儀器維修遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人的研發(fā)

潘潔　張偉峰　李露露　肖攀

摘? 要：隨著地震臺(tái)站改革的不斷深入，中心地震臺(tái)模式的不斷推行，越來越多的臺(tái)站變成無人值守臺(tái)和遙測(cè)臺(tái)，全省幾十甚至幾百個(gè)臺(tái)站儀器的維護(hù)維修任務(wù)變得越來越艱巨，儀器網(wǎng)線松動(dòng)、儀器死機(jī)等這些很小的故障就必須省局負(fù)責(zé)儀器維修的人員奔赴現(xiàn)場(chǎng)處理，浪費(fèi)大量的人力和物力。而儀器遠(yuǎn)程維修機(jī)器人能夠讓省局的儀器維修人員遠(yuǎn)程查看儀器狀態(tài)，并且讓操作機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的維修操作和指導(dǎo)沒有儀器維修經(jīng)驗(yàn)的人配合完成維修，儀器維修遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人的研發(fā)為臺(tái)站的儀器管理和維護(hù)能夠提供了一定的幫助。

關(guān)鍵詞：儀器維修? 遠(yuǎn)程協(xié)助? 機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TH76 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（a）-0007-02

Abstract： With the deepening of the reform of seismic stations and the continuous implementation of the model of central seismic stations， more and more stations have become unattended stations and telemetry stations. The maintenance tasks of tens or even hundreds of stations in the province are becoming more and more arduous， the network of instruments is loosened， the instruments are dead， and so on. These minor failures must be handled on the spot by the personnel responsible for the maintenance of instruments in the provincial bureau. With a lot of manpower and material resources， the remote maintenance robot of instrument can let the instrument maintenance personnel of Provincial Bureau view the instrument status remotely， and let the operation robot carry out simple maintenance operation and instruct those who have no experience in instrument maintenance to cooperate in completing the maintenance. The research and development of remote assistance robot of instrument maintenance can provide certain help for the instrument management and maintenance of the station.

Key Words： Instrument maintenance; Remote assistance; Robot

安徽省目前直屬的上百個(gè)有人和無人值守臺(tái)站，市縣臺(tái)站幾乎所有的儀器維修都是由省局的儀器維修室負(fù)責(zé)的，維修任務(wù)尤為艱巨，特別是在惡劣天氣和梅雨季節(jié)儀器故障的高發(fā)期。有時(shí)候僅僅是一個(gè)很小的問題，無人值守臺(tái)站和沒有一起維修經(jīng)驗(yàn)的市縣臺(tái)站無法解決，為了數(shù)據(jù)的連續(xù)率，省局的維修人員只能疲于奔命。為了解決這個(gè)難題，受目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了能夠代替人完成各種工作的多種的機(jī)器人的啟發(fā)，研制出一款專門服務(wù)地震儀器維修服務(wù)的機(jī)器人。這款儀器維修遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人主要有控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊。機(jī)器人的控制模塊主要是操作系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)控制驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊，驅(qū)動(dòng)模塊能夠按照指令驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)彎。傳感器模塊主要分為語音可視模塊和機(jī)械模塊，并且能按照指令完成語音視頻對(duì)話和簡(jiǎn)單的儀器重啟等工作。這款機(jī)器人應(yīng)用到地震臺(tái)站的儀器維修有很多好處，首先這款機(jī)器人有針對(duì)性，造價(jià)不高，除了編程以外，硬件都可以選擇市場(chǎng)上比較成熟的產(chǎn)品，減少成本。另外這款機(jī)器人可以針對(duì)儀器故障進(jìn)行簡(jiǎn)單為維修，比如重啟操作、對(duì)松動(dòng)的線路進(jìn)行加固等，最重要的是可以通過這款機(jī)器人的視頻和語音對(duì)講系統(tǒng)指導(dǎo)沒有儀器維修經(jīng)驗(yàn)的人配合維修儀器，在很大程度上減少了省局儀器維修室人力和物力的浪費(fèi)。

1? 遠(yuǎn)程控制模塊的研發(fā)

針對(duì)臺(tái)站儀器的維修，這款機(jī)器人要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和操作。遠(yuǎn)程控制有控制端和受控方，控制端通過請(qǐng)求，取得對(duì)遠(yuǎn)端受控方的操作。受控方通過網(wǎng)絡(luò)接收控制端發(fā)出的信息，并且向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種指令動(dòng)作?？刂贫说能浖园沧堪娴氖謾C(jī)APP的方式進(jìn)行開發(fā)，這樣更能方便儀器維修人員隨時(shí)隨地查看儀器狀態(tài)并且進(jìn)行維修或者指導(dǎo)其他人員維修。

1.1 控制端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的程序設(shè)計(jì)

