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(shí)代的到來，在“機(jī)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(jī)器人平臺，即遠(yuǎn)程綜合應(yīng)急地面機(jī)器人平臺(以下簡稱“機(jī)器人平臺”)，該機(jī)器人平臺具備全地形通行能力、環(huán)境適應(yīng)能力、遠(yuǎn)距離通信和操控能力、較大承重負(fù)載和電力續(xù)航等特性；在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面預(yù)留較大內(nèi)部空間，用于提升機(jī)器人平臺的擴(kuò)展性，從而實(shí)現(xiàn)通過在機(jī)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(yuǎn)程綜合應(yīng)急機(jī)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(yùn)動(dòng)中的主要部件之一。無論是框式結(jié)構(gòu)還是其他機(jī)構(gòu)，考慮極端情況車體可能會(huì)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(xiǎn)部分(圖1)。

對機(jī)器人平臺整車、整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可維修性等質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)予以確認(rèn)；對安全件，如制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度、安全性設(shè)計(jì)評價(jià)以及耐久性、疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分考慮車的環(huán)境、振動(dòng)、噪音、風(fēng)、霧、寒、塵、雨、熱等因素影響。

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

1.2 電池

機(jī)器人平臺采用48 V 60 Ah動(dòng)力鋰電池組為動(dòng)力，電芯采用18650動(dòng)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(xì)數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)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(dòng)裝置

由車輪履帶、減速器、制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及速度控制器等部分組成，是控制機(jī)器人平臺正常運(yùn)行的裝置。其運(yùn)行指令由計(jì)算機(jī)或人工控制器發(fā)出，運(yùn)行速度、方向、制動(dòng)的調(diào)節(jié)分別由計(jì)算機(jī)控制。為了安全，在斷電時(shí)制動(dòng)裝置能靠機(jī)械實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

1.3.1 行進(jìn)方式

行進(jìn)方式采用履帶式，因?yàn)槁膸降妆P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(jī)器人平臺全地形行進(jìn)需求。

1.3.2 伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

控制后輪驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的原動(dòng)力機(jī)構(gòu)，是支持和為整個(gè)機(jī)器人平臺提供動(dòng)力的元件。它的選取關(guān)系到車體的運(yùn)動(dòng)快慢及其能夠產(chǎn)生的扭矩大小、驅(qū)動(dòng)力的強(qiáng)弱。

機(jī)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(xiàng)目選取了額定功率為0.75 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而轉(zhuǎn)向電機(jī)功率則相對較小，為0.4 kW。

1.3.3 控制模塊

機(jī)器人平臺包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng))、發(fā)回機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息(圖2)。

遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)用于接收機(jī)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(jī)器人及機(jī)載設(shè)備指令，通過手柄控制器，用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及執(zhí)行機(jī)載任務(wù)，自動(dòng)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(jī)器人

天津?yàn)I海新區(qū)8·12特大爆炸事件發(fā)生后，對于爆炸中心點(diǎn)污染物的取樣工作采用人工采樣方式危險(xiǎn)性高、效率低。針對該需求，南京理工大學(xué)北方研究院在機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)智能采樣機(jī)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)?？蓪?shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的硫化氫、氨氣、VOC、臭氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過負(fù)壓式真空氣體采樣箱，進(jìn)行氣體樣本的采集，用于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析和樣本留存(圖3)。

2.2 遠(yuǎn)程智能消防機(jī)器人系統(tǒng)

消防機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種，在滅火和搶險(xiǎn)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?xì)狻⒍練庑孤┍?、隧道、地鐵坍塌等災(zāi)害隱患不斷增加，消防機(jī)器人能代替消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋。

在機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)遠(yuǎn)程智能消防機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)由消防機(jī)器人與地面控制站兩大部分組成，消防機(jī)器人主要負(fù)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(fù)責(zé)將現(xiàn)場機(jī)器人所采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等，消防機(jī)器人與地面控制站之間通過數(shù)圖傳電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖像的顯示(圖4)。

2.3 全地形智能巡邏機(jī)器人

針對大型涉密園區(qū)“機(jī)防”“技防”代替“人防”的需求，在機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上應(yīng)用開發(fā)集遠(yuǎn)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(jī)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(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)更新和傳輸數(shù)據(jù)；通過數(shù)圖傳電臺配合高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)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(jī)器人的通用需求，打造遠(yuǎn)程綜合應(yīng)急機(jī)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(jī)器人，可基于該機(jī)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(shí)減少開發(fā)周期和成本?！?/p>