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(duì)火情的監(jiān)測(cè)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(cè)火情造成了極大的困難。且目前機(jī)器人技術(shù)對(duì)森林防火的應(yīng)用較少，本文針對(duì)森林地形復(fù)雜以及人工監(jiān)測(cè)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(guó)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(cè)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(duì)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(cè)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(shì)，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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，我國(guó)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(duì)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(cè)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(zhǎng)。

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(cè)模塊、紅外溫度檢測(cè)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(duì)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(cè)模塊、紅外溫度檢測(cè)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(cè)模塊與紅外溫度檢測(cè)模塊可實(shí)時(shí)觀測(cè)森林中的火勢(shì)的方位、大小以及未來趨勢(shì)。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(duì)森林火勢(shì)有大致的了解。煙霧檢測(cè)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(cè)到時(shí)，該模塊會(huì)輸出一個(gè)模擬信號(hào)給單片機(jī)，模擬信號(hào)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(cè)模塊采用GY-906-BAA 模塊如圖10（b），可以進(jìn)行非接觸式測(cè)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(shì)的位置以及大小。

初期由于需要野外測(cè)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(duì)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(duì)森林地形環(huán)境的復(fù)雜性及野外火情勘測(cè)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(duì)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(shì)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(cè)模塊和煙霧檢測(cè)模塊大致判斷森林火勢(shì)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。