5G+AI潔凈機器人

王樂

非凡智能機器人有限公司 遼寧 沈陽 110153

引言

由于醫(yī)療、食品、海鮮行業(yè)對進出港口集裝箱清潔程度要求不斷提高，為了減少環(huán)境污染與能源浪費，5G+AI潔凈機器人應運而生，以滿足港口集裝箱清潔的需求。

國內集裝箱運輸事業(yè)飛速發(fā)展，越來越多的易污染貨物和危險貨物轉向采用集裝箱裝運。然而裝過危險貨物或其他污染物的集裝箱不同程度地受到所裝貨物的污染。按國際危險貨物運輸?shù)囊?guī)定，凡裝運過危險貨物的集裝箱，必須經(jīng)過清洗和去除箱體上的危險貨物標記，具備清潔、干燥、無異味的基本條件后才能再次使用，所以，在各港口和集裝箱堆場開展集裝箱清洗業(yè)務勢在必行。

1 核心技術成果

1.1 5G+AI潔凈機器人實現(xiàn)了減少環(huán)境污染

5G+AI潔凈機器人在改善環(huán)境污染，消除能源浪費和人工智能設計上做出突破性貢獻。

①減少環(huán)境污染（傳統(tǒng)采用熱水和化學藥劑清洗）。解決了由化學藥水的清洗產(chǎn)生污水給環(huán)境帶來的污染問題，降低污染物排放量，符合2016年國務院發(fā)布了《國家環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》國家產(chǎn)業(yè)政策；②消除了傳統(tǒng)能源的浪費（傳統(tǒng)采用熱水和化學藥劑清洗）。采用干冰清洗，利用干冰升華物理特性直接變成氣體，消除了采用熱水清洗帶來的水資源和熱能的浪費；③5G+AI潔凈機器人具有柔性化作業(yè)，可實現(xiàn)我國所有標準集裝箱內壁無水清洗。

1.2 5G+AI潔凈機器人技術融合性

1.2.1 5G技術。融合5G技術，提升了網(wǎng)絡傳輸速度，5G技術的應用改善了時延傳輸問題，5G對時延的最低要求是1ms，甚至更低，應用后無卡頓現(xiàn)象。5G+AI潔凈機器人可選配手機、平板或PC客戶端，滿足多人登錄使用，目前已實現(xiàn)6人可同時間登錄查看設備運行情況。如清洗產(chǎn)能、設備故障率、歷史記錄等。同時在網(wǎng)絡安全建設初期加入了安全機制，信息加密，網(wǎng)絡并不是對所有人開放，只對有相對權限等級的人進行開放。

1.2.2 AGV激光導航技術。采用AGV激光導航方式進行指引，轉向采用差速輪結構。利用激光制導技術，通過激光器發(fā)射激光束照射反射板，由裝在機器人上的激光接收裝置接收目標反射的激光信號，算出清潔機器人偏離照射的程度自動調整清洗軌跡的功能，實時修正行進路線，實現(xiàn)無人智能清洗。

1.2.3 創(chuàng)新技術。設計上具有創(chuàng)新性、獨創(chuàng)性，以突破環(huán)保物理干冰清洗配合機器人技術，實現(xiàn)智能化清洗。

清洗采用物理干冰方法。利用熱沖擊原理、干冰升華和熱脹冷縮物理特性。干冰在-78.5℃時，在空氣壓縮機帶動下，噴頭高速將干冰噴射到被清洗集裝箱內壁表面。箱體表面附著的污物遇冷收縮，干冰遇熱體積迅速膨脹約800倍。在清洗表面形成沖擊爆破現(xiàn)象，使污物落下。由于干冰升華直接變成氣體，落下的污物里沒有干冰產(chǎn)生的廢物[1]。在由機器人前端清掃器將污物清掃到車下。AGV車上的吸塵器將污物進行回收。最終達到集裝箱清潔效果。

AGV車體配有攝像頭和二氧化碳濃度檢測器，在清洗行進過程中，可通過PC實時觀看清洗后的清潔程度，并對AGV行進速度和關節(jié)機器人清洗速度進行手動調整。二氧化碳濃度檢測器可實時進行監(jiān)測，當二氧化碳濃度達到設計值時自動開啟通風系統(tǒng)。

