一种智慧协警机器人的概念设计

徐苏林，张春亮，胡颢栋

（宁波职业技术学院机电工程学院（中德智能制造学院），浙江宁波，315800）

0 引言

世界范围内，中国警察占人口比重相对较低，其中三分之一以上是没有武装的交通警和户籍警。据报道[1]，截至2021 年末，中国的汽车保有量已经达到2.92 亿辆，如此庞大的汽车数量势必会给交警执勤工作增加负担。近年来，中国交通事故发生率正逐年上升，相关数据显示[2]，中国交通事故死亡人数占世界的16%，连续十余年居世界第一，数以万计的家庭因为交通事故而支离破碎。另有数据统计[3]，从1994 年到2014 年,全国因酒后驾车而导致的死亡人数平均每年以7.3%的速度增长，全国公安交管部门共查处酒驾醉驾127.4 万起[4]。由此产生的社会矛盾也日益尖锐，人们对交通安全的关注度逐年递增。

1 研究意义

从国家和社会的角度来看，因醉酒驾驶构成危险驾驶罪的罪犯多数被判处拘役实刑，同时在常见的酒驾检测过程中，若酒精检测装置未及时清洗到位，则可能造成被测人员交叉感染，增加社会治理难度。从减少犯罪发生率推动社会治理创新的角度来看，一味对醉酒驾车进行事后查处、定罪处罚，并不是解决问题的最好办法。因此，从技术手段角度着手思考，可能有助于破解难题。

通过查询国内外相关文献资料，结果发现国内外相关文献资料中未有关于功能较为全面的测酒驾机器人的研究，而且近多年来并没有成熟的相关辅助交警作业的机器人出现。本行业现有相关技术大体上分为三类：(1)基于汽车的内置设备而研发的专用测酒驾装置[5]；(2)从理论角度研发的测酒驾系统[6]；(3)设备体积较大的机械平台式测酒驾式拖车[7]。以上所呈现的测酒驾技术都存在一定的缺陷，而对于测酒驾的工作而言，上述辅助手段并没有很好地将测酒驾机器的功能展现，所以设计一款智慧协警机器人是有必要的。

2 设计方案

针对上述背景中出现的交通事故频发、群众关注度高、道路事务繁忙、设备缺乏智能化等问题，项目给出了相应的解决方案及适用场景，主要采用以机器人协助警察完成日常工作为主，独立作业为辅的工作理念。

2.1 交通道路执法应用

机器人可应用于交通道路执法，其具有测酒驾的功能，同时兼备对周边突发事故预处理的能力，可将事故造成的损失最小化。在测酒驾工作场景下，机器人先移动至设定的工作区域，接着右机械手臂展开LED 面板，同时滚动播放警示字幕，左机械手臂内的测酒驾装置也随即启动。当有车辆即将进入被检测区域时，机器人会通过头部的测速装置提前对车辆测速，若车辆速度过高或出现闯卡动机时，出于人道主义且为了避免机器人被损坏，机器人驱动避险并记录逃逸车辆的信息，将捕获的车辆信息同步提供给附近的交警处理。若车辆减速，机器人通过机身前置语音交互装置引导驾驶人员配合检测，检测结果正常则机器人解除警报并将车辆放行，若检测结果为酒驾，则机器人提示驾驶人员停靠至安全区域等待处理，同时将车辆信息同步提供给附近交警处理，此时机器人左臂的清洁装置对酒驾测量仪进行消毒，其目的在于被测人员避免交叉感染。

2.2 人群密集区域巡检工作

机器人依据规划路线实现区域巡检，日常巡检主要包括以下两项工作内容：（1）巡航过程中对密集区域的人员进行温度测量，（2）巡航过程中对有需要的人员提供相应的帮助。同时，机器人可为市民提供口罩分发、地图指引、人事举报等功能，上述功能都位于机身后方的曲面触控屏上，群众可根据自身需求进行选择。

3 产品结构

智慧协警机器人是集机电一体化的智能化产品，其共包含了五个模块，分别为：警示模块、检测模块、通讯模块、避险模块、服务模块。机器人如图2 所示。

图1 智慧协警机器人工作流程

图2 智慧机器人产品示意图

3.1 警示模块

测温与测速识别摄像头安装于机器人头部，其具有双目跟随测距的功能，由太阳能板和电池持续提供电能，实现机器人全天候无死角自适应工作。在自主巡航场景下，头部测温装置可检测周围人员的体温；在事故路段警示场景下，机器人右臂LED 警示面板可通过两个相互作用的齿轮齿条机构实现电子显示屏的的伸缩，在工作状态下扩宽屏幕，提醒周围人员；非工作状态下收缩屏幕，减少空间占用。

3.2 检测模块

在工作状态下，机器人依靠机身内部齿轮机构将装有测酒驾装置的机械臂向前摆动，安装于机器人脑部的芯片与识别装置同步启动，将测得数据提供至警用云端平台。具体过程如下：机器人左臂通过齿轮机构向前摆至45°，测酒驾设备依次由吹嘴、测试仪、柔性弹簧和底座共同构成，其位于机器人左臂内侧，通过直线电动机的直线运动可将它顶出，从而实现伸缩的效果，结构如图3 所示，被测人员可以利用弹簧柔性的特点调整测试头位置。检测完毕后，位于吹嘴上方的喷嘴喷洒易挥发型消毒液，对检测仪器和测试嘴进行消毒，在消毒结束后，机械臂上端两侧的磁铁吸附实现闭合，手臂通过齿轮机构实现复位。

