姚志廣，任曉霞，趙浩成

（山西能源學(xué)院α.機電工程系；b.能源化學(xué)與材料系，山西 晉中 030619）

室內(nèi)裝修是每位住房業(yè)主入住前需要完成的一項重要工作，需要業(yè)主經(jīng)常到施工現(xiàn)場進行監(jiān)督與檢查.裝修工地一旦監(jiān)管不力，就會出現(xiàn)裝修材料不合格，材料進場時貨不對板，入場后材料丟失等問題.施工環(huán)節(jié)不透明，施工人員操作規(guī)范性和施工質(zhì)量得不到有效保障；裝修設(shè)計師精力有限，難以顧及所有項目工地，無法有效控制設(shè)計效果；裝修公司和開發(fā)商的項目分散，施工管理難，管理效率低，派出的監(jiān)管人員匯報的情況不全面，且成本較高.為了解決以上問題，本研究在進行實地調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前流行的4G/5G 遠(yuǎn)程通信控制技術(shù)，設(shè)計出一款基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)裝修施工巡檢機器人.其能夠幫助業(yè)主、裝修公司、開發(fā)商、設(shè)計師對房屋裝修情況進行全方位實時檢測，使施工環(huán)節(jié)透明化，極大地消除業(yè)主對于房屋裝修情況的擔(dān)心.

該機器人有靈活移動的機械本體，可以實現(xiàn)裝修現(xiàn)場的無死角監(jiān)控，利用遠(yuǎn)程通信控制技術(shù)，結(jié)合開發(fā)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計師、業(yè)主、裝修公司和開發(fā)商在同一應(yīng)用平臺上對裝修圖紙進行同步修改，保證了設(shè)計師的設(shè)計效果有效落地.同時，該機器人配備無人值守功能，可在無人值守時進行巡檢，并對可能出現(xiàn)的火情、盜竊等情況進行報警，可有效代替裝修監(jiān)管人員，大大降低裝修成本.

1 總體設(shè)計

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人總體設(shè)計思路是：通過該機器人，業(yè)主、裝修公司、開發(fā)商和設(shè)計師可以實時對機器人進行指令的下達(dá)，實現(xiàn)機器人對施工現(xiàn)場的實時移動、跟蹤、檢測、對話等基本功能；裝修公司和設(shè)計師與現(xiàn)場的裝修人員，可以通過專門的軟件系統(tǒng)利用裝修施工巡檢機器人實現(xiàn)對裝修方案同步優(yōu)化，并且該機器人可作為智能化裝修工具對房屋進行輔助裝修.為了實現(xiàn)上述主要功能，在對裝修施工現(xiàn)場環(huán)境進行綜合分析后，對基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡測機器人本體進行了設(shè)計，其主要包括巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、自主充電裝置、視頻移動平臺、搭載機器人操作系統(tǒng)的可視化交互平臺和遠(yuǎn)程操控終端等.總體設(shè)計示意圖如圖1 所示.

圖1 機器人總體設(shè)計圖

2 本體設(shè)計

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人本體結(jié)構(gòu)可分為機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、自主充電裝置、視頻移動平臺、可視化交互平臺及遠(yuǎn)程操控終端等.

2.1 機械結(jié)構(gòu)

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人本體機械結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，包括底盤（12）和懸架（24）懸架和底盤通過連接軸（25）連接，連接軸有兩根，其平行橫向架設(shè)在底盤的前、后部.每根連接軸連有4 個懸架，對稱分布于連接軸兩端，每個懸架上設(shè)置一個減震器（26）減震器的一端與懸架相連，另一端和底盤相連，用于緩沖由不平路面?zhèn)鹘o底盤或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證巡檢機器人平順行駛.

圖2 機器人本體機械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 驅(qū)動機構(gòu)

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人的驅(qū)動機構(gòu)包括：1.車輪；27.法蘭聯(lián)軸器；2.減速電機和驅(qū)動器等組件.車輪有4 個，前后左右對稱分布在底盤下方，每個車輪通過法蘭聯(lián)軸器與減速電機連接，每個減速電機和機器人本體部分的懸架（24）相連.驅(qū)動器組件有4 個，分別通過信號線與減速電機相連，固定于底盤（12）下端，驅(qū)動器通過主控制器發(fā)出的主控制信號實現(xiàn)對減速電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制.

