王艺凯 王有福 王准 杜智欣 李兰 赵晓娟 宋悦谦 常亮

摘 要 为适应新形势下海关监管工作的需求，本研究研发了一款能够辅助海关关员进行登临检疫工作的远程登临一体化检疫查验机器人。该机器人配备3D环视、远程控制、实时记录、红外测温、5G通信以及遥控识别等先进技术，可快速准确地检测并识别潜在风险。此项研究可减少现场登临关员的人数，优化人力资源配置，降低在高风险环境中人员作业导致的感染风险，极大地增强了登临检疫查验工作的安全性。

关键词 机器人；远程监控；海关监管；登临检疫

Application of Integrated Remote-Operated Boarding and Quarantine Service Robots in Customs Control

WANG Yi-Kai¹ WANG You-Fu² WANG Zhun³ DU Zhi-Xin⁴

LI Lan⁵ ZHAO Xiao-Juan¹ SONG Yue-Qian^6* CHANG Liang^1*

Abstract To meet the evolving needs of customs control, this study has developed an integrated remote-operated boarding and quarantine service robot designed to assist customs officers in conducting quarantine inspections. Equipped with advanced technologies such as 3D panoramic view, remote control, real-time recording, infrared thermometry, 5G communication, and remote identification, the robot can rapidly and accurately detect and identify potential risks. This innovation reduces the number of on-site quarantine officers required, optimizes human resource allocation, and minimizes the risk of infection associated with manual operations in high-risk environments, thereby significantly enhancing the safety and efficiency of boarding quarantine inspections.

Keywords robots; remote monitoring; customs control; quarantine by boarding

基金项目：海关总署科研项目（2022HK143，2022HK146）

第一作者：王艺凯（1982—），男，汉族，北京人，硕士，高级工程师，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: wang yikai_2001@163.com

通信作者：宋悦谦（1972—），男，回族，北京人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: songyueq@263.net

共同通信作者：常亮（1971—），男，汉族，黑龙江双鸭山人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: 511486281@qq.com

1. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

2. 大连海关技术中心 大连 116001

3. 长春海关技术中心 长春 130062

4. 南宁海关技术中心 南宁 530000

5. 阿拉山口海关技术中心 阿拉山口 833418

6. 石家庄海关 石家庄 050051

1. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

2. Dalian Customs Technical Center, Dalian 116001

3. Changchun Customs Technical Center, Changchun 130062

4. Nanning Customs Technical Center, Nanning 530000

5. Alashankou Customs Technical Center, Alashankou 833418

6. Shijiazhuang Customs, Shijiazhuang 050051

中国口岸科学技术

航空口岸进出境人员流动性高、聚集性强，货物价值高、时效性强，进出境航班在港时间短、中转效率高，在口岸公共卫生、货物安全、航班通关效率等方面给海关登临检疫和监管效能提出较高要求。海关登临检疫查验是指海关依法对进出境航空器以及所载人员、货物、物品等实施的检查、监督等执法行为，具有多方面的必要性^[1]，能够维护国家安全，减少违法犯罪的发生，有效阻止枪支、弹药等危险物品对国家安全构成威胁^[2]；同时可以通过对乘客进行健康检查，防止传染病通过航空运输在国内外传播，维护公众健康和公共卫生安全^[3]。此外，还能够打击走私行为、监管贸易活动，确保进出口货物符合国家的贸易政策和法规，防止虚假申报、偷逃关税等行为，保护国家的经济利益和国内市场的正常秩序，维护公平的贸易环境^[4]。

1 传统远程智能登临检疫查验

随着全球贸易的持续增长与航空旅行的日益频繁，海关登临检疫查验作为确保国家安全与贸易合规的关键环节，工作量持续增加，面临着效率提升与人力优化的双重挑战^[5-6]。传统的海关查验主要依赖两名执法人员登临执行，这一模式在应对复杂多变的环境时，不仅耗时费力，且在深入狭窄或高风险区域时存在诸多不便^[7]。鉴于此，开发一套远程登临一体化检疫查验机器人显得尤为重要。本研究旨在通过集成先进技术与智能算法，实现“一人现场操作+一人远程监控”的协同作业新模式，既保证了海关监管的合规性，又能提升监管效能和降低人员风险，还可以发挥机器人操作的精准性和标准化^[6-8]。该系统能适应航空器上人员检疫、卫生监督、动植物检疫、检疫处理监督、货物检查监管等航空器监管全流程、多场景。本研究不仅是对现有海关查验流程的一次重大突破，更是构建高效、安全、智能海关监管体系的重要一步，更有利于推动全球贸易便利化与加强安全保障。

