履帶式巡邏機器人設(shè)計

侯汝興，宋杰，趙佳峰，付騰飛，蘇樂樂，李建威

履帶式巡邏機器人設(shè)計

侯汝興，宋杰*，趙佳峰，付騰飛，蘇樂樂，李建威

（青島工學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

設(shè)計并制作了一部履帶式巡邏用機器人，該款機器人既可以通過對路邊配置的信號源發(fā)射的信號進行識別與判斷，按照規(guī)定路徑循跡行進，也可采用人工遠程控制方式行進。機器人借助高分辨旋轉(zhuǎn)式攝像頭對倉儲區(qū)域內(nèi)物料進行巡邏檢查。機器人安裝有溫度傳感器、濕度傳感器，能夠?qū)}庫安全性進行動態(tài)實時監(jiān)測，判斷明火火源，通過無線傳輸，準確及時進行險情報警。機器人也可實現(xiàn)對存儲物品的種類、數(shù)量進行統(tǒng)計等工作。

履帶式；巡邏；機器人

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，目前的人力巡邏或CCD定位監(jiān)控已不能滿足夜間保安的要求，且費用較高[1-2]。借助巡邏機器人進行實時巡邏監(jiān)視，通過實時的信息傳輸可以保證工作人員及時了解需要巡查的現(xiàn)場的情況。這樣既提高了工作效率、保證了物資倉儲的安全性，同時也可以有效減輕工作人員的工作強度[3-6]。

目前國內(nèi)外已有針對履帶式巡邏機器人的研究，例如，臺灣師范大學(xué)教授王偉彥率領(lǐng)研究團隊，研發(fā)一款命名為“NTNUCIR-I”的履帶式機器人，特色是不必人為操縱，可以自主偵測地形與判斷行走路線[7]。

本文設(shè)計的巡邏用機器人，采用履帶轉(zhuǎn)動方式行進，通過傳感器采集各種光電信息后，直接傳給報警器，并反饋給主控室，可有效實現(xiàn)對外部環(huán)境的實時監(jiān)測。履帶式運行方式便于適應(yīng)各種復(fù)雜路況地形的場地。設(shè)計制作的巡邏機器人也可通過主控室進行遠程控制，在相應(yīng)的路段進行巡邏，并對多種險情進行自動報警處理。履帶式倉庫巡邏機器人可基本滿足倉庫安保、場地巡邏等功能需要，用于夜間巡邏可有效克服人員夜間易疲勞的缺點，并且減少了人力物力投入，具有經(jīng)濟、實用、適應(yīng)能力強等特點。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作

履帶式巡邏機器人結(jié)構(gòu)主要包括車體結(jié)構(gòu)部分、監(jiān)測報警部分、控制部分、電源動力部分等。機器人的驅(qū)動主要依靠電動機帶動履帶運動，在鏈軌的上方有蓄電池給機器人供電。單片機主要控制機器人的路線和信號的傳遞，對于不確定的行進路線，人們可以通過主控室來控制機器人，對于實際路線設(shè)定規(guī)定的程序進行控制。

1.1 車體結(jié)構(gòu)部分

本文設(shè)計制作的巡邏機器人車體結(jié)構(gòu)部分主要包括履帶、履帶輪、驅(qū)動電機、履帶張緊輪、車架及相應(yīng)的聯(lián)接零部件等。

車架采用鋁合金材料制作，保證車體強度、剛度的同時可以有效減輕車體重量，從而降低了驅(qū)動力的要求。驅(qū)動電機固定在車架的側(cè)壁上，采用雙電機驅(qū)動，即巡邏車兩側(cè)的履帶傳動均配置有單獨的驅(qū)動電機，便于通過控制兩側(cè)電機的轉(zhuǎn)動、停止及不同的轉(zhuǎn)動速度來實現(xiàn)巡邏小車的直線行進、轉(zhuǎn)向、掉頭等動作，調(diào)整行進路線。電機輸出軸與履帶輪通過螺紋緊固聯(lián)接接，履帶輪上的齒槽與履帶上的槽齒同步嚙合，從而帶動履帶轉(zhuǎn)動。履帶輪下方有5個履帶支撐輪，均通過滑動軸承固定在車架的側(cè)壁上，起支撐與轉(zhuǎn)向作用，保證了履帶張緊并且與地面接觸的履帶部分呈水平狀態(tài)，保證巡邏小車可以穿過一定寬度的溝渠等路況，同時，較長的水平履帶段可以有效增加與地面間的摩擦力，防止行進過程中小車與路面間打滑。

履帶結(jié)構(gòu)部分如圖1所示。

圖1 履帶式巡邏機器人車履帶部分結(jié)構(gòu)