图3 测酒驾装置

3.3 通讯模块

城市化数据系统采用5G 即时通讯和北斗定位导航系统实现定位和数据共享。机器人在检测到酒驾人员后，将违法信息登记在身份验证系统中，并将信息提供给附近巡查的交警处理；当机器人在密集区域巡逻检查时，它会锁定温度异常人员，并上传信息。同时，机器人数量分布与调配依据大数据分析后台，实现城市交通数据管理与资源共享，充分体现了城市数字化管理的理念。

3.4 避险模块

避险模块安装于机器人的底部，适用于司机违法闯卡时机器人的自身防护。当认定司机具有闯卡动机且时速超标时，测速器将信息传递至底部，通过安置在机器人底座的剪叉升降装置使机身极速下降，驱动组件麦克纳姆轮同步启动，机器由此向反方向躲避（在底部采用的四个麦克纳姆轮，能够提高机器人的稳定性和机动性，保护驾驶员与机器的安全），同时捕获逃逸车辆信息提交至执法平台；若车辆未及时分流避让，出现紧急状况将发生碰撞，则触发保护机制，安全气囊迅速弹出并包裹住机身，最大程度上减少机器人的损伤。

3.5 服务模块

服务模块针对市民和管理者两类使用对象，机身触摸屏界面上设置有市民服务与管理者两个入口。市民服务入口用于市民服务，包括一键报警等；管理者入口用于警务人员登录；当检测到未佩戴口罩的人员时，机器人会打开口罩储物盒，市民自行取用。

4 系统设计

机器人拥有智能化管理系统和总控制系统，其设计目的在于实现机器人智能化。

4.1 智能化管理系统

智能化管理系统具体功能如下：

（1）机器人自检功能：通过多组传感器采集机身数据，实时监控机器人状态，当设备需检修时会自动提醒交警并提供当前位置坐标，方便交警及时收回协警机器人。

（2）执法记录功能：机器人在巡检过程中会记录周边突发的事故，系统也会在第一时间接收到数据，警察在执法过程中，机器人能在疏散事故周边人群的同时记录下警察执法的全过程，将记录上传至APP 执法记录中心，方便警察随时调用。

（3）一键报警功能：机器人在巡检过程中遇到市民求助，机身内置北斗卫星定位系统会将求助人员的实时位置传输给系统，使距离报警点最近的警察能快速定位求助者的位置，高效处理事务。

（4）酒驾检测：系统与设备之间通过无线模块相连接，机器人在执勤过程中实时将测得的酒驾数据上传至检测系统，同时交警也可实时监控当前被检人员的酒精测量值，若被测驾驶员二次及以上酒驾被查处，系统在记录中将该人员名单标红，便于交警更有力地处理此类恶性事件。

（5）防疫巡检：在人群密集区域进行巡检，测量到温度异常的人员，控制中心会将该人员信息上传给防疫检测系统，系统通知附近警察及时处理，同时机器人也会提醒该区域附近未带口罩的市民带好口罩。

4.2 总控系统

协警机器人总控系统用作整个控制系统的核心，主要用于处理语音数据和位置数据信息，而C51 单片机作为系统的信息执行控制单元，控制协警机器人的动作，如图4 所示。

图4 总控系统控制流程图

协警机器人在初始位置后，指挥交警可通过语音方式发布云端指令信息。指令包括“定点移动”“转换巡查区域”“原地警戒”等。机器人借助上机身上的计算机装置和无线传输芯片接收交警云端指令，这些指令通过“协警机器人总控系统”进行编译和自动语音识别及信息数据转换；同时“协警机器人总控系统”还可以进行同步定位和地图规划，从而精确定位机器人所在方位，这些信息作为单片机的输入驱动数据，从而控制下机身驱动机器人在指定巡航区域进行自主巡航。自主巡航过程中由“协警机器人总控系统”收集并统计“酒驾频发区”、“人群温度异常区”和“交通事故高发路段”等热点信息地图，进而辅助交警工作规划。

在接收到控制信息后，上机身会将收到的指令通过传输线传输至下机身，驱动部分收到控制信号后并作出相应的动作。在自主巡航等工作状态下，机器人到达指定工作区域后执行上机身中预设程序，在执行过程中参数即时反馈给主控芯片，若反馈的数据出现异常主控芯片会执行警告程序，并中断所有的运行，以保障人与机器人的安全。

协警机器人同步搭载了自动语音识别技术（ASR）和同步定位与地图绘制（SLAM）技术。机器人语音识别的最终目的是将人类语言转化为计算机可识别的数据，进而对口述语言中包含的要求或询问做出正确的动作反应或语言反应，进一步实现人机交互的功能，而使用SLAM 技术旨在解决机器人在未知环境中运行时即时定位与地图构建的问题，使机器人在接收动作指令后移动更加准确。

云端智能管理系统，其负责接受机器人每日上传的数据，对酒驾频发区、人群温度异常区、交通事故高发路段进行计算绘制成平面地图，以通俗易懂的形式呈现给交警。交警通过对比数据可以及时解决该段道路存在的问题。

5 结论

科技发展和不断更新的社会需求正在助推智能化设备及技术的快速发展，而交通是智能化技术发展的前沿阵地。国家汽车保有量的激增使交警执勤面临重大考验，协警机器人有助于缓解交通执勤压力，促进便民服务和社会交通良性发展。本文创新性地设计了智慧协警机器人的初步方案，有结构功能和实现场景上做了有益的探索，为协警机器人技术发展提供了参考。