1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：徐建萍，陈泽健，文科，等多传感融合测量的移动机器人高效消杀控制机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）；国家自然科学基金面上基金项目（）；国防基础科研计划项目（）作者简介：徐建萍（），女，硕士，工程师，主要研究方向为机器人运动控制、导航运动控制。：.。多传感融合测量的移动机器人高效消杀控制徐建萍，陈泽健，文科，任明妍，张俊辉，李光（北京卫星制造厂有限公司，北京）摘要：疫情形势下，为解决狭窄空间、复杂曲面、无接触、安全自动消杀作业需求，设计一种多传感器融合测量的基于双车拼接的可移动自动消杀机械控制系统。设
2、计可快速拆分组装的双车拼接全向可移动平台车，解决狭窄空间的转运难题，同时采用激光导航传感器构建场景坐标系，精确定位设备位置，使设备运行过程中定位精度达到 以内。设计激光测距传感器、避障传感器、消杀装置多传感器融合测量的扫描消杀装置，并基于 机器人传感器接口 设计修正算法，实现复杂曲面消杀过程中末端姿态在线调整及安全防护。最后，针对消杀过程中现场无人工干预需求，采用远程控制方式，建立远程终端可移动平台控制系统机器人控制系统的控制网络，操作者在远程终端下达杀菌指令，可移动自动消杀机械控制系统根据杀菌范围构建杀菌路径并智能化自主完成杀菌任务。进一步地，搭建立式壁面以及弧顶消杀场景，消杀过程中位置偏差
3、，角度偏差.，控制策略对实际对象拟合精度较高，增大了有效杀菌作用面积。关键词：移动机器人；复杂曲面消杀；远程控制；双车拼接；多传感器融合中图分类号：，（，）：，（），（），.，：；前言移动消杀机器人已成为未来医院感染防控、公共卫生安全防护、恶劣环境无人消杀的重要装备，为传统消杀提供了一种全新的安全可靠工作模式，并随着新冠疫情的全面爆发，其应用领域不断扩展，未来市场发展潜力巨大。面向狭小空间、变曲面、大范围消杀作业需求，单纯依靠人工作业，不仅效率低、劳动强度大，而且存在安全隐患，难以保证消杀进度。移动机器人以其环境适应性强、加工效率高，已经成为解决上述消杀需求的有效途径，并成为一种新的发展趋势。
4、如突尼斯大学研究团队提出的消杀机器人，集成多个传感器实现对温、湿度与运动、位置测量。美国的 消杀机器人，通过使用高度动态机器人配置夹持器和传感系统进行消杀喷头与路径规划。当前机械臂轨路径划主要有两种方法，即逐点示教法和离线编程法。逐点示教法适应于规则、固定的轨迹，否则反复示教以及大量的示教点拟合轨迹导致精度及劳动量无法保证最优，对于复杂路径一般不采用。离线编程法将场景模型加载到专用软件，然后由软件自动优化出最优轨迹，并加载给机械臂，但是需要前期提供较为精确的场景模型，很多场景不仅无法提供，并且复杂场景下精度难以保证。如南加州大学研究团队给出的移动式消杀机器人，通过面积覆盖规划算法来计算喷嘴及机
5、器人的运动轨迹。清华大学研究团队先利用测距传感器进行一遍对象扫描建立轨迹模型，然后拆卸测距传感器，更换为喷涂设备进行作业。克莱姆森大学研究团队通过 轨迹规划研究移动机器人的数字孪生体构建，为人类提供物理帮助以执行装配操作。天津工业大学研究团队通过三维扫描获取飞机蒙皮的三维模型并进行参数化编程，提取轨迹点并调整机器人喷枪姿态生成机器人喷涂路径。哈尔滨工业大学研究团队研制了一种 引导的喷漆机器人复杂曲面轨迹生成方案，并提供相应验证方法进行生成的轨迹评价。上海电机学院研究团队根据传统的 算法在移动消毒机器人路径规划应用基础上，提出一种改进的 算法，以角余弦值作为附加参数，为启发式函数增加附加值，该方
