無人搬運(yùn)底盤機(jī)器人應(yīng)用于智能船舶物件作業(yè)的方案設(shè)計(jì)

文/劉保凱

1 前言

傳統(tǒng)船舶隨著科技的進(jìn)步在不斷減少。船舶自動化設(shè)備如果不能及時成為輔佐船員的有效手段，船員工作強(qiáng)度便會與日俱增。其中輕量貨物（貨物重量小于150kg）延船體的縱向搬運(yùn)為占據(jù)船員大量體力的工作內(nèi)容之一。這種工作內(nèi)容包括但不限于：油漆的搬運(yùn)；貨艙探測時，供氧設(shè)備的搬運(yùn)；艏尖艙物料的搬運(yùn)；艙鎖、地鎖、地漏塞；其他可能存在的應(yīng)急事件中的縱向搬運(yùn)。目前主流的搬運(yùn)方式有兩種：平板車加人力拉動，此種方法簡單易操作，費(fèi)用低廉，但耗費(fèi)人力；延船體的縱向自動人形電梯，此種方法省力，但建設(shè)成本與維護(hù)費(fèi)用高昂，且可能會影響其他船舶作業(yè)，所以鮮有船舶配備；電動助步車，此種方法費(fèi)用比較低，但是需要人工驅(qū)動，且受地形影響較大，不利于穿梭在船舶大艙艙口之間。

以往的航海船藝中，由于種種因素的限制，無人搬運(yùn)設(shè)備無法得以實(shí)現(xiàn)。隨著局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)識系統(tǒng)的成熟，以及無人搬運(yùn)設(shè)備自身的不斷升級，無人搬運(yùn)底盤機(jī)器人在船舶上的應(yīng)用可能性日益顯著[1]。

2 無人搬運(yùn)地盤機(jī)器人技術(shù)

無人搬運(yùn)機(jī)器人及其底盤。底盤包括底板、從動單元和驅(qū)動單元。從動單元用于承受底盤及承載物的負(fù)載，包括多個從動部件，多個從動部件布置在底板上，使底板能夠平穩(wěn)運(yùn)動(即不發(fā)生傾斜、振動等)。驅(qū)動單元包括第一驅(qū)動部件和第二驅(qū)動部件，第一驅(qū)動部件和第二驅(qū)動部件對稱地位于底板的兩端。無人搬運(yùn)機(jī)器人的底盤具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小且承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

用機(jī)器代替人工搬運(yùn)，解放了整個船舶的運(yùn)輸環(huán)節(jié)的勞動力，為船舶大大降低了人力成本。

3 船舶無人搬運(yùn)地盤機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 本應(yīng)用機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)

以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，在可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，對于機(jī)器人參數(shù)的設(shè)計(jì)包括：

集成設(shè)備尺寸：

長x 寬x 高：800mmx560mmx220mm（底盤）

外形擴(kuò)展后尺寸：

長x 寬x 高：800mmx560mmx520mm（上 接外設(shè)裝備）

六輪，前后四輪導(dǎo)向，中間兩輪承重。

重量：小于70KG。

接 口：Power&DO（四路，總帶載能力24V/2A）

DI（八路 NPN 型）

網(wǎng)絡(luò)接口：有線網(wǎng)絡(luò)接口三路千兆網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)：主流無線網(wǎng)卡

電池：48v35AH 鋰電池續(xù)航16 小時或空載25KM

充電0～80% 2h 內(nèi)充放次數(shù)＞1500 次

操作面板：8.0 寸觸摸式顯示屏（連續(xù)輕觸n 次喚醒），配備在機(jī)器人前臉，與地面呈70°夾角。

蜂鳴器，揚(yáng)聲器，或二者選其一。

最大負(fù)載能力：150KG，最大牽引力：150N。

通過性：坡度＜5°臺階＜0.5cm 間隙＜4cm

定位精度：±1cm

還需搭載的功能，包括自動充電功能，3D避障功能，5m 內(nèi)標(biāo)識信息讀取功能，反光板導(dǎo)航功能等等。

圖1

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 其他部門現(xiàn)場操作機(jī)器人，機(jī)器人反饋這種指令到駕駛臺，駕駛臺授權(quán)后方可執(zhí)行。通過此種設(shè)計(jì)，可以讓駕駛臺即時掌握機(jī)器人動向及機(jī)器人正在進(jìn)行的作業(yè)。還可以防止外部人員對機(jī)器人下達(dá)的無關(guān)指令。

