移动机器人控制台控制方案

孙凌飞

摘要：各类灾害总是会对人们造成极大伤害，由于灾害现场环境复杂，风险因素多，再加上次生灾害量大面广，对人类生命安全造成了很大威胁。消防救援过程中可能出现地震，火灾和核泄漏险情，故建议现场施救前，使用消防移动机器人进行紧急救援。随着科技发展和人们生活水平的提高，消防移动机器人已成为研究热点之一。在本文中，对多个消防救援场景进行了深入分析，并提出了对移动机器人功能的具体要求，在此基础上综合运用人因工程学和其他相关学科的知识搭建操作台。

关键词：移动机器人；控制台；控制方案

1、移动机器人功能与可操作性分析

运动模块：当危险出现后，常常会出现极其复杂的地形，地势，当遇到复杂地形时就会要求有不同形式的作业，模块旨在应用尽可能容易和简便的作业来处理复杂地形问题。必要时可替换各种前进方式，例如履带，支架和多轮胎。机械臂操作模块：该实用新型采用预设式编程与流水线式作业相结合的模式来实现机械臂的高速作业以及加工动作与工序的准确反复固定，从而广泛应用在工业制造领域。通过使用视觉相机拍摄周围人、物的动态信息，智能化人机交互机制实现了操作员手动操作的智能化。可更换、可操作的机械臂。该装置具有较好的通用性，能在一定范围内对各种工作场景下的人和物体提供良好的服务，从而提高了工作效率和产品精度。一种实时交互运动系统，涉及机械臂应用及人机交互技术，尤其是一种通过机器视觉技术来获取环境动态和人体运动因素以控制机械臂机械运动的系统。

检测模块：利用科学观察、检测和系统分析手段，进入受灾现场，建立现场3D立体模型，以探究受灾情况并分析其对应物质含量是否符合救援人员进场标准、判断救援人员能否安全执行救援任务、提出救援人员所需防护措施、减少救援人员救援风险、提高救援效率。

GPS定位模块：确定移动机器人的位置，更加便于幸存者定位，缩短救援时间，便于救援计划中人员的安排，降低人力资源浪费。便于对遭遇突发状况时移动机器人进行回收。

2、事故救援方案的分析与设计

2.1对功能的要求

力求省力迅速，精确地实现移动机器人的移动操作；控制破拆力度和实施较精确的灭火行为对不同火灾类型具有相应的处置方法；能够通过移动机器人与现场的相关工作人员顺畅交流。

2.2全面地人机界面整体规划

人机界面整体上展示了现场反馈单元，运行模块指令单元和机动切换移动单元3个主单元，再加上第二运行平台和运行把手。

2.3布局的特定设计

显示现场反馈单元的设计：视觉信息由显示屏传递，双屏双视的方式，两人同时处理和提供现场的情况信息反馈，摇杆上下运动，旋转摄像头得到周边的现场情况，必要时由计算机控制利用热成像功能处理现场的热成像；声音信息是移动机器人从现场接收声音信号并将其转换成电磁波，然后操作台将其接收并转换成声音信号经耳机传入人耳中，再经过操作人员的处理和反馈。

机动切换移动单元：根据视觉信息和周围的环境相结合来判断是否适合行进，利用摇杆来控制移动机器人的行进方向。

操作模块命令单元：通过USB接口把各个模块和移动机器人相连，操作台开始对某个已经相连的模块进行操作，移动机器人将现场采集的数据传输至操作台，操作台对信息进行处理后得到改变后的图标呈现于屏幕并直接输出至操作者；机械手通过摇杆运行。

3、工作台的设计方案及有关的参数

3.1人机界面设计

涵盖了显示器、控制器、信号传输以及显示器与控制器的协同设计。在操作者的操纵下，一切控制器都必须严格设计，直到按照预定的目标保质保量地运行为止，它的设计原则主要有四条，即：作用越大的部位就越优先；使用频率越高，使用效果越明显；根据功能接近或关联装配在相对的位置上；按用途先后排列地点。

