一種輪腿式森林防火機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

李澤楷 王 皓 李繼鑫 顧偉宏* 蔡德恩 白 宇

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

機(jī)器人的誕生給人類社會(huì)帶來了諸多便利，占據(jù)著不可代替的地位。高性能的移動(dòng)機(jī)器人是一種多學(xué)科交叉的技術(shù)產(chǎn)物，包含機(jī)構(gòu)學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)和人工智能等[1]。

近年來，森林火災(zāi)頻發(fā)，導(dǎo)致這些火災(zāi)的一個(gè)重要原因就是對火情的監(jiān)測不到位。森林內(nèi)的地形高度復(fù)雜以及諸多不確定因素，這些因素?zé)o疑給人工監(jiān)測火情造成了極大的困難。且目前機(jī)器人技術(shù)對森林防火的應(yīng)用較少，本文針對森林地形復(fù)雜以及人工監(jiān)測火情的困難性研究設(shè)計(jì)出一款輪腿式森林防火機(jī)器人。

分析多款國內(nèi)外的輪腿式機(jī)器人后發(fā)現(xiàn)，其都屬于輪式和腿式的混合結(jié)構(gòu)，所以具有輪式的高機(jī)動(dòng)性和高靈活性特點(diǎn)，也同時(shí)具有腿式的高越障性能力和非結(jié)構(gòu)化地形的適應(yīng)能力。本文以森林火災(zāi)監(jiān)測為研究目的，設(shè)計(jì)了一款輪腿式森林防火機(jī)器人，并對機(jī)器人進(jìn)行了構(gòu)型設(shè)計(jì)、三維建模、火災(zāi)監(jiān)測云臺(tái)設(shè)計(jì)分析及輪腿式移動(dòng)底盤的控制分析等工作。

1 輪腿式機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 腿數(shù)的確定

輪腿式移動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)地形做步態(tài)移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)方式常分這幾種類型：靜態(tài)步行、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行、動(dòng)態(tài)步行、跑跳和跳躍[2]。

腿式機(jī)器人在腳著地的情況下，至少需要3 個(gè)支撐腿，才能維持靜態(tài)穩(wěn)定，因此實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定的腿數(shù)至少為4 或4 以上。自然界中，哺乳類動(dòng)物多為四足、六足或者六足以上多以昆蟲為主，六足在做靜態(tài)步行時(shí)，邊保持重心投影在三條支撐腿三角形內(nèi)部，邊交替擺動(dòng)三條腿[3]。與此相比，雖然四足的靜態(tài)穩(wěn)定性有所降低、擺動(dòng)腿的順序和時(shí)間安排比較復(fù)雜，但經(jīng)分析得四足機(jī)器人在減輕硬件質(zhì)量和高速移動(dòng)性方面占有優(yōu)勢，所以本文設(shè)計(jì)的輪腿式移動(dòng)機(jī)器人為四足式移動(dòng)機(jī)器人。

1.2 腿部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)直接決定了整個(gè)機(jī)器人的能量消耗、越障能力、負(fù)載能力等性能，因此合理的腿部結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足以下要求[4]：

（1）機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)，負(fù)位能損耗盡量小。

（2）支撐相要求較大的支撐自重的力，擺動(dòng)相要求速度較高。

（3）滿足移動(dòng)目標(biāo)所需最低運(yùn)動(dòng)自由度。

下面以串聯(lián)二自由度腿部結(jié)構(gòu)為例，圖1 中的其腿部一邊承受地面的支反力，另一邊與地面相對滑動(dòng)。圖2 為圖1 所示關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2 驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生的功率。圖1 中的腿部末端在AB 之間和BC 之間輸出的功率有正、負(fù)的變化。但無論腿部為何種姿態(tài)，兩個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器都會(huì)有較大的負(fù)位能損耗。

圖1 消耗負(fù)能量的腿部運(yùn)動(dòng)

圖2 消耗功率的變化

為避免上述較大的能量損耗，可以采用GDA 方法（Gravitationally Decoupled Actuation）[5]，即將腿部的運(yùn)動(dòng)分解為重力方向和水平方向兩個(gè)方向，同時(shí)在重力方向的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較大的減速比從而減小不必要的負(fù)位能損耗，并可以實(shí)現(xiàn)支撐自身重力的目的。

為了使輪腿式機(jī)器人的各條腿實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng)，比較有效的方法使采用節(jié)約自由度的腿部機(jī)構(gòu)，這樣可以避免直接用驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)自由度，從而可以減少驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，以減輕機(jī)器人的質(zhì)量。

