鄧三鵬，祁宇明，權(quán)利紅

0 引言

世界技能大賽由世界技能組織舉辦，被譽(yù)為“技能奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺(tái)。中國(guó)在第41屆首次參加收獲1枚銀牌，在第44屆世界技能大賽上獲得了15金、7銀、8銅和12個(gè)優(yōu)勝獎(jiǎng)的好成績(jī)，列金牌榜首位[1]；其中移動(dòng)機(jī)器人（Mobile Robotics）賽項(xiàng)獲得銅牌，實(shí)現(xiàn)了該賽項(xiàng)獎(jiǎng)牌零的突破。為選拔優(yōu)秀技能人才，培育工匠精神，促進(jìn)機(jī)器人技能人才隊(duì)伍建設(shè)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)技能競(jìng)賽與世界技能大賽接軌，全國(guó)機(jī)械職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心等單位聯(lián)合舉辦“2017年全國(guó)機(jī)械行業(yè)職業(yè)院校技能大賽-‘博諾杯’移動(dòng)機(jī)器人競(jìng)賽”，該賽項(xiàng)由天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司等單位承辦，來(lái)自全國(guó)13個(gè)省市的86支代表隊(duì)參與了本次大賽的角逐。

1 賽項(xiàng)任務(wù)

競(jìng)賽為團(tuán)體賽，每組由2人組成，不僅考核參賽選手完成比賽任務(wù)的情況，而且還考驗(yàn)選手對(duì)于機(jī)械、電氣、程序聯(lián)調(diào)的綜合水平，以及對(duì)編程方式、比賽策略的把握。競(jìng)賽任務(wù)如下：

（1）完成移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械部分的安裝調(diào)試。保證運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，無(wú)卡阻、爬行現(xiàn)象，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電線不與其它零件發(fā)生碰擦，機(jī)械零件連接緊固、正確，電氣接線符合要求，裝配后美觀整潔，排線整齊。

（2）使用myRIO及攝像頭作為硬件，實(shí)現(xiàn)臺(tái)球的識(shí)別。掌握物體識(shí)別的方法，掌握一種適合的顏色識(shí)別算法，使用myRIO的視覺(jué)處理模塊并完成硬件的連接，進(jìn)行不同臺(tái)球的區(qū)分。

（3）移動(dòng)機(jī)器人在場(chǎng)地中遙控或自主尋找指定的臺(tái)球并抓取。完成手動(dòng)遙控器與移動(dòng)機(jī)器人的通信連接，考察通過(guò)硬件設(shè)備觀測(cè)地形的能力，以及機(jī)器人的路徑規(guī)劃策略，完成移動(dòng)機(jī)器人的自主路徑規(guī)劃。

（4）自主搬運(yùn)臺(tái)球通過(guò)場(chǎng)地的通道，將臺(tái)球放在指定圖形碼的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，并重復(fù)動(dòng)作。完成移動(dòng)機(jī)器人的直線、轉(zhuǎn)向以及平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用傳感器融合技術(shù)，保證移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全無(wú)碰撞。

2 大賽平臺(tái)

本次大賽的競(jìng)賽平臺(tái)采用天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司基于第44屆世界技能大賽研制的BNRT-MOB-44型智能移動(dòng)機(jī)器人（如圖1所示）。該平臺(tái)由移動(dòng)平臺(tái)、智能視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手爪、傳感系統(tǒng)、myRIO控制單元和通信六個(gè)模塊組成，其中包括攝像頭、絲杠、導(dǎo)軌、連接架、舵機(jī)、機(jī)械手、機(jī)架、超聲波傳感器、麥克納姆輪、伺服電機(jī)、滾珠滑塊等機(jī)構(gòu)。

圖1 BNRT-MOB-44型智能移動(dòng)機(jī)器人

工作場(chǎng)地為2 m×4 m地面平整的空間（如圖2所示）；場(chǎng)地共分為臺(tái)球放置區(qū)1，走廊2，臺(tái)球散落區(qū)3、4和發(fā)球區(qū)5五個(gè)部分。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行工作場(chǎng)地

主要特點(diǎn)如下：

（1）路徑規(guī)劃與自主移動(dòng)技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人需要將指定的臺(tái)球抓取到其對(duì)應(yīng)的圖案處，完成這一任務(wù)的核心是路徑規(guī)劃與自主移動(dòng)技術(shù)。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人處在一個(gè)簡(jiǎn)單或復(fù)雜、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)、已知或未知的環(huán)境中時(shí)，機(jī)器人的首要任務(wù)是按照一定的性能指標(biāo)，基于環(huán)境感知，在避開(kāi)障礙物的同時(shí)，搜索到一條從初始位置開(kāi)始的實(shí)現(xiàn)其自身目的的最優(yōu)或次優(yōu)路徑，以最小或較小的消耗完成指定的任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人做好路徑規(guī)劃后，在場(chǎng)地中自主移動(dòng)，以找到對(duì)應(yīng)的臺(tái)球。

