器人專業(yè)帶頭人領(lǐng)軍能力高級研修班”、“機器人骨干師資研修班”和“移動機器人技術(shù)研修班”，培訓(xùn)學(xué)員達400多人。同時，博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司還結(jié)合機器人競賽、工程應(yīng)用、教學(xué)、科研和技能鑒定方面的豐富經(jīng)驗，編撰了智能制造應(yīng)用型人才培養(yǎng)叢書，有力支撐了機器人技能型人才培養(yǎng)的需求。

3.3 研發(fā)智能移動機器人助力產(chǎn)業(yè)升級

博諾機器人與天職師大機器人及智能裝備研究所合作研發(fā)出多款工業(yè)型智能移動機器人。如圖4所示為應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境物料轉(zhuǎn)運的智能AGV機器人。

圖4 智能AGV機器人

如圖5所示為災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機器人，利用GPS、慣性導(dǎo)航信號、手動遙控控制信號控制翼型傘實現(xiàn)機器人精準定點空投，克服了復(fù)雜環(huán)境的影響，使得機器人在第一時間空投進入災(zāi)難現(xiàn)場。通過機器人攜帶的各種傳感器探測現(xiàn)場的情況，解決災(zāi)害環(huán)境現(xiàn)場信息獲取問題。災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機器人可應(yīng)用于地震、化工企業(yè)、海上平臺等突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場。

圖5 災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機器人

如圖6所示為儲油罐油泥清理機器人，以超高壓水射流為清洗源，基于現(xiàn)場控制裝置、油氣密度檢測裝置、信息反饋裝置以及多自由度機器人構(gòu)建清潔體。儲油罐油泥清理機器人把作業(yè)人員位于儲油罐外安全的操作環(huán)境中，將清理模式、信息反饋有機統(tǒng)一，使得清灌工作安全化、簡單化、智能化，有效地解決了儲油罐清理中的諸多問題。

圖6 儲油罐油泥清理機器人

如圖7所示為基于超高壓水射流的混凝土破拆機器人，基于超高壓水射流研制的混凝土破拆機器人，水射流壓力范圍可達到120 MPa~400 MPa，混凝土破拆厚度大于200 mm，具備高能、冷態(tài)、點割的特點，破拆時不產(chǎn)生分層、無熱聚集、無熱影響區(qū)、無粉、煙塵污染等特點，提高了破拆質(zhì)量，尤其是在易燃易爆的環(huán)境下，避免了造成二次災(zāi)害。

圖7 基于超高壓水射流的混凝土破拆機器人

如圖8所示為基于雙目云臺和環(huán)境監(jiān)測功能的履帶機器人，該履帶機器人具有雙目云臺控制功能，控制距離5 km；攝像頭升降功能；雙波段視頻成像功能系統(tǒng)；現(xiàn)場環(huán)境四參數(shù)反饋功能；監(jiān)測環(huán)境有毒氣體；語音播報功能等功能，履帶式機器人可用于機器視覺研究、更強調(diào)應(yīng)用，并且配備了高精度伺服控制和紅外、視覺、激光、超聲等傳感器，具有較高的教學(xué)和科研應(yīng)用價值。

圖8 基于雙目云臺和環(huán)境監(jiān)測功能的履帶機器人

4 結(jié)束語

為培養(yǎng)世界技能大賽移動機器人方面的人才，天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司從設(shè)備研發(fā)、選手培訓(xùn)到舉辦“博諾杯”移動機器人大賽，投入了大量的人力物力；一方面，讓移動機器人設(shè)備經(jīng)受了各種考驗；另一方面，通過本次比賽，推動了智能制造的技術(shù)進步，加快了博諾機器人挺進“中國制造2025”的步伐，為智能制造人才培養(yǎng)添翼，打造智能制造教育裝備領(lǐng)先企業(yè)。天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司將繼續(xù)堅持“政產(chǎn)學(xué)研用”的產(chǎn)品開發(fā)路線，專注于機器人及機器人技術(shù)為核心的教育裝備與自動化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，踐行中國制造2025.

[1]15金7銀8銅！世界技能大賽中國代表團創(chuàng)歷史最佳[EB/OL].[2017-10-20].http：//huaren.haiwainet.cn/n/2017/1020/c232657-31154550.html.