2 远程登临一体化检疫的定义和系统设计

远程登临一体化查验机器人^[9]，该设备包含小型多功能底盘、机械臂升降检查载荷、操控箱控制器等。其中，小型多功能底盘和机械臂升降检查载荷装配组成了机器人本体，底盘为履带式带辅助臂底盘，机械臂升降检查载荷固定在底盘上。整机配备行进云台摄像头，辅助机器人行进和观察，图1所示的是机器人本体。

图1 机器人结构图

Fig.1 Structural diagram of the robot

图2所示的是操控箱控制器，图中上半部分（箱盖部分）的显示屏高清显示摄像头拍摄的视频内容，下半部分是控制机器人的操控面板。

通过操控箱控制器可实现远程遥控机器人上下楼梯、高处行李架视觉观察、低处脚下视觉观察及环视查看等功能。

图2 操控箱控制器

Fig.2 Control box controller

3 远程登临一体化检疫查验机器人关键技术实现

3.1 行进动力计算

机器人行进机构采用履带结构，履带位于移动平台的两侧，每侧履带各由一个电机驱动，通过电机不同方向的转动，实现平台的前进、后退、左右转向。其结构如图3所示。

图3 移动平台结构示意图（除去机械臂和支臂）

Fig.3 Schematic diagram of the mobile platform (excluding robotic arms and support arms)

根据要求可知，选定最大行驶速度不小于1.5 m/s，初选履带主动轮直径为180 mm，转换到履带主动轮上的速度为2.65转每秒，即159 rpm。机器人自重m控制在41.5 kg以内。整个机器人的行进驱动，在使用过程中底面与机器人底盘的摩擦系数μ = 0.2。机器人在匀速前进过程中，加速度a为0，达到最大速度所需要的功率的计算见公式（1）：

(1)

为重力加速度，取9.8 m/s²。传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为152.5 W。

爬坡要求不低于35°，没有提出爬坡时的速度要求，则选用较低的速度为0.5 m/s，爬坡时所需要的功率的计算见公式（2）：

(2)

传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为187.5 W。在使用过程中需要考虑行进过程中的风阻、电损耗等能量损失、加速度功率以及尽可能的超越指标的设计理念，所以初选额定功率为200 W的直流电机（工作温度-40～75℃），其参数见表1。

表1 行进电机参数

Table 1 Parameters of the traveling motor

当机器人在水平地面移动时，电机前进的牵引力减去地面对底盘提供的摩擦力等于机器人自重m与加速度a的乘积，计算见公式（3）：

(3)

当机器人在水平地面匀速移动时，地面对底盘提供的摩擦力等于电机前进的牵引力，计算见公式（4）：

(4)

主动轮半径r = 0.09 m，则主动轮所需扭矩为= 81.34×0.09 = 7.32 N·m。

由表1的电机参数可知，电机的额定转速为5970 rpm，履带主动轮所需转速为159 rpm，则总的减速比最大为。

当机器人在爬坡时，电机前进的牵引力大于斜坡对底盘的摩擦力，与机器人在平行于斜坡方向的分力的和计算见公式（5）：

(5)

由公式（5）计算得牵引力：

(6)

则主动轮所需扭矩为：

= 300×0.09 = 27 N·m (7)