2 5G+AI潔凈機器人主要設備組成

整體設備占地面積為25.5m（長）×2.5m（寬）×3.1m（高），主要設備包含集裝箱清洗定位裝置、智能移動AGV系統(tǒng)、干冰清洗系統(tǒng)、工業(yè)吸塵器、六軸機器人等組成。設備組成如下圖所示：

圖 5G+AI潔凈機器人設備組成示意圖

2.1 集裝箱清洗定位裝置

集裝箱清洗定位裝置具有集裝箱定位功能。用于5G+AI潔凈機器人與被清洗集裝箱之間的位置擺放定位。清洗定位裝置配有多個鎖緊點，與集裝箱鎖進行連接鎖緊。鎖緊點可滿足不同型號的集裝箱使用。

2.2 智能移動AGV系統(tǒng)

智能移動AGV系統(tǒng)主要由AGV車體、驅動系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、自動充電系統(tǒng)、無線通信、電控系統(tǒng)組成。

2.2.1 AGV車體。主架采用不同規(guī)格的鋼板型材焊接而成。經(jīng)強度分析后倉體形成一個封閉的內腔，預留一定數(shù)量的排風扇安裝孔，用于安裝散熱風扇。其中倉體的四周有膠條密封，需有很好的防塵密封作用。車體上蓋拆卸方便，易于檢修。

2.2.2 驅動系統(tǒng)。采用差速輪由左右兩側的驅動輪組成。正常直線行駛時，兩差速輪速率相同，整體輪系保持水平。當車體糾偏要向左轉彎時，左側驅動輪速率降低，右側驅動輪速率上升，所以右側驅動輪相對于左側驅動輪行駛的更快，導致輪系整體向左傾斜。當車體達到轉彎需要的角度時，左右驅動輪速率保持不變，輪系整體傾斜角度相對于車體保持不變，然后車體就按照這一角度圓周轉彎。車體從轉彎變成直線行走過程反之。

2.2.3 導航系統(tǒng)。使用激光導航方式，地面無任何誘導線，可比較靈活的改變AGV行走路徑，使系統(tǒng)的柔性更大。

AGV使用專用激光測量傳感器，該傳感器使用紅外波段，低能量脈沖式激光，且不使用傳統(tǒng)的點式光源的光路，激光的光路發(fā)散，可保證在任何情況下均不會對人眼造成傷害，該傳感器使用“測距＋測角”的測量算法，使用專用處理器計算位置信息，既保證了系統(tǒng)的測量速度，又提高了測量的可靠性和精度，可充分保證AGV的控制精度[2]。

2.2.4 安全防護系統(tǒng)。采用組合式多重避障模式，由接觸式和非接觸式兩種避障組成，正常情況下為非接觸式避障為主，非接觸式避障失效時接觸式避障起到最后的安全保護作用。

在車身四周設置4個急停按鈕，分別布置于車身四角，以供緊急停車。

2.2.5 聲光報警系統(tǒng)。AGV上集成安裝有報警燈和語音模塊，在下列情況發(fā)生時會啟動聲光報警：①AGV各系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障；②導航系統(tǒng)定位失??；③避障功能啟動。

針對不同的情況，報警燈的顯示和提示聲音會有明顯區(qū)別，方便用戶判斷報警原因。

2.2.6 操作系統(tǒng)?？煞謨煞N操作模式，即自動運行模式、手控盒操作模式。

自動運行模式則為AGV調度系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等多系統(tǒng)實現(xiàn)AGV自動運行。

手動操作可以在轉運、調試等情況下使用。手動模式通過手控盒實現(xiàn)，手控盒可分為有線方式和無線方式兩種，根據(jù)客戶的要求進行選配，多用于產(chǎn)品調試期間及其他特殊情況等場合使用。

