0 引 言
目前生產(chǎn)和生活中輸送帶輸送機(jī)巷道、煤礦井下水泵房、城市綜合管廊、配電房、污水處理場、化工廠等場所的巡視和檢修工作大部分都依靠人工進(jìn)行定
時(shí)檢查、駐點(diǎn)值守，但人工巡檢存在以下諸多缺點(diǎn)：環(huán)境復(fù)雜、空間狹小、積水情況常見，對(duì)人工巡視造成阻礙和干擾；容易受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和情緒、主觀意識(shí)的影響；頻率低，間隔長，設(shè)備發(fā)生故障不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)；設(shè)備運(yùn)行過程中無法進(jìn)行人工巡檢作業(yè)；人工獲取的數(shù)據(jù)難以形成系統(tǒng)性，參考意義不大；井下作業(yè)還威脅巡檢人員的生命安全。
隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提升以及通信技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、紅外測溫技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人巡檢代替人工巡檢已逐漸成為設(shè)備巡檢的發(fā)展方向。機(jī)器人巡檢系統(tǒng)能讓運(yùn)維人員足不出戶就可全景掌握設(shè)備的狀態(tài)，減少巡檢次數(shù)，降低日常維護(hù)的人員、車輛以及物資等維護(hù)成本，挖掘設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)中的價(jià)值，提高管理水平 [1]。巡檢機(jī)器人按行走方式主要分為軌道式、輪式和履帶式三種機(jī)器人 [2]。掛軌機(jī)器人具有固定的運(yùn)動(dòng)軌跡，一般架設(shè)在高處不影響人員往來，還方便采用滑觸線供電，24 小時(shí)不間斷工作提高巡檢效率，本文主要介紹滑觸線供電的掛軌機(jī)器人巡檢系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
1 功能介紹
開發(fā)的機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要有自主定位導(dǎo)航巡檢、視頻及環(huán)境檢測、自主安全防護(hù)、語音對(duì)講、自身狀態(tài)檢測等功能。機(jī)器人采用傳感器和軟件計(jì)算結(jié)合場景軌道布置實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境下的精準(zhǔn)定位，能根據(jù)指定的路徑和指定的巡檢目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)勻速巡檢，只需要設(shè)定巡檢路徑并啟動(dòng)自動(dòng)巡檢即可使機(jī)器人自動(dòng)完成一次巡檢。機(jī)器人每到一個(gè)巡檢工作位置，能自動(dòng)準(zhǔn)確停車探測，做完規(guī)定的動(dòng)作后再按照路徑自動(dòng)往下一個(gè)巡檢目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)，全程無須人工干預(yù)，便可完成巡檢作業(yè)，自動(dòng)記錄、保存、上傳數(shù)據(jù)。機(jī)器人利用自身攜帶各種環(huán)境傳感器對(duì)現(xiàn)場被巡檢設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而診斷出設(shè)備是否存在故障并觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警。一般可用于設(shè)備指示燈、數(shù)字及指針表計(jì)、開關(guān)閥門等識(shí)別，也可用于跑冒滴漏的高變倍監(jiān)控實(shí)現(xiàn)液體跑冒滴漏事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測。巡檢任務(wù)執(zhí)行完成后會(huì)自動(dòng)生成任務(wù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備及環(huán)境的高密度、高分辨率檢測與多維度分析管理 [3]。
機(jī)器人帶有安全檢測傳感器對(duì)巡檢區(qū)域以及周邊進(jìn)行探測，遇到障礙物會(huì)提前停止運(yùn)行并報(bào)警。同時(shí)為了防止在傳感器失效的情況下碰撞人員或者設(shè)
備損傷，在機(jī)器人身體前后兩端增加了緩沖部件和檢測電路可有效減緩碰撞力度并從硬件上強(qiáng)行停止。在機(jī)器人明顯位置安裝有警示燈，通過警示燈的不同顏色來表示掛軌巡檢機(jī)器人當(dāng)前的各種狀態(tài)，提醒巡檢區(qū)域內(nèi)工作人員注意。在自主巡檢的過程中停障后會(huì)自動(dòng)通知主控室排除障礙物，在此過程中可由后臺(tái)客戶端下達(dá)返回、待命或其他無影響的巡檢任務(wù)。巡檢系統(tǒng)可通過搭建的網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人端與后臺(tái)主控室之間進(jìn)行實(shí)時(shí)語音對(duì)講，方便現(xiàn)場人員交流。機(jī)器人具備自檢功能，支持對(duì)位置、速度、里程、通信情況等的檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)控自身狀態(tài)并通過警示燈或后臺(tái)客戶端顯示。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)包含多模塊、多要素、多子系統(tǒng)，從數(shù)字化、信息化、智能化的要求出發(fā)，從更高維度、更**視角設(shè)計(jì)，采用滑觸線供電和電力載波通信的智能