在操作台与移动机器人间采用无线传输方式，多利用COFMD技术实现无线微波信号的传输，本实用新型既能够提高传输效率，又能够在远距离传输的范围内确保平稳传输效果。

3.2控制台控制方案设计

键盘尺寸46cm×16cm×3cm，是标准办公尺寸；整体布局简洁大方，符合人机工程学原则。根据人类手臂的长度来设计60cm的宽度和两个人的操作来设计200cm的长度，综上所述，桌面大小为200cm×60cm；显示器与主机连接。在操纵杆上，两个显示屏设计为一体化机箱，通过鼠标与键盘操作，而一些模块系统则通过软件方式安装在电脑上，并在必要时启用相关程序；一般而言，男性前臂的平均长度为25.3cm，因此在操作台下沿距离25cm处，移动摇杆与机械手摇杆之间的最大设计间距为肩宽46cm，距操作员中心23cm；显示器可以随操作人员需要而变化，以可调节的视觉角度放置，以满足相应的调整需求；显示屏为矩形，且其边缘部分有一凹槽作为显示窗口，以便于观察指针偏转情况。为为了满足人们在水平方向上快速移动视线且不会产生疲劳感的需求，该仪表的外观采用了横向长方形的设计方案。

3.3救灾环境的分析与设计

从功能需求，显示，控制方式设计，布置方面进行了具体的设计流程。针对某一具体模块的解析，检测模块会对现场化学成分进行解析，利用计算机技术来分析现场相应化学成分，结合各部位浓度的变化来评价现场化学成分浓度分布及通风换气状态是否符合救援人员所处的工作环境，以此为依据来评估给救援人员造成的危害大小，从而制定出相关防护措施。通过对人体产生热量辐射情况、呼吸情况、脉搏大小情况进行综合分析，对检测模块内幸存人员进行分析检测，提供一套迅速、高效救援方案。

在运动模块中，提出了移动机器人平台硬件设计应遵循的三个基本准则：模块化设计；每个模块的功能都有独立工作的特点；每个模块由主控单元实现其系统的功能。由于水平式仪表与垂直式仪表误读率分别只有28%与35%。因此仪表是在左上角设计的，以满足其视觉特性；右下方为左操作员和右操作员。移动机器人的操作和场景观测，以及与相应仪表的配合，都是由左侧操作员负责的信息反馈任务；右侧操作员负责完成机械手的定位和抓取工作。在与现场工作人员进行交流的同时，右操作员肩负起机械臂的作业任务。

4、救灾移动机器人远程操作控制台系统的实现

4.1人机功能的交互实现

移动机器人的作用：对各种地形行进模式做出反应；运用专业的测量仪器、摄像头以及音频接收设备，对周围环境进行精准的瞄准和检测；它能有效地防止误读数据。现场操作已由机械臂完成；利用红外热像仪实现火灾早期探测，通过视频监控系统将火情信息及时传递给指挥员。

操作台的作用：摇杆操纵移动机器人的行进，并由电脑执行开关操作；接收场景中的有关信号并梳理和计算以表明有关情况；现场作业由摇杆操纵机械臂运动；通过电脑控制灭火模块以达到精准灭火的目的。

4.2人机互动功能

通过探测移动机器人各探知模块的现场细节，并将相关信号以电信号的形式传递给救灾移动机器人远程操作平台，然后再筛选出不相关的信号，最终通过仪表，声音和显示屏向操作人员传递现场信息。操作员用鼠标操作，同时键盘，语音以及操作摇杆通过电信号的传递来实现对移动机器人的原位操纵，并运行对应模块完成现场作业处理任务。

4.3安全防护装置的设计

安全防护常用的安全措施有防护装置，安全装置。

防护装置方面，使用壳罩，屏罩，门罩，罩和栅栏。本实用新型通过对操作台的整体加装防护罩，避免了现场作业过程中突然发生意外的状况。并且安装了相关安全控制装置，以保持人身安全。

5、结束语

随着物联网的快速兴起和广泛应用，人们开始对其进行深入的研究与应用。在5G及其他相关技术快速发展的今天，远程操作台和移动机器人间信号交流传播已变为现实，不仅使操作员作业具有时效性，同时也极大地提高了其准确率。伴随着技术的进步将来会出现更加丰富和智能化的设计，为事故现场的救援工作提供更加优质的服务。

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