時 光，韓健睿，楊旭東，郭瑞蓮，王學(xué)雷，商宇凡

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

AGV（Automated Guided Vehicle）小車又稱自動引導(dǎo)運(yùn)輸車，是一種集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器以及人工智能等多學(xué)科于一體的現(xiàn)代化自動設(shè)備，已廣泛運(yùn)用在自動化生產(chǎn)工廠、有毒有害環(huán)境、智能物流基地中，如汽車制造車間物料運(yùn)送、焊接車間鋼板運(yùn)輸、快遞分揀等作業(yè)。2019 年底，新型冠狀病毒肺炎Corona Virus Disease 2019，COVID-19）暴發(fā)，經(jīng)過長時間艱苦抗?fàn)?，國?nèi)疫情現(xiàn)已得到基本控制，在新冠肺炎的抗?fàn)庍^程中，智能機(jī)器人在各個行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)距2022 年北京冬奧會越來越近，屆時北京將成為全世界的焦點(diǎn)，場館內(nèi)疫情防控保障措施更將成為重中之重。本文將AGV 小車、可控制噴淋系統(tǒng)及單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一款可自動運(yùn)行于大型場館中的消殺機(jī)器人，對公共衛(wèi)生服務(wù)業(yè)、醫(yī)療業(yè)的未來發(fā)展，以及提高消殺效率、減少感染風(fēng)險等有著重要的意義。

1 消殺機(jī)器人系統(tǒng)介紹

消殺機(jī)器人分為三大部分，分別是小車運(yùn)行部分、小車避障系統(tǒng)、伸縮噴霧臂。其中，小車運(yùn)行部分主要包括AGV 小車整體驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)與其電機(jī)控制系統(tǒng)，可對AGV小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)與爬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。小車避障系統(tǒng)主要包括紅外光電傳感器與觸點(diǎn)開關(guān)，能夠?qū)ε龅降奈矬w進(jìn)行避讓，保證AGV 小車順利運(yùn)行，伸縮噴霧臂有6 個噴霧嘴，實(shí)現(xiàn)對小車運(yùn)行過程中大范圍噴霧作業(yè)，如圖1 所示。

圖1 消殺機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2 消殺機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

智能噴淋系統(tǒng)包括藥物供給模塊、藥物輸送模塊以及伸展噴霧臂模塊。藥物供給模塊可滿足藥物儲存、藥量低位監(jiān)控以及供給壓力檢測功能，藥物輸送模塊可將經(jīng)過加壓的藥物輸送至末端噴霧臂，噴霧臂模塊可完成伸縮及展開角度的動作以滿足不同場景的特殊需求。消殺機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 消殺機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)控制

系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制模塊，直流電機(jī)作為動力供應(yīng)單元，電機(jī)通過驅(qū)動器完成其旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向的控制，單片機(jī)模擬量輸出控制電機(jī)速度，單片機(jī)開關(guān)量輸出控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過旋轉(zhuǎn)編碼器作為反饋信號，通過單片機(jī)讀取旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速信號來對比目前所需速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的目的。磁導(dǎo)傳感器安裝在消殺機(jī)器人底部，在場館中鋪設(shè)導(dǎo)向磁條，通過磁導(dǎo)傳感器反饋的磁條位置信息，來修正電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動循跡及導(dǎo)向的功能。磁導(dǎo)式自動循跡具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、耐久性良好等優(yōu)點(diǎn)，搭配自動避障系統(tǒng)可完成更加穩(wěn)定智能的自動循跡功能，如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動部分控制原理圖

2.2 自動避障系統(tǒng)

消殺機(jī)器人配備自動避障系統(tǒng)，自動避障系統(tǒng)由多個紅外光電傳感器及單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，紅外光電傳感器可調(diào)傳感距離，即可實(shí)現(xiàn)自動避障系統(tǒng)的工作范圍的調(diào)節(jié)，當(dāng)在自動避障系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)檢測到障礙物后，由傳感器反饋信號到單片機(jī)控制系統(tǒng)，由單片機(jī)控制系統(tǒng)做出判斷，根據(jù)自動循跡算法調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，或控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動以及對是否需要停止噴藥進(jìn)行判斷，或單獨(dú)停止某一個或某幾個噴嘴，如圖4 所示。

圖4 自動避障系統(tǒng)控制原理圖

2.3 藥物供給模塊

藥物供給模塊包括藥量低位監(jiān)控、水泵控制和壓力監(jiān)測等。藥量低位監(jiān)控采用開關(guān)量檢測，當(dāng)藥物水位到達(dá)最低限度時將停止噴藥，并發(fā)出報警，避免出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)而燒毀水泵的風(fēng)險及漏噴、缺噴的現(xiàn)象。本文采用可調(diào)壓力大功率節(jié)能水泵，在節(jié)能環(huán)保的前提下大幅度提高供給壓力，也可根據(jù)使用場景自動調(diào)節(jié)輸出壓力。水泵的控制采用開關(guān)量輸出，控制水泵電源供應(yīng)。壓力檢測系統(tǒng)監(jiān)測管道壓力，從而判斷是否存在壓力不足、管道阻塞的情況。在壓力不足的情況下調(diào)高供給壓力，在壓力過高的情況下降低供給壓力，過程智能化，不用人工介入，適用更多場景。

