面向冬奥会的安保机器人动作系统设计

马立勇 李连辉 贾雅静 胡任宇 周阳

摘   要：文章设计了冬奥会安保机器人的动作系统，通过对机器人各部分进行功能及动作流程分析，对其动作系统进行了平台搭建与硬件选择。所涉及的功能需要由感知模块、控制模块、执行模块3部分完成。根据机器人需要实现的主要功能动作，分为运动控制、简易扫描平台、机器人外形的设计与制作3个部分。硬件选择以经济、适用为本，选择红外接近传感器、红外测距传感器、灰度传感器、倾角传感器等，它们有各自的功能，需要相互配合使用。

关键词：安保机器人;动作系统;平台;硬件;传感器

第24届冬奥会及冬残奥会将于2022年在北京市和张家口市联合举行。河北省张家口市将承办冬奥会雪上项目。如何保障运动员、教练员、官员、工作人员、志愿者和观众的生命及财产安全，防止恐怖袭击及违法犯罪是冬奥会最重要的课题之一。冬奥会的安全保障工作涉及防火、巡逻、严查危险物品、对比赛中突发的意外状况实施救助等。而赛场环境复杂，对工作人员安保技术有很高的要求。机器人的广泛应用成为近年来代替人力进行高危作业、连续生产的新亮点。机器人对恶劣环境承受能力强、工作效率高、工作时间长、很适合担任冬奥会赛场安保工作。因此，对冬奥赛场安全保障智能机器人的开发与研究十分必要。

1    功能分析

由于机器人系统是模仿人类等生物的结构、思维而构建的，所以也可以以人类自身为范本来设计机器人。人类用眼睛看到影像、用脑思考是否需要躲避障碍物、用脑控制肌肉做出运动、肌肉带动骨骼完成回避动作。用到的思维方式包括“是否需要躲避障礙物”和“控制肌肉做出运动”两个部分，前者是逻辑判断，后者是固定的行为方法。对于机器人，上述存在于人类自身的结构也可以在机械结构上近似地模拟出来。“眼”替换为“障碍传感器”，“脑”替换为“控制器”，“肌肉”替换为“舵机”，“骨骼”替换为“结构件”。人类的思维在机器人上以软件的形式模拟，控制人类行为方式的“逻辑思维”替换 为“逻辑判断算法”，人类对肌肉的协调控制，替换为机器人对舵机的协调控制[1-5]。

2    动作流程

在设计过程中，最重要的部分就是机器人能够检测位置，其次便是防止错位的过程。

动作流程分析如下：

（1）机器人位于起点并检测开始信号，然后启动上台运动。（2）机器人采用传感器检测台上周围信息。（3）机器人根据检测信息判断运行走向及速度，以及是否需要登擂台。（4）机器人的运行机构完成设定的走向、速度和动作。（5）采用周期性控制，机器人返回第2过程，循环运行。

3    平台搭建

以上流程所涉及的功能需要由感知模块、控制模块、执行模块3部分共同完成。

（1）控制模块：合理的运动设置（运动状态分析）。（2）感知模块：信息采集（检测传感器的选择与使用）。（3）执行模块：各关节配合运动至定点（运动及动作控制）。

根据机器人需要实现的主要功能动作，将这些功能融合在一个个的分任务中，在掌握分任务中的技术后，再进行综合项目的设计与实现。分任务有以下3种。

（1）轮式机器人运动控制（实现执行模块功能）：研究轮式运动的特点，并在机器人套件的基础上，搭建轮式机器人并搭载相关舵机结构，对运动效果进行测试和改进。

（2）简易扫描平台（实现感知模块功能）：掌握光电传感器、测距传感器以及灰度传感器的应用，搭建扫描平台，实现检测敌人以及判断方位的功能。

（3）机器人的设计与制作（实现控制模块功能）：根据示例的项目要求以及比赛规则设置自己的机器人，利用之前分任务实现的功能与技术，完成综合项目的设计制作与实现。

4    硬件选择

4.1  控制器

控制器是整个机器人运动控制的核心，是完成预期功能任务的“指挥所”，因此，选择型号和功能合适的控制器尤为重要。本次设计选择基于STM32的LUBY控制器。

基于STM32单片机的控制器配置有16路AD接口用于传感器的数据输入，6路输出接口用于驱动LED、模拟舵机等外设。系统内置了蓝牙模块和基于CC2530的ZigBee无线通信平台，能方便进行组网。

