用于集裝箱病媒生物的探尋抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)

滕新棟 ，張 濤 ，陳曉光 ，王林濤 ，孫高峰

（1.青島海關(guān)，青島 266071；2.黃島海關(guān)，青島 266071；3.大連理工大學(xué)，大連 116000）

0 引言

病媒生物指能直接或間接傳播疾病，危害、威脅人類健康的生物。近年來，隨著國際貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱作為一種運(yùn)輸工具被廣泛用于各類貨物的運(yùn)輸，每天國內(nèi)各口岸都有大量集裝箱入境，然而其中有很多集裝箱中帶有病媒生物，根據(jù)口岸衛(wèi)生處理要求，這些集裝箱需要進(jìn)行衛(wèi)生處理后才可放行[1,2]。

集裝箱如要判斷有無病媒生物，需要將貨物搬出和人員進(jìn)入集裝箱檢查，工作量繁重，耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，并且人員進(jìn)入密閉的集裝箱具有一定的危險(xiǎn)性，降低了企業(yè)通關(guān)的效率，增加企業(yè)的經(jīng)營成本，不利于加快口岸的通關(guān)速度。在發(fā)現(xiàn)病媒生物存在的痕跡時(shí)，需要對(duì)集裝箱進(jìn)行熏蒸，對(duì)集裝箱的熏蒸效果評(píng)價(jià)也比較困難。

該研究研發(fā)了一種探尋抓取機(jī)器人，可在集裝箱內(nèi)部將死亡的病媒生物探尋抓取出來：如未發(fā)現(xiàn)活的病媒生物，則無需進(jìn)行集裝箱熏蒸；如發(fā)現(xiàn)活的病媒生物，則需要進(jìn)行集裝箱熏蒸，在熏蒸完成后，該機(jī)器人可在集裝箱內(nèi)部探尋是否還存活病媒生物，從而有效判斷對(duì)集裝箱的熏蒸效果。該研究從實(shí)用性角度出發(fā)，介紹了一種用于集裝箱病媒生物的探尋抓取機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 探尋抓取機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

探尋抓取機(jī)器人系統(tǒng)由探尋抓取機(jī)器人、探尋抓取機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)組成。探尋抓取機(jī)器人和探尋抓取機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)由無線方式進(jìn)行通信（如圖1所示）。

圖1 探尋抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)圖

1.1 探尋抓取機(jī)器人

探尋抓取機(jī)器人是探尋抓取機(jī)器人系統(tǒng)的主體部分，主要包括抓取機(jī)構(gòu)、視覺檢測(cè)裝置和底盤；機(jī)器人長150mm，寬100mm，高75mm（木質(zhì)托盤上下木板之間的間距一般高100mm，機(jī)器人可有效的在木質(zhì)托盤間運(yùn)動(dòng)）（如圖2所示）。

抓取機(jī)構(gòu)包括抓手、拉臂、配重盒、抓手底座、升降臂、升降裝置底座和升降電機(jī)，抓手底座上安裝有兩個(gè)抓手，抓手底座上還固定安裝有配重盒，抓手連接有拉臂，拉臂遠(yuǎn)離抓手的一端固定連接有抓手電機(jī)的抓取機(jī)構(gòu)包括抓手、拉臂、配重盒、抓手底座、升降臂、升降裝置底座和升降電機(jī)，抓手底座上安裝有兩個(gè)抓手，抓手底座上還固定安裝有配重盒，抓手連接有拉臂，拉臂遠(yuǎn)離抓手的一端固定連接有抓手電機(jī)的輸出軸；抓手底座鉸接有升降臂，升降臂遠(yuǎn)離抓手底座的一端與升降電機(jī)鉸接，升降電機(jī)固定安裝在升降裝置底座上，升降電機(jī)啟動(dòng)能夠帶動(dòng)抓手底座和升降臂上下移動(dòng)，且抓手電機(jī)能夠帶動(dòng)抓手實(shí)現(xiàn)對(duì)死亡隱匿病媒生物的抓取，升降裝置底座通過螺栓固定連接有底盤[3,4]。

