吳旭平，馬浩浩*，韓偉亮，穆 彤，張 彬

(1.天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院,甘肅 天水 741001; 2.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

近年來(lái),隨著新冠疫情的影響,公共場(chǎng)合消毒工作成為一項(xiàng)必要措施[1]。然而,人為清掃工作效率低,成本高等問(wèn)題突出,難以高效進(jìn)行公共場(chǎng)合的消毒工作。

隨著智能化的不斷普及,本文基于SLAM算法,實(shí)現(xiàn)消毒機(jī)器人的避障功能,可以在人群、障礙物諸多的場(chǎng)合進(jìn)行有效的消毒工作,提高其工作效率。

1 消毒機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 組成部分

如圖1,避障消毒機(jī)器人由機(jī)器人端和電腦端兩部分組成。機(jī)器人端由視覺(jué)傳感器、控制部分、消毒部分、底盤(pán)驅(qū)動(dòng)部分等組成。電腦端主要負(fù)責(zé)程序的正常運(yùn)行,監(jiān)看并遙控避障消毒機(jī)器人的正常運(yùn)行。

圖1 避障消毒機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1、圖2、圖3所示,一種具有避障功能的消毒機(jī)器人,包括機(jī)器人消毒箱,機(jī)器人消毒箱的底部轉(zhuǎn)動(dòng)連接有全向輪,機(jī)器人消毒箱的頂部固定連接有立柱,立柱的頂端設(shè)有噴霧機(jī)構(gòu),機(jī)器人消毒箱的四周固定連接有紅外感應(yīng)器,機(jī)器人消毒箱的四周邊角設(shè)有彈性機(jī)構(gòu),彈性機(jī)構(gòu)包括固定于機(jī)器人消毒箱一側(cè)的彈簧一,彈簧一的一端固定連接有減震板。減震板的材質(zhì)為橡膠材質(zhì),且彈簧一的材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)。噴霧機(jī)構(gòu)包括套設(shè)于立柱頂端的卡頭,卡頭的外圍開(kāi)設(shè)有若干個(gè)噴霧口,卡頭的一端連通有水管,水管的一端連接有增壓泵?？^的一端固定連接有搓盤(pán),搓盤(pán)的一端固定連接有彈簧二,彈簧二的一端固定連接有固定板,固定板一側(cè)固定于立柱的內(nèi)壁上。機(jī)器人消毒箱的內(nèi)部底端固定連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端固定連接有固定桿,固定桿的外表面固定連接有攪拌塊。固定桿遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一端固定連接有絲桿,絲桿與固定板活動(dòng)連接,搓盤(pán)的一側(cè)與絲桿滑動(dòng)連接,卡頭的兩側(cè)固定連接有滑塊,立柱的頂端位于滑塊處開(kāi)設(shè)有滑槽。

圖2 避障消毒機(jī)器人的彈性機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)局部

圖3 避障消毒機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本文所述的一種具有避障功能的消毒機(jī)器人,通過(guò)設(shè)有彈性機(jī)構(gòu)可以在碰撞時(shí)減少機(jī)器人所受到的傷害,且通過(guò)噴霧機(jī)構(gòu)可以控制噴霧口的調(diào)整,可以控制噴霧口的隱藏,減少對(duì)空氣中的灰塵吸附,對(duì)噴霧口的噴霧效果進(jìn)行保護(hù),且通過(guò)攪拌塊可以使內(nèi)部的消毒液混合更加均勻。

1.3 工作原理

使用時(shí),通過(guò)全向輪控制機(jī)器人消毒箱的行進(jìn)方向,在移動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)紅外感應(yīng)器感應(yīng)位置信息,及時(shí)進(jìn)行避讓,通過(guò)減震板和彈簧一的安裝,可以減小因碰撞后機(jī)器人所受到的傷害,在移動(dòng)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制固定桿轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)攪拌塊對(duì)機(jī)器人消毒箱內(nèi)部的消毒液進(jìn)行攪拌,進(jìn)而通過(guò)搓盤(pán)下半部在絲桿上移動(dòng),控制卡頭的位置使噴霧口漏出,之后通過(guò)搓盤(pán)之間的搓動(dòng),且通過(guò)彈簧二的彈性,可以控制卡頭的位置固定,以此同時(shí)增壓泵通過(guò)對(duì)消毒液增壓,將其通過(guò)水管的輸送從噴霧口噴撒出。

