一種可自動(dòng)運(yùn)行于大型場(chǎng)館中的消殺機(jī)器人研究*

時(shí) 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(chē)又稱(chēng)自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)，是一種集機(jī)械、電子、控制、計(jì)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(dòng)設(shè)備，已廣泛運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)工廠、有毒有害環(huán)境、智能物流基地中，如汽車(chē)制造車(chē)間物料運(yùn)送、焊接車(chē)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間艱苦抗?fàn)?，?guó)內(nèi)疫情現(xiàn)已得到基本控制，在新冠肺炎的抗?fàn)庍^(guò)程中，智能機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)距2022 年北京冬奧會(huì)越來(lái)越近，屆時(shí)北京將成為全世界的焦點(diǎn)，場(chǎng)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(chē)、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(jì)了一款可自動(dòng)運(yùn)行于大型場(chǎng)館中的消殺機(jī)器人，對(duì)公共衛(wèi)生服務(wù)業(yè)、醫(yī)療業(yè)的未來(lái)發(fā)展，以及提高消殺效率、減少感染風(fēng)險(xiǎn)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(chē)運(yùn)行部分、小車(chē)避障系統(tǒng)、伸縮噴霧臂。其中，小車(chē)運(yùn)行部分主要包括AGV 小車(chē)整體驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)與其電機(jī)控制系統(tǒng)，可對(duì)AGV小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)與爬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。小車(chē)避障系統(tǒng)主要包括紅外光電傳感器與觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，能夠?qū)ε龅降奈矬w進(jìn)行避讓?zhuān)ＷCAGV 小車(chē)順利運(yùn)行，伸縮噴霧臂有6 個(gè)噴霧嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)行過(guò)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(jì)

智能?chē)娏芟到y(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(mǎn)足藥物儲(chǔ)存、藥量低位監(jiān)控以及供給壓力檢測(cè)功能，藥物輸送模塊可將經(jīng)過(guò)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(kāi)角度的動(dòng)作以滿(mǎn)足不同場(chǎng)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(dòng)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(dòng)力供應(yīng)單元，電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器作為反饋信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)讀取旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)對(duì)比目前所需速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)館中鋪設(shè)導(dǎo)向磁條，通過(guò)磁導(dǎo)傳感器反饋的磁條位置信息，來(lái)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(dòng)循跡及導(dǎo)向的功能。磁導(dǎo)式自動(dòng)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(dòng)避障系統(tǒng)可完成更加穩(wěn)定智能的自動(dòng)循跡功能，如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)部分控制原理圖

2.2 自動(dòng)避障系統(tǒng)

消殺機(jī)器人配備自動(dòng)避障系統(tǒng)，自動(dòng)避障系統(tǒng)由多個(gè)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(dòng)避障系統(tǒng)的工作范圍的調(diào)節(jié)，當(dāng)在自動(dòng)避障系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物后，由傳感器反饋信號(hào)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(dòng)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(dòng)以及對(duì)是否需要停止噴藥進(jìn)行判斷，或單獨(dú)停止某一個(gè)或某幾個(gè)噴嘴，如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)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(cè)等。藥量低位監(jiān)控采用開(kāi)關(guān)量檢測(cè)，當(dāng)藥物水位到達(dá)最低限度時(shí)將停止噴藥，并發(fā)出報(bào)警，避免出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)而燒毀水泵的風(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)景自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出壓力。水泵的控制采用開(kāi)關(guān)量輸出，控制水泵電源供應(yīng)。壓力檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(guò)高的情況下降低供給壓力，過(guò)程智能化，不用人工介入，適用更多場(chǎng)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(hào)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(guò)集成繼電器對(duì)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(lái)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(hào)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定壓力值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)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(hào)來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制單元通過(guò)PWM 方式控制末端執(zhí)行器的伸縮及展開(kāi)角度，PWM 的控制方式使電動(dòng)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(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到接近開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)時(shí)，說(shuō)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(duì)電動(dòng)伺服系統(tǒng)發(fā)送停止信號(hào)，停止噴霧臂的伸展，并向水泵控制系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，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(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的消殺機(jī)器人系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)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(dòng)部分采用履帶式設(shè)計(jì)，直流電機(jī)作為動(dòng)力供應(yīng)單元，電機(jī)配備驅(qū)動(dòng)器提供相應(yīng)功率，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制。控制單元采用模擬量方式給定電機(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(guò)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(jiǎn)單的人機(jī)交互，如：剩余藥量報(bào)警、剩余電量報(bào)警、輸送壓力報(bào)警等交互信息。操作模塊包括電源總開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕等操作按鈕，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止及緊急情況下的緊急處置。

3.1 驅(qū)動(dòng)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶控制比麥克納姆輪四輪控制簡(jiǎn)單，其采用的是差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)向時(shí)保持直線行駛速度不變的點(diǎn)在車(chē)輛的幾何中心，在轉(zhuǎn)向時(shí)只需要使左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶的速度不一樣即可。對(duì)于履帶控制來(lái)說(shuō)，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(guò)程中要保證兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶的速度一樣?？梢酝ㄟ^(guò)STM32 單片機(jī)進(jìn)行PID 閉環(huán)精準(zhǔn)控制來(lái)解決其難點(diǎn)。消殺機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 消殺機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.2 噴霧部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)所帶來(lái)的后坐力，不會(huì)輕易彎折，使本設(shè)備更加堅(jiān)固可靠。噴霧臂的伸展控制采用電動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，噴嘴采用六個(gè)高強(qiáng)度合金噴嘴，可承受輸送模塊輸送來(lái)的高壓藥物，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)行過(guò)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(jì)的基于磁導(dǎo)技術(shù)的AGV 小車(chē)配合履帶行走機(jī)構(gòu)，搭載智能?chē)婌F系統(tǒng)，可以在大型場(chǎng)館樓梯上運(yùn)行，并且進(jìn)行噴霧作業(yè)，大大提高了場(chǎng)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(xiǎn)極大。消殺機(jī)器人可對(duì)大型場(chǎng)館中觀眾席進(jìn)行消殺作業(yè)，使得場(chǎng)館消殺作業(yè)高效，對(duì)于未來(lái)2022 年北京冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館消殺設(shè)備選型起到了重要參考價(jià)值與技術(shù)參考。