2.3 充電裝置

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人的自主充電裝置（9）結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，包括：（28）外殼；（21）步進電機；（20）滾珠絲桿；（29）絲桿螺母；（30）絲桿固定架；（19）插頭. 外殼（28）為長方體半封閉式外殼，有2 個，其外形一樣，兩者通過卡槽反方向相連，可沿卡槽方向移動.其中一個外殼與機器人底盤（12）固定連接，水平位于底盤長中心線下側(cè)；一端裝有步進電機，另一端裝有絲桿固定架，絲桿固定架與步進電機同軸布置.滾珠絲桿的一端固定在絲桿固定架上，另一端與步進電機軸通過梅花聯(lián)軸器（31）連接.另一個外殼的一端裝有插頭，另一端連接有絲桿螺母.絲桿螺母（29）與滾珠絲桿（20）同軸連接.步進電機（21）轉(zhuǎn)動帶動絲桿螺母（29）、插頭（19）和其中一個外殼沿卡槽前后移動，實現(xiàn)插頭自主插入插座的功能.

圖3 充電機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 視頻移動平臺

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人的視頻移動平臺如圖4 所示，包括支撐架（18）、支撐板（5）、攝像頭（6）、步進電機（3）、滾珠絲桿（4）、絲桿螺母（32）.支撐架為半開放式空心長方體，豎直固定于機器人底盤（12）長中心線一側(cè)，步進電機有2 個，對稱安裝于支撐架下端.絲桿固定架（33）有2個，固定安裝于支撐架（18）上端，且與步進電機上下對稱.滾珠絲桿有2 根，其中一端分別與2 個步進電機軸通過梅花聯(lián)軸器23 連接，另一端分別固定于2 個絲桿固定架上.絲桿螺母與滾珠絲桿同軸連接，支撐板固定在兩個絲桿螺母上，與底盤平行.攝像頭固定在支撐板上，實現(xiàn)攝像頭上下移動和水平360°旋轉(zhuǎn)，無死角地實時監(jiān)測室內(nèi)裝修情況.

圖4 視頻移動平臺示意圖

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人搭載機器人操作系統(tǒng)的可視化交互平臺（15）包含視頻采集系統(tǒng)、導(dǎo)航定位模塊（22）、語音通話模塊（14）、AI 視頻圖像處理模塊（7）.其中視頻采集系統(tǒng)用于獲取裝修施工現(xiàn)場的視頻畫面，并通過通信系統(tǒng)傳輸至操控終端；語音通話模塊固定于底盤的一側(cè)，通過語音模塊可實現(xiàn)施工人員與業(yè)主、裝修公司、開發(fā)商、設(shè)計師等進行實時溝通.機器人的導(dǎo)航定位模塊固定于底盤的另一端，導(dǎo)航定位模塊以激光雷達(dá)為主，超聲探距模塊為有效補充，機器人利用激光雷達(dá)進行SLAM 實時地圖構(gòu)建與定位掃描，在避障的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最短路徑導(dǎo)航.AI 視頻圖像處理模塊固定于底盤上，且位于語音通話模塊同側(cè)，AI 視頻圖像處理模塊通過圖像識別算法，將從視頻顯示系統(tǒng)獲取的視頻圖像進行AI 處理，與裝修的工藝標(biāo)準(zhǔn)和歷史檢測數(shù)據(jù)對比分析，得出工程質(zhì)量結(jié)果，AI 視頻圖像處理模塊還可自主識別裝修材料，人為在可視化交互平臺（15）上點開出入庫功能，入庫和出庫搬運時，讓攝像頭（6）進行掃描記錄材料的采購和使用情況，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場的實時監(jiān)管和質(zhì)量控制的全面智能化，減少了人工勞動，極大地提高了裝修管控效率.

3 控制模塊設(shè)計

基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人主控制器（13）以STM32F103ZET6 作為控制核心.主控制器（13）與遠(yuǎn)程控制終端通過4G/5G 模塊相連接聯(lián)合控制機器人進行工作，主控制器（13）用于獲取遠(yuǎn)程操控終端發(fā)出的控制信息，并對其進行處理發(fā)送給巡檢機器人，從而控制巡檢機器人檢測房屋裝修情況.主控制器（13）還用于獲取攝像頭（6）、超聲波模塊（10）、導(dǎo)航定位模塊（22）、煙霧報警器（17）反饋的信息，并對其進行處理發(fā)送給巡檢機器人，控制巡檢機器人按制定路線自主巡檢，且能自主避障，其邏輯控制圖如圖5 所示.