2 SLAM關(guān)鍵技術(shù)

定位問(wèn)題和地圖尋址問(wèn)題是SLAM主要解決的兩個(gè)問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)陌生的環(huán)境,SLAM就可以幫助機(jī)器人在這種環(huán)境下運(yùn)行的過(guò)程中避開(kāi)環(huán)境中的障礙,及時(shí)感知所處周圍環(huán)境和空間關(guān)系。最終達(dá)到保證機(jī)器人在陌生環(huán)境下安全運(yùn)行到達(dá)目的地[2]。

主流的SLAM算法包括HectorSLAM、Gampping、KartoSLAM、LagoSLAM、CoreSLAM。

其中,Gampping是一個(gè)開(kāi)源算法。它的優(yōu)點(diǎn)是可以快速準(zhǔn)確地構(gòu)建小型場(chǎng)景地圖。由于本文研究的避障消毒機(jī)器人廣泛應(yīng)用于小型場(chǎng)景,故本實(shí)驗(yàn)使用Gampping算法。

如圖4所示,SLAM總共分為三個(gè)步驟:感知、定位、建圖,最終解決的問(wèn)題是確定機(jī)器人位置。感知:機(jī)器人利用傳感器來(lái)感知周邊環(huán)境。定位:通過(guò)傳感器傳來(lái)的消息來(lái)進(jìn)行快速定位。建圖:通過(guò)傳感器往返的信息推測(cè)出機(jī)器人自身的位置和周圍的環(huán)境,反映出實(shí)時(shí)地圖,使用測(cè)距單元來(lái)幫助確定位置[3]。

圖4 整體視覺(jué)SLAM流程圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 激光雷達(dá)

根據(jù)使用的傳感器不同,消毒機(jī)器人SLAM技術(shù)可分為視覺(jué)SLAM[4]和激光SLAM技術(shù)。由于本次實(shí)驗(yàn)使用的是激光SLAM技術(shù),所以機(jī)器人的傳感器是激光雷達(dá)激光直接成型技術(shù)(laser direct structuring,LDS)。表1為激光雷達(dá)參數(shù)。

表1 激光雷達(dá)參數(shù)

3.1.2 OpenCR控制板

OpenCR是TurtleBot3的主控制器板,主要負(fù)責(zé)控制消毒機(jī)器人的行動(dòng)。具有尺寸小、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 樹(shù)莓派3B+

樹(shù)莓派3B+是在原來(lái)樹(shù)莓派3B的升級(jí)版,采用了BCM2837B0型號(hào)CPU構(gòu)建,是3B版本的博通處理器的升級(jí)版本,更新版本進(jìn)行了性能和散熱器優(yōu)化。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

Gmapping是基于濾波SLAM框架的常用開(kāi)源SLAM算法[5]。Gmapping可以實(shí)時(shí)構(gòu)建室內(nèi)地圖,構(gòu)建小場(chǎng)景地圖所需的計(jì)算量較小且精度較高。相比Hector SLAM對(duì)激光雷達(dá)頻率要求低、魯棒性高;而相比Cartographer在構(gòu)建小場(chǎng)景地圖時(shí),Gmapping不需要太多的粒子并且沒(méi)有回環(huán)檢測(cè),因此計(jì)算量小于Cartographer而精度并沒(méi)有差太多。

4 消毒機(jī)器人地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃仿真

本文采用地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃仿真來(lái)模擬消毒機(jī)器人的自主避障功能,如圖5所示。

圖5 建圖規(guī)劃

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要從消毒機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面展開(kāi)研究,基于SLAM算法來(lái)實(shí)現(xiàn)消毒機(jī)器人的自主避障功能,進(jìn)而提高消毒機(jī)器人的工作效率,有效解決公共場(chǎng)合消毒效率低、成本高等問(wèn)題。