6、法提高了移动消毒机器人的路径规划效率。而目前，面向狭小空间、变曲面、大范围消杀作业，移动机器人全向移动平台复合机械臂在线轨迹规划方法尚未报告。综上所述，无论是基于测量传感器引导的还是预先提供作业对象模型的，均是离线编程。本文作者面向狭小空间、变曲面、大范围智能化消杀作业需求，结合无人工干预、狭窄空间转运、高精度作业等特点，采用多传感器融合测量驱动技术、激光精确定位导航技术、多智能体组合拼接技术、机器人 路径规划技术等多种关键技术，形成测量作业并行的集移动机器人远程控制、智能转运、智能拼接、智能测量消杀于一体的技术方案，并通过壁面墙面及弧顶的扫描杀菌试验，验证了技术与方法的正确性与有效性。移动机
7、器人消杀系统移动机器人消杀系统研制首先面向狭窄空间转运需求，设计模块化硬件结构，包括双车拼接全向可移动平台、机器人系统、多传感器测量消杀模块；面向变曲面消杀需求，采用多传感融合测量反馈，经 实时轨迹修正，驱动移动机器人自适应消杀；面向大范围消杀作业需求，采用全向可移动平台与机械臂协同控制方法，完成不同站位下消杀作业。图 所示为移动机器人消杀系统及应用场景，主要工作流程为：（）拆分移动机器人为模块化结构，进入狭小空间后，再完成组装；（）初步进行离线规划，完成站位设计；（）远程控制移动消杀机器人运动，并根据多传感融合测量反馈，实时调整消杀轨迹，以适应变曲面（平面、弧面）消杀；（）全向移动平台与机械
8、臂复合运动，完成连续大范围消杀。图 移动机器人消杀系统及应用场景.设定机器人臂展长度为，高度为；末端装置长度为，宽度为；消杀设备作用面长度为；消杀对象平面长度为，高度为，每个消杀站位的作用面长度为，每条扫描轨道行程为，扫描轨道数为。消杀对象弧面长度为，最低点高度为，每条扫描轨道行程为（“”表示取商，“”表示取余），如图 所示。图 移动机器人机械臂工作空间.系统模块化设计基于无人工干预、狭窄空间转运、高精度作业等特点，移动机器人消杀系统硬件模块化设计为双车拼接全向可移动平台、机器人系统、多传感器测量末端 个部分，方案模型如图 所示。集成控制系统模块化为远程终端模块、总控 模块、全向可移动平机床与
9、液压第 卷台导航控制模块、机器人控制模块。图 方案三维模型.集成控制系统模块化控制架构如图 所示：（）远程终端主要实现操作者指令参数输入，包括消杀对象尺寸、坐标点位置信息等以及与总控 的通信，实现装置状态信息采集、装置动作指令发布。（）总控 通过网络总线与远程终端连接，主要实现接收远程终端指令，进行分析处理后同步发送给全向可移动平台和机器人系统，最终实现操作者对消杀过程的远程控制。（）全向可移动平台导航控制模块通过获取导航坐标数据、总控 运行指令、手持器指令进行轨迹规划，实现全向可移动平台的直行、横移、原地旋转以及斜移运动，并实时监控并上传自身运行状态。（）机器人控制模块进行机器人轨迹规划，并
10、建立与总控 通信，通过 通信实现远程终端的调用及位姿在线修正。基本流程为：远程终端向总控 发送运行指令，总控 将指令解析发送给全向可移动平台导航控制器以及机器人控制系统；全向可移动平台按照指令轨迹运行至目的地；机器人系统按照指令信息并参考激光测距传感器测距值到指定杀菌作业区，然后进行初始杀菌位置姿态法向调整，满足设备杀菌条件后，启动杀菌程序，直至完成杀菌任务。图 集成控制系统控制架构.单车独立转运、双车拼接设计针对狭小空间转运需求，采用基于麦克纳姆轮的双车拼接模式执行消杀工作，完成消杀后以单车模式独立完成自动转运，达到节省人力、安全高效的目的。双车拼接可拆解成全向可移动平台 与全向可移动平台
11、两个部分，与 均可完成直行、斜行、横移以及零转弯半径回转等动作。拼接机构示意如图 所示，主要组件有导向销、导向槽、销轴、连接轴套等。导向销、导向槽和连接轴套分别安装在拼接的两台车上，拼接机构可保证两车在拼接模式下的机械连接；同时，导向销和导向槽预留一定间隙，可适应拼接模式下遇到爬坡、路况不平情况的角度调整。图 双车拼接后模型.机器人系统机器人控制系统放置于独立的控制柜内，控制柜放置于全向可移动平台上（拼接后），通过线缆控制机器人运动。机器人控制系统为高速实时处理系统，可进行路径编程，提供接口实现外部设备与机器人的信息交互，并生成机器人运动指令实现机器人的运动控制。.多传感器融合测量末端设计为实