圖5 機器人控制模塊邏輯控制圖

4 功能設(shè)計

為了能夠更好地實現(xiàn)機器人與業(yè)主、裝修公司、開發(fā)商和設(shè)計師進行友好交互，基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢，機器人在完成本體結(jié)構(gòu)設(shè)計與基本控制基礎(chǔ)上，還設(shè)計了如下功能：

（1）通過遠(yuǎn)程控制終端控制巡檢機器人，獲取施工現(xiàn)場中的視頻畫面，AI 視頻圖像處理系統(tǒng)通過人工智能分析視頻畫面得出工程質(zhì)量結(jié)果，通過掃描識別采購的裝修材料，記錄材料的出入庫，監(jiān)管人員通過語音通話系統(tǒng)對裝修問題實時溝通，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場的實時監(jiān)管和質(zhì)量控制的全面智能化，起到輔助裝修的功能，減少了人工勞動，極大地提高了裝修施工的監(jiān)管效率.

（2）通過人臉識別技術(shù)自動識別家裝施工現(xiàn)場的非授權(quán)人員，然后進行報警，并且自動拍照錄像傳輸至遠(yuǎn)程操控終端，提醒家裝現(xiàn)場施工人員以及監(jiān)控人員.

（3）通過通信傳輸技術(shù)，業(yè)主、設(shè)計師、裝修公司和開發(fā)商在遠(yuǎn)程操控終端上對圖紙進行同步修改.

（4）通過電量檢測模塊檢測電池電量狀態(tài)，當(dāng)電量低于10%時，機器人自主行進到充電口，充電裝置的步進電機旋轉(zhuǎn)，帶動絲桿和插頭向前運動，將插頭插到插座上，實現(xiàn)自主充電.

（5）視頻移動平臺通過采用絲桿傳動和水平旋轉(zhuǎn)云臺相結(jié)合的形式，使攝像頭能夠360°全方位無死角地對裝修現(xiàn)場進行檢測.

（6）巡檢機器人底盤采用車架、懸架、減震器相連接的形式，可以緩沖由不平路面?zhèn)鹘o底盤或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證巡檢機器人平順行駛.

（7）監(jiān)控人員在使用的過程中可自由切換自主巡檢和遠(yuǎn)程遙控兩種模式，操作簡單，省時省力，而且機器人造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強，具有較高的穩(wěn)定性、實用性、安全性.

5 應(yīng)用場景分析

5.1 遠(yuǎn)程操控模式場景分析

當(dāng)裝修施工巡檢機器人處于遠(yuǎn)程操控模式時，監(jiān)控人員想要控制巡檢機器人到達(dá)檢測位置，可通過手機終端將控制信號發(fā)送至主控制器（13）上.主控制器（13）控制減速電機（2）的轉(zhuǎn)動，減速電機（2）進行動力轉(zhuǎn)化后帶動法蘭聯(lián)軸器（27）轉(zhuǎn)動，最后驅(qū)動車輪（1）轉(zhuǎn)動，從而完成巡檢機器人在裝修施工環(huán)境里的移動功能.超聲波傳感器（10）可感應(yīng)巡檢機器人周圍障礙物的存在情況，將信號傳輸至主控制器（13），主控制器（13）將處理后的信號發(fā)送到手機端.監(jiān)控人員可以通過手機端遠(yuǎn)程控制攝像機移動平臺，控制攝像頭（6）上下移動，左右旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對房屋全方位的實時監(jiān)管. AI 視頻圖像處理系統(tǒng)（7）將采集的視頻圖像進行分析，與裝修的工藝標(biāo)準(zhǔn)和歷史檢測數(shù)據(jù)對比分析，得出工程質(zhì)量結(jié)果.當(dāng)出現(xiàn)裝修問題時，監(jiān)控人員可操控手機，通過語音通話系統(tǒng)（14），實時與施工人員進行溝通.當(dāng)裝修圖紙出現(xiàn)問題時，監(jiān)控人員可在PC 端遠(yuǎn)程對移動端（15）上的圖紙進行修改，并與施工人員及時溝通.自動識別模塊通過人臉識別技術(shù)自動識別非授權(quán)人員報警，并自動拍照錄像上傳至后臺，可提醒施工人員以及監(jiān)控人員.當(dāng)煙霧傳感器（17）檢測到煙霧達(dá)到一定濃度時，對施工人員和監(jiān)控人員進行報警.當(dāng)電量低于總電量10%時，監(jiān)控人員在手機端遠(yuǎn)程操控機器人行進到充電口位置進行充電，監(jiān)控人員通過遠(yuǎn)程控制端控制巡檢機器人實現(xiàn)視頻圖像采集、與施工人員同步實時通話、對裝修圖紙實時同步修改，并且通過AI 視頻圖像處理系統(tǒng)分析視頻畫面得出質(zhì)量結(jié)果，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的實時監(jiān)管和質(zhì)量控制.采用橡膠輪胎還可翻越小臺階和雜物.