要想實(shí)現(xiàn)腿部機(jī)構(gòu)能在平面或者空間里運(yùn)動(dòng)出多種不同的軌跡，那么每個(gè)腿部機(jī)構(gòu)中需要設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度。如圖3（a）所示的二自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)關(guān)節(jié)處分別設(shè)置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)最為簡單。圖3（b）則是將關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)替換成直線式液壓缸，這種機(jī)構(gòu)控制簡單、工作空間大，在大型工程機(jī)械中應(yīng)用較多，但是作為機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有以下問題：（1）腿部驅(qū)動(dòng)器需要承受較大的負(fù)載；（2）單腿部的質(zhì)量較大，在步態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人的重心位置容易變動(dòng)；（3）此機(jī)構(gòu)不屬于GDA，運(yùn)行過程中能量損耗較大。綜上得出的解決措施為盡量將驅(qū)動(dòng)器的安裝在靠近機(jī)器人本體的位置，然后通過放大機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)位移量的增大。圖3（c）所示機(jī)構(gòu)滿足此要求，驅(qū)動(dòng)器靠近本體安裝，沿直角坐標(biāo)系位移，能按照垂直方向和水平方向分別驅(qū)動(dòng)，符合GDA。

圖3

二自由度腿式結(jié)構(gòu)，在水平地面或者復(fù)雜的越障工況下，關(guān)節(jié)式輪腿結(jié)構(gòu)的載荷主要集中在關(guān)節(jié)處，而且存在較大的扭矩；連桿式輪腿結(jié)構(gòu)的載荷會(huì)分布在腿部的各個(gè)連桿上，體現(xiàn)為各個(gè)連桿的拉力或者壓力，并最終傳遞到機(jī)器人本體上。相比而言，連桿式結(jié)構(gòu)對關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求更低。

1.3 輪腿式機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)

綜上述分析，在Solidworks 中將滿足以上討論需求的進(jìn)行樣機(jī)建模，單輪腿三維模型如圖4 所示。

圖4 單輪腿的三維模型

所設(shè)計(jì)的單腿結(jié)構(gòu)里有三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)車輪，另外兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿（如圖5 為滾珠絲桿示意圖），進(jìn)而使與滾珠絲杠固連的滑塊做直線平移運(yùn)動(dòng)，一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)車輪滾動(dòng)。此設(shè)計(jì)中Z 軸滾珠絲桿和Y 軸滾珠絲桿共面，即輪腿機(jī)構(gòu)的兩部分組成的平面平行，使得整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更為緊湊。在z 軸與y 軸的滾珠絲桿兩側(cè)設(shè)計(jì)有導(dǎo)向滑軌，輔助滾珠絲桿推動(dòng)滑塊做直線運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人負(fù)載能力更強(qiáng)，控制性能更好。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，我國的建筑行業(yè)建設(shè)有了很大的飛躍，建筑工程所使用的施工技術(shù)種類也越來越多。其中，混凝土裝配式住宅施工技術(shù)尤其得到重視和發(fā)展?；炷裂b配式住宅施工技術(shù)在很大程度上去除了傳統(tǒng)技術(shù)中的一些弊端，同時(shí)由于預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用，更有利于節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此越來越受到人們的重視。

圖5 滾珠絲杠

大、小腿關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)采用的是滾珠絲桿帶動(dòng)滑塊來實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)為的平移運(yùn)動(dòng)，所以此設(shè)計(jì)體系對電機(jī)性能的要求不高。本文設(shè)計(jì)選用M3508 無刷減速電機(jī)（如圖6 所示），其減速箱的減速比為19：1，配合與其相適配的C620 電調(diào)可實(shí)現(xiàn)正弦驅(qū)動(dòng)，使得這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)更為高效、高機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。另外此電機(jī)具有以下特性：自帶位置傳感器，可提供位置反饋；自帶溫度檢測傳感器，可有效防止電機(jī)因溫度異常被損壞；具有信息存儲(chǔ)功能，能存儲(chǔ)電機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，支持電機(jī)的快速更換。如圖7 所示，為M3508 電機(jī)的負(fù)載特性曲線。

圖6 M3508 無刷減速電機(jī)

圖7 M3508 電機(jī)負(fù)載特性曲線

圖8 為本文設(shè)計(jì)所選用的負(fù)壓減震器，負(fù)壓減震器為液壓式和機(jī)械式混合型減震器，相比于機(jī)械式減震器和液壓式減震器的工作環(huán)境要求更低，減震效果好，壽命長。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 負(fù)壓式減震器