1.2 控制與信號監(jiān)測部分

履帶式巡邏機器人的控制部分主要由集成電路板、單片機、電源等構(gòu)成，固定在車架上部的平臺上，如圖2所示。

圖2 履帶巡邏機器人控制部分

機器人的信號檢測部分主要由攝像頭、報警裝置、紅外傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器）等硬件構(gòu)成，采用控制技術(shù)和無線通信技術(shù)。在機器人的前部設(shè)計有三個電子攝像頭，并配備熱紅外人體感應(yīng)器（熱感應(yīng)器會在一定范圍內(nèi)感應(yīng)到人的存在），攝像頭所拍攝的畫面和熱感應(yīng)器的感應(yīng)結(jié)果會傳送到主控室，將采集的視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸裝置傳給主機，主機會對采集的圖像進行分析處理，并進行判斷，從而實現(xiàn)自動報警功能。巡邏機器人操作員也可根據(jù)監(jiān)控的圖像發(fā)送控制命令給主機，經(jīng)主機遠程控制巡邏機器人的驅(qū)動裝置，來實現(xiàn)巡邏機器人的行進運動行為控制，在服務(wù)器上顯示巡邏機器人周圍的環(huán)境情況，實現(xiàn)監(jiān)控作用。

2 組裝與調(diào)試

將準備好的零部件進行組裝，對單片機和電池安裝定位。單片機通過霍姆傳感器實現(xiàn)避障功能，連接電路原理如圖3所示。攝像頭安裝在機器人的頂部，與手機APP連接，通過InterNet實時查看監(jiān)控畫面。調(diào)試過程中，機器人可以非常輕便地躲避障礙，并通過攝像頭時時向手機傳輸監(jiān)控錄像。

圖3 履帶巡邏機器人小車電路原理

機器人通過傳感技術(shù)和無線控制技術(shù)，通過單片機的控制和分析以達到直接或間接控制或監(jiān)控的目的。攝像頭可在一定范圍內(nèi)識別人體，同時，可旋轉(zhuǎn)式攝像頭可同時對多個方向進行監(jiān)控，具有防盜、倉庫管理等功能。組裝后的履帶巡邏機器人小車如圖4所示。

3 結(jié)語

本文設(shè)計并制作了一臺履帶式巡邏監(jiān)控機器人小車，采用履帶式結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)多種復(fù)雜路況。對路面狀況、周圍環(huán)境可以通過手機客戶端進行實時監(jiān)控，并完成機器人的直線行進、轉(zhuǎn)向、后退等動作。旋轉(zhuǎn)攝像頭擴大了檢測范圍。

履帶式巡邏機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕質(zhì)的特點，彌補了人力巡邏和CCD定位監(jiān)控的不足之處，可用于白天和夜晚的安全巡檢。在后續(xù)的研究中需進一步調(diào)試程序，并增加燈光的照射來改進檢測圖形、圖像的清晰程度，提高巡邏小車的工作精度和效率。

圖4 履帶式倉庫巡邏機器人

[1]陳華志，謝存禧，曾德懷. 巡邏機器人的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J]. 機電工程技術(shù)，2003（12）：19-21.

[2]亓希龍. 校園巡邏機器人定位與避障技術(shù)研究[D]. 濟南：山東大學(xué)，2013.

[3]劉康軒. 安防巡邏機器人設(shè)計研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2016.

[4]吳慶甜，郭會文，吳新宇，等. 基于巡邏機器人的實時跑動檢測系統(tǒng)[J]. 集成技術(shù)，2017（5）：50-58.

[5]托馬斯·布勞恩. 嵌入式機器人學(xué)：基于嵌入式系統(tǒng)的移動機器人的設(shè)計與應(yīng)用[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2012.

[6]宮小飛，陳富林，馮帥. 基于ARM嵌入式機器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]. 機械與電子，2017（12）：72-76.

[7]臺灣首創(chuàng)履帶機器人可自主爬樓梯將用于巡邏[DB/OL]. http:// taiwan.huanqiu.com/roll/2013-05/3907936.html?from=mobile.

[8]彭寬棟，張學(xué)良，鄭龍，羅曉曄，曹周杰. 自適應(yīng)履帶機器人的研究與測試[J]. 機電工程，2017（12）：1485-1490.

Design of Crawler Patrol Robot

HOU Ruxing，SONG Jie，ZHAO Jiafeng，F(xiàn)U Tengfei，SU Lele，LI Jianwei

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Institute of Technology, Qingdao 266300, China )

A crawler patrol robot is designed and manufactured, which can identify and judge the signal emitted by the road-side signal source, follow the prescribed route and travel by manual remote control. The robot patrols the storage area with high resolution rotary camera. The robot is equipped with a temperature sensor and a humidity sensor, which can monitor the security of the warehouse dynamically, judge the fire source, and give the accurate and timely alarm through the wireless transmission. Robots can also conduct statistics on the type and quantity of stored items.

crawler；patrol；robot

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.011

1006－0316 (2018) 12－0038－03

2018－05－07

青島工學(xué)院2016年度董事長基金資助項目（2016CX018）

侯汝興（1995－），男，山東聊城人，本科，主要研究方向為機械設(shè)計與控制。

宋杰（1975－），男，山東青島人，博士，講師，主要研究方向為先進成型技術(shù)及計算機仿真。