巡檢系統(tǒng)。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，主要包含軌道和供電系統(tǒng)、機(jī)器人本體、通信系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。
2.1 軌道和供電系統(tǒng)
為滿足掛軌機(jī)器人平滑順暢行駛要求，軌道方案采用如圖 2 形式，軌道固定支架通過拉爆螺絲固定于房頂，軌道采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作的直軌與彎軌
拼接吊頂安裝而成，通過調(diào)整可調(diào)節(jié)高度支架可保證軌道安裝高度適宜且水平 [4]。直軌道標(biāo)準(zhǔn)長度一般 3 m或 6 m，彎軌根據(jù)現(xiàn)場尺寸定制，每間隔 1 ～ 2 m 安裝固定支架以保證機(jī)器人的支撐強(qiáng)度，機(jī)器人本體主動(dòng)輪和從動(dòng)輪架設(shè)于軌道上。
機(jī)器人要開展巡檢工作，穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是各模塊工作的前提，一般常用的供電方式有電池和滑觸線兩種 [5]，電池供電方式會(huì)增加機(jī)器人重量，不能長時(shí)間巡檢需要設(shè)置充電裝置間斷性充電，巡檢效率相對(duì)不高。本系統(tǒng)**性的采用滑觸線供電方式，其安裝于軌道上方，初始端接入 48 V 開關(guān)電源對(duì)應(yīng)正負(fù)極，并用集電器與滑觸線緊密接觸，集電器可以將滑觸線中的電能通過滑動(dòng)接觸輸送給機(jī)器人本體，這樣機(jī)器人不僅重量輕，而且在巡檢過程中可以保持 7×24 小時(shí)不間斷工作。
2.2 機(jī)器人本體
機(jī)器人本體設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心，主要由工控機(jī)、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、各種傳感器、電源模塊等組成，如圖 3 所示。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、視頻和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸保存、安全防護(hù)、狀態(tài)檢測、語音對(duì)講相關(guān)功能。
工控機(jī)選用研華的 MIO-5152，它采用全新第八代 Atom Elkhart Lake 平臺(tái) 3.5 嵌入式單板電腦，采用DDR4 內(nèi)存，整板尺寸小巧，TDP 功耗 6 ～ 10 W，
可支持 6COM、6USB、2LAN、HDMI 等接口，帶有4K/8K ESD 防護(hù)，具有高性價(jià)比、性能強(qiáng)、接口豐富、可靠性高等特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中分別與電力載波、云臺(tái)通過交換機(jī)相連，與主控板則采用 RS232 通信，主要負(fù)責(zé)視頻、語音、傳感器、機(jī)器人狀態(tài)等數(shù)據(jù)采集處理傳輸保存等。
運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和機(jī)器人狀態(tài)檢測顯示相關(guān)功能以 STM32F407 微處理器（MCU）為核心分別與各子模塊相連，它是帶有 DSP 和 FPU 指令的高性能微控制器，基于 Cortex-M4 內(nèi)核，*高頻率可達(dá) 168 MHz，從 Flash 存儲(chǔ)器執(zhí)行時(shí)能夠提供 210DMIPS/566 Core Mark 性能。其中自主定位采用獲取編碼器數(shù)據(jù)并計(jì)算實(shí)時(shí)運(yùn)行里程結(jié)合光電傳感器矯正的方式來實(shí)現(xiàn)，編碼器采用進(jìn)口傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)輪連接位置，MCU 通過 RS485 通信獲得機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)時(shí)距離信息，同時(shí)在軌道上標(biāo)志位置貼上長條形不同編碼區(qū)域的反光標(biāo)簽，一般直道間隔 8 m 內(nèi)，距離彎道 0.1 ～ 0.5 m 范圍內(nèi)，軌道盡頭 1 m 內(nèi)都貼有標(biāo)簽，當(dāng)機(jī)器人攜帶光電傳感器到標(biāo)簽附近時(shí)傳感器自身發(fā)射的紅外光經(jīng)反射光強(qiáng)度變強(qiáng)可以感應(yīng)到對(duì)應(yīng)的IO脈沖信號(hào)被MCU檢測到并確定對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)位置信息，該位置可作為機(jī)器人巡檢點(diǎn)或輔助位置信息矯正點(diǎn)。
