面向冬奧會(huì)的安保機(jī)器人動(dòng)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬立勇 李連輝 賈雅靜 胡任宇 周陽(yáng)

摘? ?要：文章設(shè)計(jì)了冬奧會(huì)安保機(jī)器人的動(dòng)作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)機(jī)器人各部分進(jìn)行功能及動(dòng)作流程分析，對(duì)其動(dòng)作系統(tǒng)進(jìn)行了平臺(tái)搭建與硬件選擇。所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3部分完成。根據(jù)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的主要功能動(dòng)作，分為運(yùn)動(dòng)控制、簡(jiǎn)易掃描平臺(tái)、機(jī)器人外形的設(shè)計(jì)與制作3個(gè)部分。硬件選擇以經(jīng)濟(jì)、適用為本，選擇紅外接近傳感器、紅外測(cè)距傳感器、灰度傳感器、傾角傳感器等，它們有各自的功能，需要相互配合使用。

關(guān)鍵詞：安保機(jī)器人;動(dòng)作系統(tǒng);平臺(tái);硬件;傳感器

第24屆冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)將于2022年在北京市和張家口市聯(lián)合舉行。河北省張家口市將承辦冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目。如何保障運(yùn)動(dòng)員、教練員、官員、工作人員、志愿者和觀眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全，防止恐怖襲擊及違法犯罪是冬奧會(huì)最重要的課題之一。冬奧會(huì)的安全保障工作涉及防火、巡邏、嚴(yán)查危險(xiǎn)物品、對(duì)比賽中突發(fā)的意外狀況實(shí)施救助等。而賽場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)工作人員安保技術(shù)有很高的要求。機(jī)器人的廣泛應(yīng)用成為近年來(lái)代替人力進(jìn)行高危作業(yè)、連續(xù)生產(chǎn)的新亮點(diǎn)。機(jī)器人對(duì)惡劣環(huán)境承受能力強(qiáng)、工作效率高、工作時(shí)間長(zhǎng)、很適合擔(dān)任冬奧會(huì)賽場(chǎng)安保工作。因此，對(duì)冬奧賽場(chǎng)安全保障智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與研究十分必要。

1? ? 功能分析

由于機(jī)器人系統(tǒng)是模仿人類(lèi)等生物的結(jié)構(gòu)、思維而構(gòu)建的，所以也可以以人類(lèi)自身為范本來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人。人類(lèi)用眼睛看到影像、用腦思考是否需要躲避障礙物、用腦控制肌肉做出運(yùn)動(dòng)、肌肉帶動(dòng)骨骼完成回避動(dòng)作。用到的思維方式包括“是否需要躲避障礙物”和“控制肌肉做出運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)部分，前者是邏輯判斷，后者是固定的行為方法。對(duì)于機(jī)器人，上述存在于人類(lèi)自身的結(jié)構(gòu)也可以在機(jī)械結(jié)構(gòu)上近似地模擬出來(lái)?！把邸碧鎿Q為“障礙傳感器”，“腦”替換為“控制器”，“肌肉”替換為“舵機(jī)”，“骨骼”替換為“結(jié)構(gòu)件”。人類(lèi)的思維在機(jī)器人上以軟件的形式模擬，控制人類(lèi)行為方式的“邏輯思維”替換 為“邏輯判斷算法”，人類(lèi)對(duì)肌肉的協(xié)調(diào)控制，替換為機(jī)器人對(duì)舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制[1-5]。

2? ? 動(dòng)作流程

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，最重要的部分就是機(jī)器人能夠檢測(cè)位置，其次便是防止錯(cuò)位的過(guò)程。

