吴 璟 唐 晨 吴宇峰 谷翔宇 赵 伟 贾晓旭

近年来，伴随着我国进出口贸易量的增长，大宗资源类、粮食类商品的进出口检验需求也不断增加。海关作为口岸执法部门，每年需投入大量的人力物力对进出口商品进行现场取样工作。目前，对于大豆、粮食、铜矿、铅矿、锌矿、铁矿、煤矿、化肥、硫磺等产品的取样方式主要有人工取样和皮带机自动取样，其中，皮带机取样受投入成本、专用性、准确性和场地等因素的影响，应用范围有限，因此人工取样仍是目前主要采用的取样方式。在人工取样过程中，取样人员经常面临着滑坡、放射性、毒性等危险，并需要进行大量重复性的低效率劳动，在大型堆场或船舱等场景下更是无法实现全域无死角的取样作业，因此，人工取样的作业模式无论在安全性、合规性还是效率方面都已经无法跟上时代的步伐。在疫情肆虐的大背景下，各地都推出了一些无接触检验的工作模式，但绝大多数大宗固体散货的取样工作受取样设备的限制而无法实现无接触自动化作业，这给码头一线的检验人员带来很大困扰。

无人机因其具有重量轻、尺寸小、费用低、反应快等多项优势已在军用和民用等众多领域得到广泛应用。近年来，随着安全性和可操作性的不断改进，无人机的行业应用也在不断扩展。但是由于其自身特点，如载重性能、续航性能和操控性能的限制，在日常民用领域其应用主要集中在摄像、监控、测绘等无接触作业模式。个别公司研发出了无人机气体、液体、固体等取样设备都是与待取物有轻微接触，而在需要与物料进行直接接触的固体物料取样领域依然是无人机开发利用的薄弱之处。

本设备选择多旋翼无人机平台，利用软连接技术将一套机械爪与无人机相结合，在无人机平台基础上开展机载飞行控制，设计研发了一套全自动远程遥控取样装备，根据操作规程和标准要求对固体散装物料进行远程遥控取样，从而实现了固体散货的全自动无接触取样作业模式，开拓了无人机新的应用领域。

1 自动取样装置设计

1.1 结构设计

本套设备选择了一种适宜的多旋翼无人机平台，开创性地使用了一种软连接的方式将机械爪与无人机连接起来，通过无人机的电源和飞控系统实现放下和回收机械爪的功能，而机械爪本身另外配备一套电源、舵机和接收机，通过远程无线遥控来实现抓取和放开动作。设备结构如图1所示。

取样时，由无人机飞到待取物料上空，在悬停状态下放下机械爪，然后下放到接近物料时打开机械爪，稳定后继续下放至待取物料表面定位，定位好后抓取有效样品，合拢并向上收回机械爪后返回到收集装置上空，悬停状态下放下机械爪，接近收集装置上方位置打开机械爪释放样品，收回机械爪进行下一次取样动作。

图1 设备结构图

Fig.1 Structure of device

1.2 无人机选型

考虑到使用环境一般为码头、矿山等空旷地区，操作方式为近距离、低空、垂直起降、悬停状态下作业，需要的无人机载重量约为5 kg，其中机械爪及其连接装置自重约2 kg，抓取样品量约为0.5 kg，因此本设备选择了六旋翼作为最终定型的无人机结构，无人机最终性能设计参数见表1。

表1 无人机性能参数

Table 1 Parameters of UAV

1.3 机械爪的设计

本设备的机械爪必须避免较大的质量和复杂的结构，还要减少机械爪自身惯性摆动对无人机的影响。机械爪控制电路应简单可靠，在不影响功能的情况下尽量减少驱动电机的数量，做到低功耗、高效率，为无人机的续航创造条件。最重要的是，机械爪必须能够对常见的大宗散货，如大豆、大米、煤矿、铜精矿、铅精矿、铁矿等立方体、球体及不规则形状颗粒状或粉末状物体进行抓取，设计最大抓取重量为500 g，抓取物体最大粒径100 mm左右。本设备选取了贝式、双瓣、平底、锯齿口型的抓斗结构，配备一个大扭力的驱动电机，并单独配备锂电池作为驱动电源。

考虑到无人机悬停在空中无法对机械爪提供支撑作用，取样操作时可能发生在坡面着陆时滑落以及在取样时被物料顶起两种情况，使机械爪脱离货物表面，出现空抓现象。为了解决两个难题，在机械爪的设计中引入了一根定位刺，即在机械爪中间顶部位置伸出一根带箭头的金属棒。当机械爪在张开状态下于坡面着陆时，定位刺可以深入货物中，并于爪子两瓣形成三角形凸起，从而避免机械爪在坡面上滑动，起到定位作用。在机械爪两瓣合拢过程中，由于定位刺的深入，可以防止机械爪被货物顶起，确保能够抓取足量的样品。

机械爪本身单独配备一套电源、舵机和接收机单元，通过远程遥控方式实现抓取和放开动作。综合以上因素，最终设计出如图2所示机械爪，具体参数见表2。

图2 机械爪设计效果图

Fig.2 Design sketch of the mechanical claw

表2 机械爪参数表

Table 2 Parameters of the mechanical claw

1.4 机械爪与无人机的连接设计

目前无人机挂载设备大多采用硬连接固定或可伸缩机械臂连接，但这两种方式都无法解决抓取大质量固体物质时无人机的飞行安全问题，本设备开创性地使用了一种软连接方式将机械爪和无人机连接起来，即在无人机底部安装一个盘线装置，线缆一端固定在盘线装置转轴上，另一端连接机械爪。盘线装置由无人机电源提供动力，并通过无人机的飞控接收遥控信号，驱动电机转动带动盘线收放，从而实现机械爪的放下和回收功能，连接部件参数见表3。