由表1电机参数可知，电机的额定转矩为640 mNm，底盘前进为双电机驱动，共可输出转矩1280 mNm，即1.28 N·m，而根据上式（7），爬坡所需扭矩为27 N·m，则总的减速比最小为，依据以上扭矩的计算方式，得出在额定工作状态下，减速比为21才能满足扭矩要求。综上所述，实际减速比大于最大扭矩减速比，小于最大速度减速比，即21＜i＜38。而机器人实际工作环境会更加复杂，对于扭矩的需求远大于速度的需求，在满足速度的基本需求的情况下，保证机器人拥有足够的动力，确定减速比接近38。根据机器人结构设计和减速器的组合比较，确定减速器为2级减速器，减速比i = 21，在侧立板内设计减速比为1.75的齿轮组，用于非同轴传力。因此，最终减速比为i = 21×1.75 = 36.75。以此反算电机是否满足使用要求。传动系统效率为80%，对应的实际转矩为。根据表1的电机参数可知，电机的扭矩常数为68 mNm/A，额定电流9.36 A，额定扭矩为640 mNm。则电机达到460 mNm时所需要的电流。电机动力储备丰富，可以应对更复杂的环境。

机器人电机额定转速5970 rpm，减速比i = 36.75，主动轮直径d = 180 mm，所以，机器人的最大理论速度按公式（8）计算所得：

v = 3.14 d/i == 1.53 m/s

(8)

因路况等不同，机器人电机实际带载情况下额定转速略有降低，最终实测机器人的最大速度为1.52 m/s。

3.2 爬坡爬楼设计

机器人重心位置靠前，同时依靠支臂的前伸和收拢以及机械臂的不同姿态，可调节机器人重心，实现大角度爬坡、爬楼梯、越壕等。

机器人行进电机动力储备丰富，通过计算可得出机器人爬坡能力。已知参数：电机输出额定扭矩为640 mNm；减速比i = 36.75；主动轮半径r = 0.09 m；行进电机数量为2；根据上述参数可得电机可提供的驱动力：

= 2×0.64×36.75/0.09 = 522 N (9)

根据公式（9）可计算在522 N的驱动力下，机器人可爬坡的角度，计算如公式（10）：

= 41.5×9.8×() (10)

可得到爬坡角x = 50°，电机动力充足，需要考虑机器人是否会倾翻。对机器人进行受力分析，确定机器人爬坡、爬楼梯角度。爬坡角度工况如图4所示。借助三维工程软件，计算出的重心在外廓线之内，不满足倾翻条件，所以机器人可以爬50°坡和楼梯。实际操作过程中因为不同路面和履带接触面积不同，摩擦系数有变化，机器人实际可爬坡40°，爬楼梯35°。

图4 机器人爬楼测试

Fig.4 Stair climbing test of the robot

3.3 机械臂升降装置计算及电机选型

机械臂升降装置固定在机械臂管上，采用电机、减速器配蜗轮蜗杆减速器的驱动方案。减速器连接转盘，拉紧钢丝绳控制装置升降。升降装置7.86 kg，驱动转盘直径20 mm，旋转轴到施力点的距离s为0.1 m，驱动升降装置的扭矩为。选用电机（工作温度-20～75℃）参数见表2。

表2 3570电机性能参数表

Table 2 Performance parameters of motor 3570

选用量能减速器p32h-66，减速比为66，传动结构选用高比例双曲线齿轮减速比为10，总减速比为660。传动过程的总效率为60%，则大臂关节驱动电机作用在关节臂上的转矩。，选用电机能够达到使用要求。

基于上述关键技术的攻关与验证，本研究团队成功研制出兼具高速运行与高负载能力的远程登临一体化检疫查验机器人。该设备通过履带式底盘设计与多自由度机械臂协同控制，实现了对复杂非结构化地形（如楼梯、斜坡及狭小空间）的卓越适应能力，可精准完成航空器舱内检疫、货物查验及环境监测等全流程任务，为口岸智能监管提供了高效可靠的解决方案。

4 结语

综上所述，远程登临一体化检疫查验机器人的研发与应用，标志着海关登临检疫工作向高效化、智能化迈出了重要一步。通过集成先进技术与智能算法，该系统不仅显著提升了登临检疫查验效率^[10-13]，降低了人力成本，还极大增强了作业安全性，减少了高风险区域的直接人员暴露。参照GJB 7688—2012《装备技术成熟度等级划分及定义》，其技术成熟度达到5级，充分验证了其在复杂环境下的稳定性和实用性，为构建更加高效、安全、智能的海关监管体系奠定了坚实基础。目前，该款机器人已在北京首都国际机场开展试用，未来将推广至其他国境口岸以及更多领域和场景中应用，为检疫查检工作带来更大的便利和显著效益。

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