視覺檢測(cè)裝置上安裝有探照燈和監(jiān)控相機(jī)，探照燈和監(jiān)控相機(jī)與視覺檢測(cè)裝置的連接方式為卡接[5]。從監(jiān)視器引出電源線和視頻信號(hào)線，與視頻WiFi模塊連接；視頻WiFi模塊通電，與本地WiFi信號(hào)建立連接；電腦（手機(jī)、平板）與本地WiFi建立連接，打開軟件，搜索目標(biāo)設(shè)備，接收目標(biāo)設(shè)備信號(hào)；電腦（手機(jī)、平板）上觀看實(shí)時(shí)傳輸畫面（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，會(huì)有一定延時(shí)）。監(jiān)視器通過圖像接收天線，利用EM78P153K單片機(jī)接收視頻信號(hào)和TW8831單片機(jī)解析視頻信號(hào)，顯示機(jī)器人攝像頭所攝圖像。

底盤安裝有抓取機(jī)構(gòu)，底盤上方設(shè)置有視覺檢測(cè)裝置，底盤底部安裝有多個(gè)滾輪。底盤上還安裝有前蓋板、上蓋板和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，上蓋板通過定位螺絲與底盤連接，底盤上設(shè)置有電池倉，電池倉和上蓋板之間通過定位螺絲固定連接，電池倉上安裝有充電口；驅(qū)動(dòng)電機(jī)與底盤通過卡箍固定連接[6]；底盤的側(cè)壁安裝有用于散熱的扇熱裝置。底盤的底表面開設(shè)有卡槽，卡槽內(nèi)安裝有紅外相機(jī)，底盤上還安裝有電子調(diào)速器，電子調(diào)速器的右側(cè)安裝有無線圖傳，電子調(diào)速器和無線圖傳與底盤的連接方式均為卡接，無線圖傳上安裝有攝像頭圖像傳輸發(fā)射天線，無線圖傳和攝像頭圖像傳輸發(fā)射天線的連接方式為螺紋連接；上蓋板的上表面安裝有遙控信號(hào)接收機(jī)，遙控信號(hào)接收機(jī)通過膠連接固定于上蓋板上，遙控信號(hào)接收機(jī)通過接收和發(fā)射天線無線連接有遙控手柄，接收和發(fā)射天線與遙控信號(hào)接收機(jī)為焊接，遙控信號(hào)接收機(jī)的左側(cè)設(shè)置有攝像云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，攝像云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和通過定位螺絲固定于上蓋板上，攝像云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)與視覺檢測(cè)裝置通過螺栓固定連接。

1.2 探尋抓取機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

探尋抓取機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，包括遙控手柄、顯示器、內(nèi)存結(jié)構(gòu)、單片機(jī)等。人通過顯示器判斷機(jī)器人所處的環(huán)境，并通過遙控手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的前進(jìn)后退、抓取等操作。遙控手柄設(shè)計(jì)有STM32F072單片機(jī)將指令通過接收和發(fā)送天線傳送給遙控信號(hào)接收機(jī)，遙控信號(hào)接收機(jī)將信號(hào)分發(fā)給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器中設(shè)計(jì)有Microchip PIC12F單片機(jī)，然后通過PWM給驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，促使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，打開電源開關(guān)，使探照燈與電池倉相連，引起探照燈發(fā)光，監(jiān)控相機(jī)將錄取的圖像通過無線圖傳傳輸給遙控手柄，顯示在遙控手柄的顯示器上，遙控手柄上可插入內(nèi)存卡來存儲(chǔ)錄取的圖像[7]。