（2）圖像處理以及顏色識(shí)別技術(shù)。在比賽過(guò)程中，移動(dòng)機(jī)器人需要識(shí)別16種不同的物體。使用myRIO控制器的圖像處理模塊并配合LabVIEW的圖像編程模塊，區(qū)分出臺(tái)球不同的顏色以及圖案，并將這些數(shù)據(jù)反饋給主程序。圖像處理以及顏色識(shí)別技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用地越來(lái)越廣泛，世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人賽項(xiàng)將圖像處理的難度加大，由幾種顏色的區(qū)分發(fā)展到現(xiàn)在16種不同顏色以及圖案的處理。

（3）傳感器多源信息融合。移動(dòng)機(jī)器人需要從起始位置出發(fā)，在不碰到走廊墻壁的前提下，沿著走廊墻壁行走，移動(dòng)到達(dá)臺(tái)球散落處，將臺(tái)球抓取后移動(dòng)至走廊入口處，在移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的過(guò)程中，需要避免障礙物的碰撞。多傳感器集成與融合技術(shù)對(duì)環(huán)境和對(duì)象的復(fù)雜性、不確定性感知性很強(qiáng)，其具有互補(bǔ)性、冗余性、低成本性及實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，利用多個(gè)不同的傳感器完成信息的采集并實(shí)現(xiàn)信息的融合，大大提升了移動(dòng)機(jī)器人的靈活性。

移動(dòng)機(jī)器人采用美國(guó)NI的myRIO1900控制器為核心，使用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具，使得整個(gè)控制流程變得可視化圖形化，例如建立如圖3所示的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試界面，在界面標(biāo)題部分需寫有“2017年“博諾杯”移動(dòng)機(jī)器人大賽”，并在Labview前面板相應(yīng)設(shè)置各單元調(diào)試模塊。應(yīng)用LabVIEW，開(kāi)發(fā)速度明顯提高，LabVIEW強(qiáng)大的工具支持內(nèi)部大量的例程模塊與函數(shù)包，使得不論是做控制還是做數(shù)據(jù)采集與處理分析都變得簡(jiǎn)單快捷。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖3 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)

在強(qiáng)大的核心控制器與軟件平臺(tái)支持下，圖像識(shí)別，定位跟蹤和自主移動(dòng)等機(jī)器人智能技術(shù)都可以輕松實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)的鋁型材搭建，配以精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，搭載四個(gè)麥克納姆輪，與大量可選傳感器配合（攝像頭視覺(jué)，超聲波測(cè)距，紅外尋跡，灰度識(shí)別，紅外測(cè)距等），使得移動(dòng)機(jī)器人能夠適應(yīng)多種場(chǎng)地，完成多種綜合任務(wù)。

3 培養(yǎng)機(jī)器人技能型人才助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)代表著現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展的前沿，在工業(yè)機(jī)器人中占有重要的比重，是中國(guó)制造2025重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中的重要組成部分，也是職業(yè)院校以及高等院校的教學(xué)重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)、維護(hù)、保養(yǎng)方面的專業(yè)技術(shù)人員的需求也不斷擴(kuò)大，培養(yǎng)精通移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的高水平人才也成為各大院校關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。一直以來(lái)，天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司以協(xié)助院校進(jìn)行機(jī)器人及相關(guān)建設(shè)，提升人才職業(yè)能力素養(yǎng)為總體目標(biāo)，充分發(fā)揮機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，以校企合作為支撐紐帶，不斷推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人技能型人才培養(yǎng)工作的開(kāi)展。

3.1 移動(dòng)機(jī)器人教材開(kāi)發(fā)

基于LabVIEW2015-myRIO版編程軟件和智能移動(dòng)機(jī)器人（BNRT-MOB-44）開(kāi)發(fā)了教材《移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》，通過(guò)剖析世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人賽項(xiàng)闡述了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，從移動(dòng)機(jī)器人世賽典型機(jī)器人搭建實(shí)例及調(diào)試、LabVIEW基礎(chǔ)、myRIO配置、myRIO應(yīng)用、傳感器的通信與調(diào)試、LabVIEW拓展訓(xùn)練、移動(dòng)機(jī)器人世賽典型機(jī)器人控制等七部分來(lái)講述，按照“項(xiàng)目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的理念精選教學(xué)內(nèi)容，內(nèi)容全面綜合、深入淺出、循序漸進(jìn)、實(shí)操性強(qiáng)，每個(gè)項(xiàng)目均含有典型的實(shí)施案例講解，兼顧移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的實(shí)際情況和發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 開(kāi)展專業(yè)師資培訓(xùn)