動(dòng)作流程分析如下：

（1）機(jī)器人位于起點(diǎn)并檢測(cè)開(kāi)始信號(hào)，然后啟動(dòng)上臺(tái)運(yùn)動(dòng)。（2）機(jī)器人采用傳感器檢測(cè)臺(tái)上周?chē)畔?。?）機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)信息判斷運(yùn)行走向及速度，以及是否需要登擂臺(tái)。（4）機(jī)器人的運(yùn)行機(jī)構(gòu)完成設(shè)定的走向、速度和動(dòng)作。（5）采用周期性控制，機(jī)器人返回第2過(guò)程，循環(huán)運(yùn)行。

3? ? 平臺(tái)搭建

以上流程所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3部分共同完成。

（1）控制模塊：合理的運(yùn)動(dòng)設(shè)置（運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析）。（2）感知模塊：信息采集（檢測(cè)傳感器的選擇與使用）。（3）執(zhí)行模塊：各關(guān)節(jié)配合運(yùn)動(dòng)至定點(diǎn)（運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作控制）。

根據(jù)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的主要功能動(dòng)作，將這些功能融合在一個(gè)個(gè)的分任務(wù)中，在掌握分任務(wù)中的技術(shù)后，再進(jìn)行綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。分任務(wù)有以下3種。

（1）輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制（實(shí)現(xiàn)執(zhí)行模塊功能）：研究輪式運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并在機(jī)器人套件的基礎(chǔ)上，搭建輪式機(jī)器人并搭載相關(guān)舵機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)運(yùn)動(dòng)效果進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。

（2）簡(jiǎn)易掃描平臺(tái)（實(shí)現(xiàn)感知模塊功能）：掌握光電傳感器、測(cè)距傳感器以及灰度傳感器的應(yīng)用，搭建掃描平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)敵人以及判斷方位的功能。

（3）機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作（實(shí)現(xiàn)控制模塊功能）：根據(jù)示例的項(xiàng)目要求以及比賽規(guī)則設(shè)置自己的機(jī)器人，利用之前分任務(wù)實(shí)現(xiàn)的功能與技術(shù)，完成綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作與實(shí)現(xiàn)。

4? ? 硬件選擇

4.1? 控制器

控制器是整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心，是完成預(yù)期功能任務(wù)的“指揮所”，因此，選擇型號(hào)和功能合適的控制器尤為重要。本次設(shè)計(jì)選擇基于STM32的LUBY控制器。

基于STM32單片機(jī)的控制器配置有16路AD接口用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入，6路輸出接口用于驅(qū)動(dòng)LED、模擬舵機(jī)等外設(shè)。系統(tǒng)內(nèi)置了藍(lán)牙模塊和基于CC2530的ZigBee無(wú)線通信平臺(tái)，能方便進(jìn)行組網(wǎng)。

4.2? 傳感器

結(jié)構(gòu)零件組成了機(jī)器人的軀體，控制器是機(jī)器人的大腦，而傳感器就是機(jī)器人的感知器官：皮膚、眼睛、耳朵、鼻子和舌頭。

4.2.1? 紅外接近傳感器

紅外接近傳感器用于判斷機(jī)器人是否到達(dá)擂臺(tái)邊緣，從而能夠防止小車(chē)掉下擂臺(tái)，即起到防掉臺(tái)的作用?，F(xiàn)有的光電傳感器優(yōu)先使用的是波長(zhǎng)780 nm～3 μm的近紅外光，并已有比較穩(wěn)定的集成化產(chǎn)品，與數(shù)字電路的接口也非常簡(jiǎn)單。

4.2.2? 紅外測(cè)距傳感器

日本SHARP公司推出的紅外測(cè)距傳感器用來(lái)測(cè)量前方物體和傳感器探頭之間的距離。這些傳感器體積?。ㄊ种复笮。?、重量輕（不到10 g）、接口簡(jiǎn)單，用于微型機(jī)器人的測(cè)距是非常理想的選擇。