消殺機(jī)器人水泵控制系統(tǒng)核心為單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)讀取低藥量傳感器所發(fā)回的反饋信號從而控制水泵電源電路斷電停止水泵運(yùn)行，停止噴藥，并通過集成繼電器對人機(jī)交互指示燈中的低藥量低水位指示燈提供24V 電源，點(diǎn)亮低藥量指示燈。水泵的功率控制由壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制系統(tǒng)讀取壓力傳感器的模擬量壓力信號與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定壓力值進(jìn)行對比，通過算法算得設(shè)定壓力偏移量，根據(jù)偏移量向水泵輸出不同的模擬量信號來調(diào)節(jié)水泵輸出功率。藥物供給系統(tǒng)控制原理圖如圖5 所示。

圖5 藥物供給系統(tǒng)控制原理圖

2.4 伸展噴霧臂模塊

伸展噴霧臂控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制單元通過PWM 方式控制末端執(zhí)行器的伸縮及展開角度，PWM 的控制方式使電動伺服系統(tǒng)更加精確可控，角度及距離控制更加細(xì)膩、精準(zhǔn)。在伸展噴霧臂型材的固定位置安裝行程開關(guān)或接近開關(guān)，當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到接近開關(guān)或行程開關(guān)的輸入信號時，說明伸展噴霧臂已達(dá)到最大位置或預(yù)定位置，單片機(jī)控制系統(tǒng)將對電動伺服系統(tǒng)發(fā)送停止信號，停止噴霧臂的伸展，并向水泵控制系統(tǒng)發(fā)送啟動信號，水泵控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)功率系數(shù)進(jìn)行噴霧。

3 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的消殺機(jī)器人系統(tǒng)包括驅(qū)動部分、電機(jī)支架、水箱、控制模塊、操作模塊、伸展噴霧臂部分。

驅(qū)動部分采用履帶式設(shè)計，直流電機(jī)作為動力供應(yīng)單元，電機(jī)配備驅(qū)動器提供相應(yīng)功率，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制?？刂茊卧捎媚M量方式給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，高低電平給定電機(jī)轉(zhuǎn)向，電機(jī)速度控制通過旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)反饋。外側(cè)的直流電機(jī)位置可調(diào)，提高了適應(yīng)性。本研究可實(shí)現(xiàn)爬樓梯、原地旋轉(zhuǎn)、小角度轉(zhuǎn)彎、大角度轉(zhuǎn)彎等功能。安裝在控制箱外的指示燈可實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互，如：剩余藥量報警、剩余電量報警、輸送壓力報警等交互信息。操作模塊包括電源總開關(guān)、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕等操作按鈕，可實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)啟動、停止及緊急情況下的緊急處置。

3.1 驅(qū)動部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶控制比麥克納姆輪四輪控制簡單，其采用的是差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)向時保持直線行駛速度不變的點(diǎn)在車輛的幾何中心，在轉(zhuǎn)向時只需要使左右兩側(cè)的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動履帶的速度不一樣即可。對于履帶控制來說，其難點(diǎn)在于要使同一側(cè)的電機(jī)保持轉(zhuǎn)速一致，而且在消殺機(jī)器人直行過程中要保證兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動履帶的速度一樣?？梢酝ㄟ^STM32 單片機(jī)進(jìn)行PID 閉環(huán)精準(zhǔn)控制來解決其難點(diǎn)。消殺機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 消殺機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)

3.2 噴霧部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴霧臂采用單側(cè)兩根5m 的輕量化高強(qiáng)度鋁制型材及高壓噴嘴組成，鋁制型材重量輕、強(qiáng)度高，可承受高壓力噴霧時所帶來的后坐力，不會輕易彎折，使本設(shè)備更加堅固可靠。噴霧臂的伸展控制采用電動伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，噴嘴采用六個高強(qiáng)度合金噴嘴，可承受輸送模塊輸送來的高壓藥物，實(shí)現(xiàn)對小車運(yùn)行過程中大范圍噴霧作業(yè)。消殺機(jī)器人噴霧機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 消殺機(jī)器人噴霧機(jī)械結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的基于磁導(dǎo)技術(shù)的AGV 小車配合履帶行走機(jī)構(gòu)，搭載智能噴霧系統(tǒng)，可以在大型場館樓梯上運(yùn)行，并且進(jìn)行噴霧作業(yè)，大大提高了場館中消殺設(shè)備的智能化程度與消殺工作效率。傳統(tǒng)消殺作業(yè)主要是依靠人工完成，不但耗費(fèi)大量人力，效果也不理想，效率低，而且感染風(fēng)險極大。消殺機(jī)器人可對大型場館中觀眾席進(jìn)行消殺作業(yè)，使得場館消殺作業(yè)高效，對于未來2022 年北京冬奧會運(yùn)動場館消殺設(shè)備選型起到了重要參考價值與技術(shù)參考。