4.2  传感器

结构零件组成了机器人的躯体，控制器是机器人的大脑，而传感器就是机器人的感知器官：皮肤、眼睛、耳朵、鼻子和舌头。

4.2.1  红外接近传感器

红外接近传感器用于判断机器人是否到达擂台边缘，从而能够防止小车掉下擂台，即起到防掉台的作用。现有的光电传感器优先使用的是波长780 nm～3 μm的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字电路的接口也非常简单。

4.2.2  红外测距传感器

日本SHARP公司推出的红外测距传感器用来测量前方物体和传感器探头之间的距离。这些传感器体积小（手指大小）、重量轻（不到10 g）、接口简单，用于微型机器人的测距是非常理想的选择。

4.3  灰度传感器

灰度传感器通过LED发射亮度较强的光束照亮擂台平面，从而擂台平面反射LED发射的白色光束。而不同物体的颜色对白色光的反射能力各不相同，对于相同的材料来说，白色反射能力强，而黑色则偏低。并且灰度传感器前端布置了光敏电阻，其作用是检测反射光的强度大小，并据此可以推断出擂台平面的灰度值。

4.4  倾角传感器

姿态传感器采集的是机器人的姿态信息，因此，选择一个基本的姿态传感器—水银开关（输出数字信号）。

水银开关里面有一个位于玻璃管，其中，有可自由移动的水银粒，水银粒位于玻璃管的不同端，水银开关输出不同的信号。如在水银粒处于玻璃管一端时，水银开关输出高电平;当传感器由于某种原因姿态改变过大时，水银粒移动到玻璃管另一端，水银开关输出低电平。根据水银开关这种输出信号与其本身姿态有关的特性，可以检测机器人的姿态。

4.5  執行器

机器人常用的运动驱动部件有直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机、舵机等。

基于所设计的机器人特点，选择型号为CDS5500的机器人舵机。proMOTION CDS系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通信接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其他简单位置控制场合。每个舵机都有自己单独的ID号，在机器人构型搭建时，需要对ID号进行配置，以免机器人的某些舵机的ID号重叠。

5    结语

本文主要在功能和硬件两方面阐述了机器人搭建工作。

（1）功能分析：在设计过程中，首先，最重要的部分就是机器人能够检测自己的位置，能够准确完成动作。其次，便是防止错位。

机器人设计所涉及的功能需要由感知模块、控制模块、执行模块3部分完成。根据机器人需要实现的主要功能动作，将这些功能融合在一个个的分任务中，在掌握分任务中的技术后，再进行综合项目的设计与实现。分任务包括轮式机器人运动控制、简易扫描平台、机器人的设计与制作3个部分。

（2）硬件选择：以经济、适用为本，选择合适的控制器、传感器和执行器。

[参考文献]

[1]刘莉，刘洁，张锦.基于FPGA的微创外科手术机器人运动控制系统的设计[J].电气传动，2019（4）：67-71.

[2]李世文，谢志能.基于FPGA的飞行机器人的研究与方案设计[J].电子技术与软件工程，2019（7）：93.

[3]汪腾.基于STM32的扫地机器人控制系统设计[D].南昌：南昌大学，2019.

[4]龙凯.基于移动机器人路径跟踪的智能控制设计与实践[J].电子技术与软件工程，2019（6）：81.

[5]卢银辉，杨勇.基于机器视觉的输煤现场巡检机器人控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（6）：102-103.

Design of security robot action system for Winter Olympic Games

Ma Liyong1， Li Lianhui1*， Jia Yajing2， Hu Renyu1， Zhou Yang1

（1.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;

2. Zhangjiakou Cigarette Factory Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：This paper designs the action system of the Winter Olympics security robot， through the analysis of the functions and motion flow of each part of the robot， the platform and hardware selection of its action system are carried out. The functions involved need to be completed by the sensing module， the control module and the execution module. According to the main functional actions that the robot needs to implement， it is divided into three parts： motion control， simple scanning platform， and robot shape design and production. The hardware selection is economical and applicable， and the infrared proximity sensor， infrared ranging sensor， grayscale sensor， tilt sensor， etc. are selected， and they have their own functions and need to be used together.

Key words：security robot; motion system; platform; hardware; sensor