5.2 自動巡檢模式場景分析

當(dāng)裝修施工巡檢機器人處于自主巡檢模式時，通過定時器指定6 點、13 點、22 點這三個時間點巡檢機器人開始自主巡檢，按照輸入的線路數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)巡檢機器人對裝修環(huán)境的巡檢.超聲波傳感器（10）可感應(yīng)巡檢機器人周圍障礙物的存在情況，將信號傳輸至主控制器（13）.主控制器（13）對其信號進行處理，控制機器人自主躲避障礙物.攝像頭（6）通過定時器，按照規(guī)定的時間循環(huán)上下移動，左右旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對房屋全方位的實時監(jiān)管.AI 視頻圖像處理系統(tǒng)（7）將采集的視頻圖像進行分析，與裝修的工藝標(biāo)準(zhǔn)和歷史檢測數(shù)據(jù)對比分析，得出工程質(zhì)量結(jié)果.當(dāng)出現(xiàn)裝修問題時，監(jiān)控人員可通過語音通話系統(tǒng)（14）實時與施工人員進行溝通.當(dāng)裝修圖紙出現(xiàn)問題時，監(jiān)控人員可在PC 端遠(yuǎn)程對移動端上的圖紙進行修改，并與施工人員及時溝通.自動識別模塊通過人臉識別技術(shù)自動識別非授權(quán)人員報警，并自動拍照錄像上傳至后臺，可提醒施工人員以及監(jiān)控人員.當(dāng)煙霧傳感器（17）檢測到煙霧達(dá)到一定濃度時，對施工人員和監(jiān)控人員進行報警.當(dāng)電量達(dá)到10%時，巡檢機器人會自主行進到充電口位置進行充電.

當(dāng)裝修施工巡檢機器人的工作環(huán)境為夜間時，巡檢機器人可執(zhí)行自動巡檢模式，運用導(dǎo)航定位模塊（22），機器人按規(guī)定的路線行進，在接收到超聲傳感器（10）的障礙物信息后，可自主避障；通不過障礙物時，會進行報警并將機器人的狀態(tài)信息發(fā)送到監(jiān)控人員手機端應(yīng)用平臺APP 上. 視頻顯示系統(tǒng)的夜視功能可在夜間檢測是否有人進入房屋，檢測到有人進入時可對監(jiān)控人員進行報警，有效地預(yù)防了夜間盜竊材料的問題.煙霧報警器（17）可實時檢測房屋內(nèi)的煙霧濃度，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時對用戶進行報警，有效地避免了火災(zāi)的發(fā)生.巡檢機器人也可執(zhí)行遠(yuǎn)程操控模式，監(jiān)控人員可以通過手機遠(yuǎn)程操控巡檢機器人，讓其移動到檢測地點，監(jiān)控人員可根據(jù)回傳的視頻，檢測房屋是否漏水、是否發(fā)生火災(zāi)、是否有人員闖入.

6 總結(jié)

綜上所述，所設(shè)計的基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的裝修施工巡檢機器人本體，包括機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、自主充電裝置、攝像頭移動平臺及搭載有機器人操作系統(tǒng)的可視化交互平臺和遠(yuǎn)程操控終端等部分.既可以為裝修施工過程中裝修工地監(jiān)管不力、設(shè)計師與現(xiàn)場施工人員溝通不暢、業(yè)主不能對裝修情況進行實時監(jiān)督的情況提供一條切實可行的解決途徑，也可在無人值守時進行自動巡檢，有效代替裝修監(jiān)管人員的工作，進而大大降低裝修成本.