3.2.2 其他部門通過甚高頻聯(lián)系駕駛臺，駕駛臺發(fā)送相關(guān)指令到機(jī)器人，以滿足其他部門需求。通過這種設(shè)計(jì)，可以讓船員隨時隨地召喚機(jī)器人，但是需要VHF 或者其他通訊設(shè)備配合。

3.2.3 機(jī)器人更新路徑上遇到的所以電子標(biāo)識信息（包括固定式和移動式電子標(biāo)識）給駕駛臺。更新負(fù)重、電量等信息給駕駛臺。通過這種設(shè)計(jì)，可以讓機(jī)器人完成自動巡視工作。讓駕駛臺時時掌握船舶來訪人員位置，輔助駕駛員判斷是否有犯罪情況發(fā)生。對于某些區(qū)域人員突然異常聚集，或者限制區(qū)域發(fā)現(xiàn)有來訪人員進(jìn)入的情況，加以控制。

3.2.4 機(jī)器人與門禁設(shè)備（電梯等）雙向交換電子標(biāo)識信息，并由雙方反饋到駕駛臺，由駕駛臺手動/自動發(fā)送釋放指令給門禁設(shè)備，從而是機(jī)器人得以通過從而繼續(xù)作業(yè)。

3.2.5 在機(jī)器人面板設(shè)置Captain Button.實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工作人員對機(jī)器人的絕對控制。通過此種設(shè)計(jì)，工作人員可以現(xiàn)場獲得機(jī)器人的絕對控制權(quán)，方便維修及應(yīng)急操作?？梢酝ㄟ^觸發(fā)多個CB，向駕駛臺傳達(dá)秘密協(xié)定報(bào)警信號。還可以通過對機(jī)器人的絕對控制，實(shí)現(xiàn)3～4 臺機(jī)器人現(xiàn)場合體，共同協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)對大件物品的搬運(yùn)。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 船舶電子標(biāo)簽與標(biāo)識系統(tǒng)

電子標(biāo)識的本質(zhì)是無源陶瓷基電子標(biāo)簽，其基于超高頻識別芯片并存儲單位身份數(shù)據(jù)信息。 工作頻段為：超高頻 920 ～ 925 MHz。主要由 3 個部分組成： 存儲單元、天線部分以及控制單元，其中的控制單元由基帶部分和射頻部分組成。電子標(biāo)識所包含的信息數(shù)據(jù)具有唯一性，電子標(biāo)識制作過程中在標(biāo)識芯片ROM 中寫入了 CID，而不是由中心站分配而來，即每個電子標(biāo)識各自獨(dú)有的 ID 號碼，這個號碼，茲誕生起就不可更改。

電子標(biāo)識具有永久、固定的“身份證”功能以及長期、可簽注的“居住證”功能，是信息“黑匣子”，根據(jù)智能船舶管理的需求，船員及船舶來訪人員等需要授權(quán)或監(jiān)管需用的“電子身份標(biāo)識”或“電子證書”可包括 ：“船舶身份標(biāo)簽（船舶電子身份證）”“船舶卡（船舶/駕駛臺電子身份識別）”“設(shè)備電子標(biāo)簽（設(shè)備電子‘身份證’與‘居住證’）”，以及“船員卡（船員電子身份識別）”等，其中“設(shè)備電子標(biāo)簽”又可包含 ：“電梯電子標(biāo)簽”“雷達(dá)電子標(biāo)簽”“救生筏電子標(biāo)簽”等[2]。

無人搬運(yùn)底盤機(jī)器人裝配的是與船員同等授權(quán)的電子標(biāo)簽。并附加讀取裝置，隨時隨地記錄附近15 米范圍內(nèi)的電子標(biāo)識信息。在輸出本身的電子標(biāo)識同時，也讀取附近的電子標(biāo)識。

3.3.2 局域網(wǎng)