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)采用低壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，包括驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、制動(dòng)電阻等，驅(qū)動(dòng)器具有 PID 調(diào)節(jié)功能，MCU通過 CAN 通信下發(fā)速度使機(jī)器人可穩(wěn)定加減速和勻速運(yùn)行在軌道上到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)位置 [6]。本系統(tǒng)加裝的傳感器可根據(jù)不同場景配置，常規(guī)的有溫濕度傳感器、氣體傳感器、噪音傳感器等，一般采用 RS485 通信實(shí)時(shí)上報(bào)傳感器檢測狀態(tài)，一旦超出上下限數(shù)值就會(huì)使得機(jī)器人三色燈變相應(yīng)燈顏色，同時(shí)語音播報(bào)器也會(huì)播報(bào)相應(yīng)警告語。另外，機(jī)器人還具有自身檢測功能，主要包括位置、速度、里程各狀態(tài)信息以及各模塊之間相互通信校驗(yàn)，如果狀態(tài)或通信異常機(jī)器人也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止運(yùn)行提醒管理人員檢修。
對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來講機(jī)器人的安全防護(hù)是至關(guān)重要的一環(huán)，本系統(tǒng)采用多重安全防護(hù)措施，包括避障雷達(dá)、碰撞開關(guān)、急停開關(guān)等 [7]。選用的避障雷達(dá)探測距離可達(dá) 20 m，感應(yīng)視角 270°，采用 2D 平面紅外不可見激光束在單個(gè)平面上掃描周圍區(qū)域，其利用飛行時(shí)間原理測量距離，激光雷達(dá)以均勻和極短的時(shí)間間隔發(fā)射激光脈沖，當(dāng)激光遇到障礙物時(shí)會(huì)反射回來，激光雷達(dá)接收到反射回來的光信號(hào)，根據(jù)發(fā)射與接收之間的時(shí)間差以及光速可計(jì)算得到物體與激光雷達(dá)之間的距離信息，雷達(dá)在檢測到有效障礙物時(shí)輸出高低電平信號(hào)以被 MCU 檢測到采取相應(yīng)措施。值得一提的是雷達(dá)可以根據(jù)輸入 IO 信號(hào)設(shè)置 16 個(gè)不同區(qū)域，這樣可以在不同區(qū)域設(shè)置不同觸發(fā)距離，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境的避障功能。輸出 3 個(gè) IO 信號(hào)對(duì)應(yīng) 3 個(gè)防護(hù)級(jí)別分別對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)端預(yù)警、正常停止、急停停止，可使機(jī)器人提前預(yù)判調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，區(qū)域設(shè)置輸入信號(hào)和防護(hù)檢測輸出信號(hào)分別連接 MCU 的 IO腳可實(shí)現(xiàn)。為了防止避障激光雷達(dá)失效，在機(jī)器人前后方向都裝有碰撞開關(guān)，當(dāng)碰撞開關(guān)觸發(fā)后，內(nèi)部開關(guān)閉合，該信號(hào)可切斷驅(qū)動(dòng)器輸出使得機(jī)器人失去動(dòng)力，同時(shí)接入主控板，使系統(tǒng)知道碰撞開關(guān)觸發(fā)狀態(tài)。急停開關(guān)也具有相同功能，在其他控制無效的情況下可人為切斷機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)。
電源模塊也是極為重要的，它為機(jī)器人本體所有設(shè)備提供了穩(wěn)定可靠的電源。因?yàn)榛|線上為 48 V左右直流電，采用兩個(gè) DCDC 電源模塊將 48 V 電壓轉(zhuǎn)化為 24 V 和 12 V 以供工控機(jī)、主控板、傳感器等設(shè)備工作，經(jīng)計(jì)算功率都取 50 W，而驅(qū)動(dòng)器是寬電壓 20 ～ 70 V 工作，即使滑觸線電壓有所波動(dòng)也在其工作范圍內(nèi)，所以直接輸入即可。
2.3 通信系統(tǒng)
目前，巡檢機(jī)器人常用的通信方式有 Wi-Fi、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和電力載波等。Wi-Fi 布局要求工程一開始就把所有布線完成，否則需要重新開槽、打墻，走線成本將非常高，且存在著傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)延時(shí)大、時(shí)常掉線連接的問題。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一般只有在空曠的環(huán)境信號(hào)才好，在室內(nèi)或者偏僻地方需要通信運(yùn)營商重新布置基站也需要額外花費(fèi)不少成本。電力載波通信可以利用現(xiàn)有電力線，不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)穩(wěn)定、高傳輸速率、抗干擾性強(qiáng)、免布線煩惱、即插即用。