4.3? 灰度傳感器

灰度傳感器通過(guò)LED發(fā)射亮度較強(qiáng)的光束照亮擂臺(tái)平面，從而擂臺(tái)平面反射LED發(fā)射的白色光束。而不同物體的顏色對(duì)白色光的反射能力各不相同，對(duì)于相同的材料來(lái)說(shuō)，白色反射能力強(qiáng)，而黑色則偏低。并且灰度傳感器前端布置了光敏電阻，其作用是檢測(cè)反射光的強(qiáng)度大小，并據(jù)此可以推斷出擂臺(tái)平面的灰度值。

4.4? 傾角傳感器

姿態(tài)傳感器采集的是機(jī)器人的姿態(tài)信息，因此，選擇一個(gè)基本的姿態(tài)傳感器—水銀開(kāi)關(guān)（輸出數(shù)字信號(hào)）。

水銀開(kāi)關(guān)里面有一個(gè)位于玻璃管，其中，有可自由移動(dòng)的水銀粒，水銀粒位于玻璃管的不同端，水銀開(kāi)關(guān)輸出不同的信號(hào)。如在水銀粒處于玻璃管一端時(shí)，水銀開(kāi)關(guān)輸出高電平;當(dāng)傳感器由于某種原因姿態(tài)改變過(guò)大時(shí)，水銀粒移動(dòng)到玻璃管另一端，水銀開(kāi)關(guān)輸出低電平。根據(jù)水銀開(kāi)關(guān)這種輸出信號(hào)與其本身姿態(tài)有關(guān)的特性，可以檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)。

4.5? 執(zhí)行器

機(jī)器人常用的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件有直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。

基于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人特點(diǎn)，選擇型號(hào)為CDS5500的機(jī)器人舵機(jī)。proMOTION CDS系列機(jī)器人舵機(jī)屬于一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通信接口為一體的集成伺服單元，主要用于微型機(jī)器人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動(dòng)，也可用于其他簡(jiǎn)單位置控制場(chǎng)合。每個(gè)舵機(jī)都有自己?jiǎn)为?dú)的ID號(hào)，在機(jī)器人構(gòu)型搭建時(shí)，需要對(duì)ID號(hào)進(jìn)行配置，以免機(jī)器人的某些舵機(jī)的ID號(hào)重疊。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文主要在功能和硬件兩方面闡述了機(jī)器人搭建工作。

（1）功能分析：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，最重要的部分就是機(jī)器人能夠檢測(cè)自己的位置，能夠準(zhǔn)確完成動(dòng)作。其次，便是防止錯(cuò)位。

機(jī)器人設(shè)計(jì)所涉及的功能需要由感知模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3部分完成。根據(jù)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的主要功能動(dòng)作，將這些功能融合在一個(gè)個(gè)的分任務(wù)中，在掌握分任務(wù)中的技術(shù)后，再進(jìn)行綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。分任務(wù)包括輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、簡(jiǎn)易掃描平臺(tái)、機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作3個(gè)部分。

（2）硬件選擇：以經(jīng)濟(jì)、適用為本，選擇合適的控制器、傳感器和執(zhí)行器。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉莉，劉潔，張錦.基于FPGA的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2019（4）：67-71.

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[5]盧銀輝，楊勇.基于機(jī)器視覺(jué)的輸煤現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（6）：102-103.

Design of security robot action system for Winter Olympic Games

Ma Liyong1， Li Lianhui1*， Jia Yajing2， Hu Renyu1， Zhou Yang1

（1.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;

2. Zhangjiakou Cigarette Factory Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：This paper designs the action system of the Winter Olympics security robot， through the analysis of the functions and motion flow of each part of the robot， the platform and hardware selection of its action system are carried out. The functions involved need to be completed by the sensing module， the control module and the execution module. According to the main functional actions that the robot needs to implement， it is divided into three parts： motion control， simple scanning platform， and robot shape design and production. The hardware selection is economical and applicable， and the infrared proximity sensor， infrared ranging sensor， grayscale sensor， tilt sensor， etc. are selected， and they have their own functions and need to be used together.

Key words：security robot; motion system; platform; hardware; sensor