由于海上地理地形的限制，海上數(shù)字通信模式通常采用無線局域網(wǎng)，利用射頻發(fā)射接收器，通過海上空氣作為媒介進(jìn)行信號傳輸與接收。根據(jù)無線局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)和頻段不同，分為以下 3 種類型。

3.3.2.1 紅外線無線局域網(wǎng)。利用紅外線作為進(jìn)行信號加載介質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是不受任何國家頻率的管制，缺點(diǎn)是傳輸范圍較窄，且易受干擾。

3.3.2.2 微波無線局域網(wǎng)。利用微波作為基帶信號傳輸載體，包括一個中心站，和最多36 個外圍站以及若干轉(zhuǎn)發(fā)器組成。

3.3.2.3 擴(kuò)頻無線局域網(wǎng)。將基帶信號頻譜進(jìn)行擴(kuò)頻，再利用射頻發(fā)射器進(jìn)行傳輸，這種模式可以支持較遠(yuǎn)距離的傳輸，并且信號傳達(dá)率高，安全性好，本文利用此種方式[3]。

IEEE802.11 是在1997年由眾多局域網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)專家審定通過的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11規(guī)定了無線局域網(wǎng)在2.4GHz 波段進(jìn)行操作，這一波段被全球無線電法規(guī)實(shí)體定義為擴(kuò)頻使用波段。無人底盤機(jī)器人的無線局域網(wǎng)配置也基于802.11b 標(biāo)準(zhǔn)[4]。

機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用基站接入型，即：采用移動蜂窩通信網(wǎng)接入方式組建無線局域網(wǎng)，駕駛臺即為基站，各站點(diǎn)（機(jī)器人/其他帶有電子識別標(biāo)簽的單位）之間的通信是通過駕駛臺接入、數(shù)據(jù)交換方式來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的。在此基礎(chǔ)上，各底盤機(jī)器人不僅可以通過交換中心（駕駛臺）自行組網(wǎng)，還可以通過廣域網(wǎng)與附近其他帶有電子識別標(biāo)簽的設(shè)備依靠遠(yuǎn)地站點(diǎn)組建自己的工作網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多個機(jī)器人共同協(xié)作，完成單項(xiàng)作業(yè)。

3.3.3 伺服電機(jī)與PLC 處理單元設(shè)計(jì)

PLC 處理單元與駕駛臺、伺服控制器和AD 模塊相連，在得到第一控制命令信號后，PLC 模塊會通過高速脈沖信號，分配速度和方向指令給伺服控制器通過伺服電機(jī)的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)底盤機(jī)器人的初始化運(yùn)動。 輸出的高速脈沖用于控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)角度；經(jīng)過延時T 后，脈沖信號由伺服電機(jī)傳入AD模塊 ，AD 模塊通過采集編碼器輸入的高速脈沖信號，用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，從而得到底盤機(jī)器人的新位置和運(yùn)動狀態(tài)，如果推算位置和定位位置一致，則繼續(xù)這種運(yùn)動，如果產(chǎn)生偏差，則通過PLC 模塊進(jìn)行糾正[5]。

圖2

4 局限性

無人底盤機(jī)器人用于船舶的局限性，體現(xiàn)在：

4.1 不適用于大風(fēng)浪天氣。

4.2 保養(yǎng)相對來說比較繁瑣，且在很難實(shí)現(xiàn)船舶人員自維修。

4.3 檻，管路，水密門等。

4.4 安裝調(diào)試周期較長。如非船舶出廠時配備此系統(tǒng)，而是后期加裝配備，則需要的安裝時間較長。

5 結(jié)語

在智能船舶的研發(fā)進(jìn)程中，無人底盤機(jī)器人絕不是終點(diǎn)和目的，只是過渡而已。但是這個過渡階段對于實(shí)現(xiàn)自動化船舶來說，具有重大意義，同時也具有一定的挑戰(zhàn)性。

對無人地盤機(jī)器人這一探索，為將來實(shí)現(xiàn)船體的自動搬運(yùn)功能，自動分揀功能乃至自動修復(fù)功能，都提供了現(xiàn)實(shí)的可能性。無人底盤機(jī)器人，很有可能應(yīng)用在船體上。根據(jù)以上對船舶無人底盤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景分析，以期進(jìn)一步強(qiáng)化船舶自動化。