應(yīng)用電力載波通信技術(shù)，進(jìn)行音視頻、控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)等信息的傳輸，可以做到整個(gè)通信過程的準(zhǔn)確無誤，相比于其他兩種通信方式，簡化了布線，并大大降低了組網(wǎng)成本 [8]。
得益于系統(tǒng)采用滑觸線方式供電，利用其搭載電力載波模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與后端的通信，服務(wù)器和客戶端則采用交換機(jī)與之相連，不過需要說明的是電力載
波通信方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)*遠(yuǎn)傳輸距離一般在 500 m 以內(nèi)，更遠(yuǎn)距離的通信則需要采用帶中繼功能的載波模塊，通信連接關(guān)系如圖 4 所示。
因?yàn)殡娏€上機(jī)器人本體帶有各種負(fù)載，比如穩(wěn)壓電源、電容器、電機(jī)感性負(fù)載等，這些會(huì)對(duì)電力載波的高頻信號(hào)產(chǎn)生較大的吸收作用。為了避免電力載
波性能的下降，以達(dá)到理想的電力載波效果，在電力線上串接了專用的二級(jí)電源濾波器，分別加在主電力載波模塊的前端和從電力載波模塊的后端，對(duì)干擾源進(jìn)行濾波隔離以達(dá)到更好的通信效果。
2.4 服務(wù)器系統(tǒng)
本系統(tǒng)涉及各種數(shù)據(jù)檢測、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及支持多機(jī)器人監(jiān)控等功能，考慮到后續(xù)的機(jī)器人系統(tǒng)增加、接入檢測設(shè)備的增加、算法的不斷提升，特
建立服務(wù)器系統(tǒng) [9]，該方案可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)服務(wù)器包含多種功能：
1）高并發(fā)高可靠、多用戶、多業(yè)務(wù)、強(qiáng)交互的機(jī)器人一體化管理平臺(tái)，提供機(jī)器人及其他接入設(shè)備的全生命周期管理。
2）提供網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理、機(jī)器人管理、地圖管理、任務(wù)管理、報(bào)警管理。
3）AI 和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)、調(diào)試管理、音視頻管理、交互管理、閾值管理、自定義事件等功能模塊。
2.5 軟件系統(tǒng)
巡檢系統(tǒng)配備有專門的遠(yuǎn)程控制后臺(tái)管理軟件，機(jī)器人客戶端采用 B/S 架構(gòu)，將控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)集中在服務(wù)端上，通過瀏覽器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控實(shí)現(xiàn)
跨平臺(tái)統(tǒng)一的用戶交互 [10]。機(jī)器人的視頻、數(shù)據(jù)、報(bào)警、控制等融合于智能巡檢運(yùn)維平臺(tái)一體化管理，界面顯示內(nèi)容可編輯，客戶端軟件界面具備機(jī)器人各種數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人控制等功能，對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)坐標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新和顯示。
3 應(yīng)用實(shí)例
基于本系統(tǒng)技術(shù)的掛軌機(jī)器人巡檢系統(tǒng)已應(yīng)用于隧道作業(yè)檢測、污水處理廠巡檢、石油化工廠巡檢等場景，圖 5、圖 6 為新疆某廠房設(shè)備閥門開關(guān)等識(shí)別和環(huán)境氣體監(jiān)測運(yùn)行現(xiàn)場和客戶端管理畫面。目前已連續(xù)穩(wěn)定工作幾個(gè)月，從客戶端可以清晰看到實(shí)時(shí)高清和紅外畫面并成功識(shí)別設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場氣體濃度、環(huán)境溫度、噪音值等傳感器數(shù)值和機(jī)器人速度、位置等狀態(tài)，高效完成了預(yù)定的巡檢任務(wù)，且數(shù)據(jù)可追述便于管理，給客戶節(jié)省了大量人力成本。
4 結(jié) 論
盡管區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨一些挑戰(zhàn)，其仍然具有廣闊的未來前景。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其可擴(kuò)展性和性能將得到進(jìn)一步提
升。新的區(qū)塊鏈架構(gòu)和共識(shí)機(jī)制的出現(xiàn)將促使區(qū)塊鏈系統(tǒng)處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)和更高的交易速度，從而為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供更好的支持。此外，零知識(shí)證明、多方計(jì)算和加密算法等技術(shù)的應(yīng)用可以在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享和利用。