利用JAVA Socket編程，使控制端與被控端之間建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通道[1]。在控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有事件（Mouse、Key）的偵聽，將所有事件封裝在InputEvent類，并用對(duì)像輸出流ObjectOutputStream發(fā)送到遠(yuǎn)端。同時(shí)，控制端為一個(gè)線程，不斷地執(zhí)行run（）方法，將接收到被控端的畫面數(shù)據(jù)（按遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)成字節(jié)數(shù)據(jù)的逆過程）轉(zhuǎn)成圖片，這些圖片用javax.io.ImagIO轉(zhuǎn)成一個(gè)字節(jié)數(shù)組，從而將每一個(gè)畫面的數(shù)據(jù)量大小，以及數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)輸出流往控制端發(fā)送，并在控制端顯示，從而為控制端發(fā)布下一個(gè)指令提供畫面支持。

1.2 受控方硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

受控方的硬件主要有履帶車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)、機(jī)器臂控制系統(tǒng)組成。選擇一款電路板進(jìn)行編程，將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系在一起做成一個(gè)完整的整體。

選擇一款A(yù)RM9處理器為核心的QQ2440V3開發(fā)板作為該遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人的電路系統(tǒng)[2]，由于該機(jī)器人需要對(duì)視頻不斷處理和傳輸，并且不斷接收信息和發(fā)布指令，所有需要大容量的內(nèi)存和較高主頻的MCU，目前市場(chǎng)上流行的51單片機(jī)不符合要求[3]。采用免費(fèi)的，源代碼開放的編碼。UC/OC-II具有結(jié)構(gòu)小，執(zhí)行效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足基本需求。

2? 履帶車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地震臺(tái)站所處的環(huán)境一般較為偏僻，道路狀況比較崎嶇不平，針對(duì)地震臺(tái)站的周圍環(huán)境，這款遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人選擇履帶車作為移動(dòng)平臺(tái)。但是有時(shí)候維修儀器要到觀測(cè)室內(nèi)，為了保護(hù)觀測(cè)室內(nèi)的地板，這款遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人采用橡膠履帶車最為合適，因?yàn)橄鹉z履帶車具有噪音低、振動(dòng)小、接地壓小，接地面大、穩(wěn)定性好、對(duì)機(jī)房等室內(nèi)外地面破壞小等特點(diǎn)。履帶車控制系統(tǒng)主要是選擇合適的電路板進(jìn)行編程，控制履帶車前進(jìn)后退和左右轉(zhuǎn)彎，動(dòng)力方面采用48V的大功率電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，選擇市場(chǎng)上較為成熟的鋰電池作為電源，這種電池有容量大、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，很適合作為本款機(jī)器人。

3? 機(jī)器臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于地震臺(tái)站內(nèi)的儀器大都是安裝在機(jī)柜內(nèi)部，為了更好地查看儀器狀態(tài)和維修儀器，該款遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人采用兩個(gè)機(jī)器臂的設(shè)計(jì)，這兩個(gè)機(jī)器臂各自能獨(dú)立上下前后移動(dòng)，是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。一個(gè)機(jī)器臂安裝視頻攝像頭，因?yàn)槲覀兊卣鹋_(tái)站的設(shè)備大都是安裝在機(jī)柜上，僅僅靠機(jī)器人自身的一個(gè)攝像頭無法合理控制高度，并且無法把攝像頭靠近機(jī)柜內(nèi)部的儀器查看儀器狀態(tài)，機(jī)器臂上安裝攝像頭可以完美解決這一難題。另一個(gè)機(jī)器臂安裝電筆等簡(jiǎn)單維修工具，能夠依靠機(jī)器臂的移動(dòng)完成儀器的重啟以及簡(jiǎn)單的測(cè)量工作。

4? 遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻系統(tǒng)是這款機(jī)器人的眼睛和嘴巴，機(jī)器人在接收控制方的信息后，發(fā)布指令給驅(qū)動(dòng)器，控制機(jī)器人移動(dòng)。控制方通過視頻攝像頭觀察機(jī)器人前進(jìn)方面的路況，并且還能和現(xiàn)場(chǎng)儀器維修人員通話，知道現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行儀器維修。攝像頭采用可編程的大視野工業(yè)攝像頭，選擇ARM9處理器為核心的QQ2440V3開發(fā)板進(jìn)行編程，使攝像頭能夠上下前后移動(dòng)，并能通過麥克風(fēng)把現(xiàn)場(chǎng)聲音傳給控制方，并且本款攝像頭采用能夠允許多用戶登陸的攝像頭，方便維修人員在遇到障礙時(shí)，可以進(jìn)行多用戶登陸查看故障儀器，進(jìn)行專家會(huì)診。

5? 結(jié)語

儀器維修遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人能夠使省局儀器維修人員實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看儀器運(yùn)行狀態(tài)，能夠遠(yuǎn)程啟停儀器，并且能夠通過機(jī)器人對(duì)故障儀器進(jìn)行簡(jiǎn)單的維修和指導(dǎo)沒有儀器維修經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行儀器維修工作，并且在某一維修人員無法維修的時(shí)候，采用專家會(huì)診方式查找故障，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員完成儀器維修工作。該機(jī)器人的研發(fā)能夠?yàn)閮x器維修工作節(jié)約大量人力和物力，并且在儀器發(fā)生故障的時(shí)候，第一時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)，保障地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，為地震臺(tái)站的儀器管理和維護(hù)能夠提供了很大的幫助。

參考文獻(xiàn)

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