近幾年來(lái)，博諾機(jī)器人為國(guó)內(nèi)眾多職業(yè)院校骨干教師提供專業(yè)培訓(xùn)機(jī)會(huì)，先后開(kāi)展了多期“機(jī)器人專業(yè)帶頭人領(lǐng)軍能力高級(jí)研修班”、“機(jī)器人骨干師資研修班”和“移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研修班”，培訓(xùn)學(xué)員達(dá)400多人。同時(shí)，博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司還結(jié)合機(jī)器人競(jìng)賽、工程應(yīng)用、教學(xué)、科研和技能鑒定方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，編撰了智能制造應(yīng)用型人才培養(yǎng)叢書(shū)，有力支撐了機(jī)器人技能型人才培養(yǎng)的需求。

3.3 研發(fā)智能移動(dòng)機(jī)器人助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)

博諾機(jī)器人與天職師大機(jī)器人及智能裝備研究所合作研發(fā)出多款工業(yè)型智能移動(dòng)機(jī)器人。如圖4所示為應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境物料轉(zhuǎn)運(yùn)的智能AGV機(jī)器人。

圖4 智能AGV機(jī)器人

如圖5所示為災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機(jī)器人，利用GPS、慣性導(dǎo)航信號(hào)、手動(dòng)遙控控制信號(hào)控制翼型傘實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)定點(diǎn)空投，克服了復(fù)雜環(huán)境的影響，使得機(jī)器人在第一時(shí)間空投進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)機(jī)器人攜帶的各種傳感器探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況，解決災(zāi)害環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)信息獲取問(wèn)題。災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機(jī)器人可應(yīng)用于地震、化工企業(yè)、海上平臺(tái)等突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)。

圖5 災(zāi)難環(huán)境下信息快速獲取空投機(jī)器人

如圖6所示為儲(chǔ)油罐油泥清理機(jī)器人，以超高壓水射流為清洗源，基于現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、油氣密度檢測(cè)裝置、信息反饋裝置以及多自由度機(jī)器人構(gòu)建清潔體。儲(chǔ)油罐油泥清理機(jī)器人把作業(yè)人員位于儲(chǔ)油罐外安全的操作環(huán)境中，將清理模式、信息反饋有機(jī)統(tǒng)一，使得清灌工作安全化、簡(jiǎn)單化、智能化，有效地解決了儲(chǔ)油罐清理中的諸多問(wèn)題。

圖6 儲(chǔ)油罐油泥清理機(jī)器人

如圖7所示為基于超高壓水射流的混凝土破拆機(jī)器人，基于超高壓水射流研制的混凝土破拆機(jī)器人，水射流壓力范圍可達(dá)到120 MPa~400 MPa，混凝土破拆厚度大于200 mm，具備高能、冷態(tài)、點(diǎn)割的特點(diǎn)，破拆時(shí)不產(chǎn)生分層、無(wú)熱聚集、無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)粉、煙塵污染等特點(diǎn)，提高了破拆質(zhì)量，尤其是在易燃易爆的環(huán)境下，避免了造成二次災(zāi)害。

圖7 基于超高壓水射流的混凝土破拆機(jī)器人

如圖8所示為基于雙目云臺(tái)和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的履帶機(jī)器人，該履帶機(jī)器人具有雙目云臺(tái)控制功能，控制距離5 km；攝像頭升降功能；雙波段視頻成像功能系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境四參數(shù)反饋功能；監(jiān)測(cè)環(huán)境有毒氣體；語(yǔ)音播報(bào)功能等功能，履帶式機(jī)器人可用于機(jī)器視覺(jué)研究、更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，并且配備了高精度伺服控制和紅外、視覺(jué)、激光、超聲等傳感器，具有較高的教學(xué)和科研應(yīng)用價(jià)值。

圖8 基于雙目云臺(tái)和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的履帶機(jī)器人

4 結(jié)束語(yǔ)

為培養(yǎng)世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人方面的人才，天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司從設(shè)備研發(fā)、選手培訓(xùn)到舉辦“博諾杯”移動(dòng)機(jī)器人大賽，投入了大量的人力物力；一方面，讓移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備經(jīng)受了各種考驗(yàn)；另一方面，通過(guò)本次比賽，推動(dòng)了智能制造的技術(shù)進(jìn)步，加快了博諾機(jī)器人挺進(jìn)“中國(guó)制造2025”的步伐，為智能制造人才培養(yǎng)添翼，打造智能制造教育裝備領(lǐng)先企業(yè)。天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司將繼續(xù)堅(jiān)持“政產(chǎn)學(xué)研用”的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線，專注于機(jī)器人及機(jī)器人技術(shù)為核心的教育裝備與自動(dòng)化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，踐行中國(guó)制造2025.

[1]15金7銀8銅！世界技能大賽中國(guó)代表團(tuán)創(chuàng)歷史最佳[EB/OL].[2017-10-20].http：//huaren.haiwainet.cn/n/2017/1020/c232657-31154550.html.