2.2.7 自動充電系統(tǒng)。AGV擁有電量監(jiān)測系統(tǒng)，平時利用箱體轉運時間隔進行充電，而當電量不足時，會自行到指定地點進行充電。

2.2.8 無線通信系統(tǒng)。AGV控制臺與AGV間采用無線通信方式，控制臺和AGV構成無線局域網(wǎng)?？刂婆_依靠無線局域網(wǎng)向AGV發(fā)出系統(tǒng)控制指令，任務調度指令，避碰調度指令[3]?？刂婆_同時可接收AGV發(fā)出的通訊信號。AGV依靠無線局域網(wǎng)向控制臺報告各類指令的執(zhí)行情況，如：AGV當前的位置，AGV當前的狀態(tài)。

通信中斷后不會造成AGV的死機或死等的狀態(tài)，當通信恢復后，AGV可以自動和控制臺建立通信聯(lián)系，無須關機重啟。

2.2.9 電控系統(tǒng)。小車的電控系統(tǒng)主要可分4大部分：分別是電池部分、驅動部分、通信部分以及控制部分。

電池部分：電池采用48V電池，為整車提供電源。電池放電端配有空開，在方便整車斷電的同時，也可防止因放電端短路造成設備損壞。

驅動部分：驅動部分采用直流驅動器，驅動器的電源輸入端配有空開與接觸器，空開可以有效地保護好電池以及驅動器，接觸器可以控制驅動系統(tǒng)通斷電。

通信部分：AGV內部通訊數(shù)據(jù)量比較大，而且通信設備多，所以車身本體包含諸多通訊方式，如：以太網(wǎng)、RS232、RS485、CAN總線通信等。

控制部分：單片機為整車系統(tǒng)提供控制指令，是整車控制的執(zhí)行機構，包括各電機啟停，各按鈕指示燈作用，各個繼電器、接觸器的動作、傳感器信號采集等。

2.3 干冰清洗系統(tǒng)

干冰清洗系統(tǒng)具有自動生產(chǎn)干冰功能。在空氣壓縮機帶動下將生產(chǎn)的干冰高速噴射到被清洗集裝箱內壁表面。

干冰清洗機料筒周期性添加干冰，整體可拆卸。工作壓力5.5Bar，空氣消耗量1.4 4.7m3/min，干冰量調節(jié)范圍0 3.2kg/min。

清洗速度：12m集裝箱用時24分/臺，6m集裝箱用時12分/臺。

2.4 工業(yè)吸塵器

具有污物收集功能。利用AGV前端的清掃器將污物清掃到AGV車下。在通過工業(yè)吸塵器進行回收。

2.5 六軸機器人

具有柔性擺動功能。機器人帶動干冰噴頭進行柔性擺動，實現(xiàn)集裝箱無死角清潔。在機器人端部裝有監(jiān)控攝像頭，可隨時觀看清洗后清潔程度。根據(jù)集裝箱污染的程度，手動調整機器人和AGV行進速度。達到人機協(xié)同作業(yè)效果。

3 環(huán)境保護措施

3.1 廢氣治理

設計中的廢氣主要是干冰氣化產(chǎn)生的二氧化碳，利用送排風風機將室內有污染的空氣強制排向室外，干冰使用量很小，其產(chǎn)生的二氧化碳對環(huán)境空氣基本無影響。

3.2 廢水治理

用干冰顆粒對污垢進行破碎分離，無水清洗因此無廢水產(chǎn)生。

3.3 固廢治理

用干冰顆粒對污垢進行破碎分離，固廢由于重力落至地面，集裝箱清洗機器人附帶清掃吸塵機構將固廢吸走集中處理，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。

4 經(jīng)濟和效益分析

①減少了人工成本，帶來了經(jīng)濟效益提升；②提高了工作效率，帶來了經(jīng)濟效益提升；③減少環(huán)境污染，帶來了生態(tài)效益提升；④消除了傳統(tǒng)能源的浪費，帶來了生態(tài)效益和社會效益的提升。

5 結束語

針對5G+AI潔凈機器人項目研究，對現(xiàn)有市場需求進行了充分分析，提出了自動化解決方案，以上所述，項目投資少、風險小、效益好，減少環(huán)境污染，前景廣闊，是非常可行的，可進行行業(yè)內推廣。