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(chǎng)、化工廠等場(chǎng)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(zhǎng)，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(cè)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(cè)、自主安全防護(hù)、語音對(duì)講、自身狀態(tài)檢測(cè)等功能。機(jī)器人采用傳感器和軟件計(jì)算結(jié)合場(chǎng)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(cè)，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(chǎng)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(cè)。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(chǎng)設(shè)備及環(huán)境的高密度、高分辨率檢測(cè)與多維度分析管理 [3]。
機(jī)器人帶有安全檢測(cè)傳感器對(duì)巡檢區(qū)域以及周邊進(jìn)行探測(cè)，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(cè)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(chǎng)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(cè)，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(zhǎng)度一般 3 m或 6 m，彎軌根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(cè)、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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到有效障礙物時(shí)輸出高低電平信號(hào)以被 MCU 檢測(cè)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(cè)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(yíng)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(jiǎn)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(cè)、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(cè)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(cè)、污水處理廠巡檢、石油化工廠巡檢等場(chǎng)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(cè)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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。