輪腿式森林防火機(jī)器人系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6 芯片作為控制器。其控制方式為遠(yuǎn)程遙控。STM32F407ZGT6 是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C ～85°C。該芯片工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條APB 總線的外設(shè)，其封裝體積小，價(jià)格與同類芯片相比較低，與8 位單片機(jī)相比性能更優(yōu)，有著高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)[6]。

以STM32F407ZGT6 為核心，設(shè)計(jì)出輪腿式森林防火機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)集煙霧檢測模塊、紅外溫度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭識(shí)別模塊等硬件裝置于一體，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)對森林防火輪腿式機(jī)器人的控制，如圖9 所示。

圖9 基于STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的底盤上部分裝有煙霧檢測模塊、紅外溫度檢測模塊和攝像頭識(shí)別模塊，在機(jī)器人運(yùn)行的時(shí)候，煙霧檢測模塊與紅外溫度檢測模塊可實(shí)時(shí)觀測森林中的火勢的方位、大小以及未來趨勢。攝像頭識(shí)別模塊起到監(jiān)控作用，可以在遙控端實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人前方的圖像，以便于操控者以第一人稱視角對森林火勢有大致的了解。煙霧檢測模塊采用MQ-2 傳感器模塊如圖10（a），在機(jī)器人的四周與上部都有安裝，當(dāng)有煙霧被檢測到時(shí)，該模塊會(huì)輸出一個(gè)模擬信號給單片機(jī)，模擬信號隨著煙霧的濃度增大，這時(shí)通過單片機(jī)的計(jì)算可以大體估計(jì)煙霧的位置以及走向。紅外溫度檢測模塊采用GY-906-BAA 模塊如圖10（b），可以進(jìn)行非接觸式測量，與單片機(jī)進(jìn)行IIC 通信，該模塊安裝在機(jī)器人的四周，可以根據(jù)單片機(jī)讀到的溫度數(shù)值的大小來判斷火勢的位置以及大小。

初期由于需要野外測試，故加入了遙控器控制，以方便調(diào)試，如圖11。

圖10 識(shí)別和傳感模塊

圖11 DUBS 電路設(shè)計(jì)

圖12 輪腿式機(jī)器人控制邏輯

3 輪腿式移動(dòng)底盤的控制分析

3.1 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)底盤控制

3.2 單腿的運(yùn)動(dòng)控制

由于輪腿機(jī)器人的負(fù)載在復(fù)雜的路況下會(huì)有較大波動(dòng),故抬升結(jié)構(gòu)的電機(jī)閉環(huán)控制應(yīng)具有足夠的抗擾性能。故初步采用雙閉環(huán)電機(jī)控制方案。選用RM3508 電機(jī)，通過與其匹配的電調(diào)返回的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流信息，與電機(jī)給定值的綜合輸出，構(gòu)成閉環(huán)控制。當(dāng)上下兩邊錐齒輪進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單腿的關(guān)節(jié)的變化，即給定兩個(gè)電機(jī)的抬升角度有一定的差值?？刂破鬟x用數(shù)字PI 控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度閉環(huán)控制。

3.3 整體的運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人底盤輪腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)單元，故需要設(shè)計(jì)不同的子運(yùn)動(dòng)分解任務(wù)。為了降低軟件開發(fā)難度，已每一個(gè)輪腿作為獨(dú)力的運(yùn)動(dòng)子單元，對其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行閉環(huán)設(shè)計(jì)，然后綜合六個(gè)子控制單元，進(jìn)行總運(yùn)動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制指令有上位機(jī)發(fā)出，經(jīng)由無線傳輸模塊傳送給機(jī)器人控制中心MCU,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制，如圖12 為控制邏輯。

4 結(jié)論

針對森林地形環(huán)境的復(fù)雜性及野外火情勘測的危險(xiǎn)性，本文設(shè)計(jì)了一種高性能輪腿式森林防火機(jī)器人。該機(jī)器人不僅具有輪式移動(dòng)機(jī)器人的高靈活性和低消耗的特點(diǎn)，而且具有腿式移動(dòng)機(jī)器人對非結(jié)構(gòu)化地形的高適應(yīng)性和高越障能力。為滿足負(fù)勢能消耗低、承載力強(qiáng)、機(jī)構(gòu)自由度降低的性能要求，輪腿關(guān)節(jié)采用兩自由度聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。在能適應(yīng)復(fù)雜地形的同時(shí)，可以通過紅外溫度檢測模塊和煙霧檢測模塊大致判斷森林火勢的位置與大小以及未來走向，可以避免工作人員的傷亡，降低了工作難度。