用于集裝箱病媒生物的探尋抓取機(jī)器人設(shè)計

2021-04-04 06:48:54滕新棟陳曉光王林濤孫高峰

制造業(yè)自動化 2021年3期

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，集裝箱作為一種運輸工具被廣泛用于各類貨物的運輸，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，耗費大量人力、物力、財力和時間，并且人員進(jìn)入密閉的集裝箱具有一定的危險性，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，需要對集裝箱進(jìn)行熏蒸，對集裝箱的熏蒸效果評價也比較困難。

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，從而有效判斷對集裝箱的熏蒸效果。該研究從實用性角度出發(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。

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)托盤間運動）（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)啟動能夠帶動抓手底座和升降臂上下移動，且抓手電機(jī)能夠帶動抓手實現(xiàn)對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線，與視頻WiFi模塊連接；視頻WiFi模塊通電，與本地WiFi信號建立連接；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；電腦（手機(jī)、平板）上觀看實時傳輸畫面（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，會有一定延時）。監(jiān)視器通過圖像接收天線，利用EM78P153K單片機(jī)接收視頻信號和TW8831單片機(jī)解析視頻信號，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)置有視覺檢測裝置，底盤底部安裝有多個滾輪。底盤上還安裝有前蓋板、上蓋板和驅(qū)動電機(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接收機(jī)，遙控信號接收機(jī)通過膠連接固定于上蓋板上，遙控信號接收機(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)射天線與遙控信號接收機(jī)為焊接，遙控信號接收機(jī)的左側(cè)設(shè)置有攝像云臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)，攝像云臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)和通過定位螺絲固定于上蓋板上，攝像云臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)與視覺檢測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

探尋抓取機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺，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，并通過遙控手柄實現(xiàn)對機(jī)器人的前進(jìn)后退、抓取等操作。遙控手柄設(shè)計有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接收機(jī)，遙控信號接收機(jī)將信號分發(fā)給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器中設(shè)計有Microchip PIC12F單片機(jī)，然后通過PWM給驅(qū)動電路信號進(jìn)而控制驅(qū)動電機(jī)，促使驅(qū)動電機(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)存卡來存儲錄取的圖像[7]。

遙控器與機(jī)器人配對：打開發(fā)射機(jī)（遙控器）電源，點擊設(shè)置圖標(biāo)，向下滑動屏幕瀏覽設(shè)置菜單，然后選擇RX bind。將對碼線連接到接收機(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)入對碼狀態(tài)。當(dāng)指示燈開始慢速閃爍時，表示接收機(jī)和發(fā)射機(jī)配對完成。然后將對碼線從接收機(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。

圖2 探尋抓取機(jī)器人各個結(jié)構(gòu)

2 功能與特點

2.1 前端高清攝像

為提高探尋抓取機(jī)器人的探尋識別能力，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)器人探尋識別和運動，前端高清攝像在機(jī)器人運動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)可上下運動，抓手可向內(nèi)向外運動，在機(jī)器人到達(dá)死亡病媒生物面前時，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)托盤間運動，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間，所攜帶的電池電量能夠維持機(jī)器人的運動和探尋識別1小時，可快速探尋識別是否存活病媒生物（如圖3和圖4所示），從而有效判斷對集裝箱的熏蒸效果。在發(fā)現(xiàn)死亡的病媒生物時，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)視器可實時觀察機(jī)器人實時采集到的視頻圖像，在遙控器上同時又設(shè)置有內(nèi)存卡，可將拍攝到的視頻圖像儲存起來。