遙控器與機(jī)器人配對(duì)：打開發(fā)射機(jī)（遙控器）電源，點(diǎn)擊設(shè)置圖標(biāo)，向下滑動(dòng)屏幕瀏覽設(shè)置菜單，然后選擇RX bind。將對(duì)碼線連接到接收機(jī)上的BIND/VCC接口。打開接收機(jī)電源，接收機(jī)指示燈開始快速閃爍，表示接收機(jī)進(jìn)入對(duì)碼狀態(tài)。當(dāng)指示燈開始慢速閃爍時(shí)，表示接收機(jī)和發(fā)射機(jī)配對(duì)完成。然后將對(duì)碼線從接收機(jī)上斷開，并斷開接收機(jī)電源。然后重新打開接收機(jī)電源。檢查發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、機(jī)器人是否正常工作。如有異常，重復(fù)以上步驟重新配對(duì)。

圖2 探尋抓取機(jī)器人各個(gè)結(jié)構(gòu)

2 功能與特點(diǎn)

2.1 前端高清攝像

為提高探尋抓取機(jī)器人的探尋識(shí)別能力，機(jī)器人前端裝備有高清攝像頭并配備探照燈，探照觀察探照觀察有效距離大約為2米，機(jī)器人攜帶電池的電量可維持機(jī)器人探尋識(shí)別和運(yùn)動(dòng)，前端高清攝像在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過程中可有效了解集裝箱內(nèi)部的環(huán)境狀況以及有無病媒生物的情況，滿足機(jī)器人的探尋識(shí)別需求。

2.2 后端紅外攝像

為減少電源損耗，不在探尋抓取機(jī)器人后端配備探照燈，而在探尋抓取機(jī)器人后端裝備有紅外攝像頭，視野觀察有效距離大約為1米，滿足機(jī)器人在倒車過程中觀察后部視野的需求。

2.3 抓取和避障功能

探尋抓取機(jī)器人前端裝備有抓取機(jī)構(gòu)，依靠升降臂和升降電機(jī)可上下運(yùn)動(dòng)，抓手可向內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人到達(dá)死亡病媒生物面前時(shí)，通過調(diào)整抓取機(jī)構(gòu)的上下位置和向內(nèi)向外的寬度來滿足抓取死亡病媒生物的需要，探尋抓取機(jī)器人的抓取機(jī)構(gòu)可抓取不超過300克的死亡病媒生物，基本滿足既定需求。抓取機(jī)構(gòu)除了用來抓取死亡病媒生物外，在機(jī)器人前進(jìn)或后退過程中遇到障礙，通過調(diào)整抓取機(jī)構(gòu)的上下位置可增加機(jī)器人的越障能力和運(yùn)行效率。

3 應(yīng)用效果

集裝箱內(nèi)部的木質(zhì)托盤與集裝箱底部接觸的部分厚度一般不超過3厘米，探尋抓取機(jī)器人能夠快速在集裝內(nèi)部的木質(zhì)托盤間運(yùn)動(dòng)，進(jìn)出6米和12米長鋪有木質(zhì)托盤的集裝箱只需要幾分鐘的時(shí)間，所攜帶的電池電量能夠維持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和探尋識(shí)別1小時(shí)，可快速探尋識(shí)別是否存活病媒生物（如圖3和圖4所示），從而有效判斷對(duì)集裝箱的熏蒸效果。在發(fā)現(xiàn)死亡的病媒生物時(shí)，可同病媒生物抓取出來（如圖5所示），提高了在集裝箱內(nèi)部獲得病媒生物的效率，從而避免了病媒生物污染集裝箱。遙控器上的監(jiān)視器可實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人實(shí)時(shí)采集到的視頻圖像，在遙控器上同時(shí)又設(shè)置有內(nèi)存卡，可將拍攝到的視頻圖像儲(chǔ)存起來。

圖3 前置監(jiān)控相機(jī)攝取圖像

4 結(jié)語

該研究設(shè)計(jì)用于集裝箱病媒生物的探尋抓取機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在集裝箱內(nèi)部將死亡的病媒生物探尋抓取出來的實(shí)際需要。在集裝箱完成熏蒸后，該機(jī)器人可作為一種有效的工具在集裝箱內(nèi)部探尋是否還存活病媒生物，作為評(píng)判集裝箱熏蒸效果的依據(jù)。

圖4 后置紅外相機(jī)攝取圖像

圖5 探尋抓取機(jī)器人抓取圖