12、现高精度定位、高精度杀菌、安全防护等需求，采用 种高精度激光传感器辅助全作业过程：（）全向可移动平台车前、后端各安装一个激光导航传感器，进行消杀位置初次导航定位。（）机器人末端分别放置 个激光测距传感器与 个激光避障传感器。各传感器位置及扫描范围如图 所示。图 机器人末端装置示意.图 分别在末端机构上方、下方、左侧安装 个激光测距传感器，通过获取 个传感器的测距值可第 期徐建萍 等：多传感融合测量的移动机器人高效消杀控制 求得消杀设备与被消杀对象的距离值反馈给总控，由此计算机器人各轴姿态修正量反馈给机器人控制系统，以此实时调整消杀装置位置姿态。此外，为确保消杀过程中消杀装置与消杀对象的安全距离
13、，分别在末端机构上方、下方、左侧及右侧配置 个激光避障传感器，可以覆盖机器人任意方向运动区域，对消杀设备及消杀对象进行保护，避免发生碰撞。.远程控制架构为实现现场无人工干预智能化杀菌作业过程，采用远程控制方式。在远程终端设置一台计算机，操作者从计算机输入指令向总控 发布，实现对可移动自动消杀机械控制系统的运动路径指令输入、机器人杀菌过程路径规划输入并可监控全向可移动平台当前位置及机器人末端当前位置信息等参数。图 所示为远程控制架构，远程终端通过网络总线与放置于全向可移动平台车上的总控 进行互联。总控 通过解析远程终端下发的指令，首先控制全向可移动平台（拼接后）通过激光导航运动至指定位置，然后采
14、集激光测距传感器反馈的数据控制机器人末端位置调整，达到合适消杀位置，当消杀对象出现凸起时，由激光测距传感器进行第一层的安全回退，此时机器人会调整姿态，避开凸起部分；当机器人不能及时避开凸起障碍物，触发激光避障传感器进行第二层保护，确保消杀装置及消杀对象安全。图 远程控制架构.系统控制流程可移动自动消杀机械控制系统在运输至消杀场景后，主要按如图 所示流程完成消杀作业任务：步骤，分别为全向可移动平台 与全向可移动平台 通电，并使用手持器将 与 遥控行驶至初始坐标位置；步骤，对全向可移动平台 与全向可移动平台 进行拼接，安装机器人底板并固定机器人，完成可移动自动消杀机械控制系统的快速组装并启动；步骤
15、，在远程终端上设置可移动自动消杀机械控制系统站位坐标、消杀壁面及弧顶长宽尺寸、消杀装置的工作距离、机器人路径等参数信息；步骤，完成其他各项配置后，点击开始运行指令，可移动自动消杀机械控制系统移动至目标点位置，机器人运动至杀菌起始点位置；步骤，机器人末端通过测距传感器传回的数据调整自身相对于消杀对象的初始法向姿态及距离；步骤，启动消杀设备；步骤，机器人按照选定的路径带动消杀装置进行扫描消杀，在扫描消杀过程中，机器人根据 个测距传感器的测量值在线实时调整位姿及工作距离；步骤，完成当前轨迹扫描杀菌，同时停止消杀设备工作，机器人回到待机姿态；步骤，远程终端或遥控单元发送指令使全向可移动平台移动至下一个
16、工作位置，重复上述步骤 步骤 操作过程。图 消杀工作流程.控制方案设计.全向可移动平台导航控制激光导航单元主要由激光导航传感器以及坐标解算模块组成，通过激光导航传感器采集场景中反光柱的位置坐标，实时反馈给坐标解算模块，坐标解算模块根据计算确定出装置当前位置，以此确定装置下一步运行速度矢量。激光导航传感器分别放置于全向可移动平台（拼接后）的头部与尾部，两传感器分别扫描 范围，作用距离达 ，可完全覆盖消杀空间，实现全向可移动平台自主导航行进，图 所示为全局激光反射柱布局及全向可移动平台激光导航过程，当装置处于场景内时，激光导航传感器接收来自各个反光柱机床与液压第 卷反射回的光束，在已知各个反光柱的精确位置情况下，坐标解算模块会连续计算装置当前位置并对当前位置进行实时修正，达到高精度定位目的。.基于 的扫描消杀.控制架构 提供的 （）是工业机器人和传感器系统之间通信的接口，通过它可以进行外部控制器与机器人的数据通信。数据通信的格式及交互方式通过 上下文进行配置生成，通信周期严格控制在 内，实时性较高。基于 的扫描消杀控制过程是通过外部控制器与机器人通过 协议建立通信，并解算获得机器人当前工作