表3 连接部件参数

Table 3 Parameters of the connector

该连接方式的优点在于：通过软连接，可以避免无人机与所抓取物质的直接接触，也就是在保证飞行安全的前提下可以抓取散装固体物，这恰恰是目前市场上无人机产品无法做到的；通过盘线装置在飞行过程中收回机械爪，可大大降低飞行过程中机械爪摆动对无人机姿态的扰动，有利于飞行操控；通过盘线装置在取样过程中放下机械爪，可以使无人机在远离被取物的上空悬停，在大角度坡面区域取样时避免桨叶与待取物坡面的碰撞，在保证安全的前提下扩大了取样作业范围；通过盘线装置在回收样品过程中放下机械爪，可直接对准样品收集桶，既安全又准确；可重复收放机械爪，实现了取样的重复连续操作，大大提高了取样效率，降低了劳动强度。

2 测试结果与讨论

为验证这套远程自动取样设备的实际使用效果，根据物料的物理性质、场地情况、取样位置、设备的配置、取样次数、取样消耗的时间等不同因素，统筹设计了现场试验方案对这套设备的各项性能及适应性进行测试。

2.1 取样位置和机械爪方向的影响

对各种人工无法达到的极限位置的取样是对本设备能力考察的重点。现场试验时，针对大豆等物料分别在顶部平面，腰部30°角坡面和40°角坡面对设备取样效果进行了测试。另外，还特别针对机械爪张开后与坡面构成的方向进行了比对，分为与坡面方向一致的纵向和与坡面方向垂直的横向进行试验，数据分析结果见表4、图3。

从表4中可以看出在顶部平面取样效果最好，单次取样量最大，而在坡面上角度越大，取样效果越差，但基本都能达到400 g以上的取样量，且变异系数小于20%。机械爪横向取样时的效果明显差于纵向，主要是因为横向状态下机械爪合拢时会出现部分滑落或翻转，而纵向状态下机械爪合拢时正好可以兜住物料，所以纵向取样量大于横向。对于其他物料来说，不同部位的取样效果与大豆基本一致，都呈现出顶部平面明显好于腰部坡面的情况。

2.2 定位刺对取样效果的影响

定位刺对取样效果有显著提升，在有无定位刺的情况下对铁矿的取样统计对比结果见表5、图4。

表5 定位刺对铁矿取样效果的影响对比数据表

Table 5 Comparative data of sampling for iron ore with and without the anchor

由表5可以看出，在有刺的情况下，无论平面还是坡面的取样量都明显增加，变异性明显下降，总体平均取样量增加60%，变异性下降40%。

2.3 物料形状对取样效果的影响

不同物料形状取样效果差异显著，在大体相同的天气和场地条件下对不同物料进行了取样效果的测试，数据分析结果见表6、图5。

表6 不同品种间取样效果对比统计表

Table 6 Comparative data of sampling different categories of cargo

由图5可以看出，随着物料颗粒变大、物料水分含量升高、物料密实程度增大，取样效果不断下降。具体而言，大豆和玉米都属于松散的颗粒物，取样效果最好。对于矿类物料来说，铜精矿呈均匀、较干燥的粉末状，因此取样效果很好，且因其自身密度大，所以单次取样量很高。而铁矿和煤由于含水量大，物料相对密实程度很高，因此取样效果不佳，单次取样量明显减少，坡面滑落和空抓现象明显增加。

2.4 与人工取样效率比对

取样效率能否高于人工作业也是考察的重点，对铜精矿进行批量取样所消耗的时间见表7。

表7 铜精矿取样时间统计表

Table 7 Statistical table of sampling time of copper concentrate

由表7可以看出，在顶部平面由于定位比较简单快速，所以单次取样时间较短，平均消耗40.8 s，而这是人工取样根本无法达到的部位。在坡面处取样时需无人机悬停后，在非常稳定的状态下才能下降高度，待定位刺插入物料锚定好以后才能实施抓握操作，所以单次取样时间较长，平均消耗58.5 s。考虑到无人机单电池的续航时间为20～30 min，因此每取20个点需更换一次无人机电池。机械爪经测试后，一块电池可抓握50～100次，因此在一般状态下可完成一整套取样任务再更换电池。总体来说，对于一个完整的堆场进行取样时，人工所能达到的位置仅占10%～20%，其他位置均需要借助无人机才能实现取样操作，且无人机的取样效率明显优于人工操作。

3 结语

以上一系列测试结果表明，本套设备可以实现对干燥、松散的小颗粒或粉末物料的无接触取样，且取样量和变异性都能满足相关标准要求，无论在取样范围还是综合效率上与人工取样相比都有着不可比拟的优势。但对于煤矿和铁矿这样含水量较高、物料密实度较高的样品取样效果不够理想。该设备存在的不足之处有：受盘线电机转速影响，机械爪下降速度较慢，使得机械爪锚定在物料表面较浅，影响了取样效果；机械爪收回的速度慢也影响了反复操作的效率。此外，该套设备的功能还有待进一步拓展，除了取样以外，还可以在检疫、鉴定等领域开发出更多其他功能，这将给海关口岸自动化、智能化建设带来更多帮助。

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基金项目：南京海关科研项目（2020KJ35）

第一作者：吴璟（1975—），男，汉族，江苏南京人，硕士，高级工程师，主要从事进出口商品检验工作，E-mail: jimwright@126.com

1. 南京海关工业产品检测中心 南京 210001

2. 南京市金陵中学 南京 210029

1. Nanjing Customs Industrial Products Testing Center, Nanjing 210001

2. Nanjing Jinling High School, Nanjing 210029