一種輪腿式森林防火機器人的研究與設計

李澤楷 王 皓 李繼鑫 顧偉宏* 蔡德恩 白 宇

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150000）

機器人的誕生給人類社會帶來了諸多便利，占據著不可代替的地位。高性能的移動機器人是一種多學科交叉的技術產物，包含機構學、電子技術、傳感器技術、計算機學和人工智能等[1]。

近年來，森林火災頻發，導致這些火災的一個重要原因就是對火情的監測不到位。森林內的地形高度復雜以及諸多不確定因素，這些因素無疑給人工監測火情造成了極大的困難。且目前機器人技術對森林防火的應用較少，本文針對森林地形復雜以及人工監測火情的困難性研究設計出一款輪腿式森林防火機器人。

分析多款國內外的輪腿式機器人后發現，其都屬于輪式和腿式的混合結構，所以具有輪式的高機動性和高靈活性特點，也同時具有腿式的高越障性能力和非結構化地形的適應能力。本文以森林火災監測為研究目的，設計了一款輪腿式森林防火機器人，并對機器人進行了構型設計、三維建模、火災監測云臺設計分析及輪腿式移動底盤的控制分析等工作。

1 輪腿式機器人的機械設計

1.1 腿數的確定

輪腿式移動機器人在非結構地形做步態移動時，移動方式常分這幾種類型：靜態步行、準動態步行、動態步行、跑跳和跳躍[2]。

腿式機器人在腳著地的情況下，至少需要3 個支撐腿，才能維持靜態穩定，因此實現靜態穩定的腿數至少為4 或4 以上。自然界中，哺乳類動物多為四足、六足或者六足以上多以昆蟲為主，六足在做靜態步行時，邊保持重心投影在三條支撐腿三角形內部，邊交替擺動三條腿[3]。與此相比，雖然四足的靜態穩定性有所降低、擺動腿的順序和時間安排比較復雜，但經分析得四足機器人在減輕硬件質量和高速移動性方面占有優勢，所以本文設計的輪腿式移動機器人為四足式移動機器人。

1.2 腿部的結構設計

輪腿式移動機器人的腿部結構直接決定了整個機器人的能量消耗、越障能力、負載能力等性能，因此合理的腿部結構應該滿足以下要求[4]：

（1）機器人在移動時，負位能損耗盡量小。

（2）支撐相要求較大的支撐自重的力，擺動相要求速度較高。

（3）滿足移動目標所需最低運動自由度。

下面以串聯二自由度腿部結構為例，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。圖2 為圖1 所示關節1、關節2 驅動器在運動期間產生的功率。圖1 中的腿部末端在AB 之間和BC 之間輸出的功率有正、負的變化。但無論腿部為何種姿態，兩個關節的驅動器都會有較大的負位能損耗。

圖1 消耗負能量的腿部運動

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]，即將腿部的運動分解為重力方向和水平方向兩個方向，同時在重力方向的驅動系統設計較大的減速比從而減小不必要的負位能損耗，并可以實現支撐自身重力的目的。

為了使輪腿式機器人的各條腿實現三維移動，比較有效的方法使采用節約自由度的腿部機構，這樣可以避免直接用驅動器來實現自由度，從而可以減少驅動器的數量，以減輕機器人的質量。

要想實現腿部機構能在平面或者空間里運動出多種不同的軌跡，那么每個腿部機構中需要設置兩個或兩個以上的自由度。如圖3（a）所示的二自由度串聯結構，兩個關節處分別設置獨立驅動，該結構最為簡單。圖3（b）則是將關節處的旋轉驅動替換成直線式液壓缸，這種機構控制簡單、工作空間大，在大型工程機械中應用較多，但是作為機器人的腿部機構，該結構有以下問題：（1）腿部驅動器需要承受較大的負載；（2）單腿部的質量較大，在步態運行時，機器人的重心位置容易變動；（3）此機構不屬于GDA，運行過程中能量損耗較大。綜上得出的解決措施為盡量將驅動器的安裝在靠近機器人本體的位置，然后通過放大機構來實現位移量的增大。圖3（c）所示機構滿足此要求，驅動器靠近本體安裝，沿直角坐標系位移，能按照垂直方向和水平方向分別驅動，符合GDA。

圖3

二自由度腿式結構，在水平地面或者復雜的越障工況下，關節式輪腿結構的載荷主要集中在關節處，而且存在較大的扭矩；連桿式輪腿結構的載荷會分布在腿部的各個連桿上，體現為各個連桿的拉力或者壓力，并最終傳遞到機器人本體上。相比而言，連桿式結構對關節運動的驅動電機要求更低。

1.3 輪腿式機器人的構型設計

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

圖4 單輪腿的三維模型

所設計的單腿結構里有三個驅動電機，其中一個驅動電機用來驅動車輪，另外兩個驅動電機來驅動滾珠絲桿（如圖5 為滾珠絲桿示意圖），進而使與滾珠絲杠固連的滑塊做直線平移運動，一個用于驅動車輪滾動。此設計中Z 軸滾珠絲桿和Y 軸滾珠絲桿共面，即輪腿機構的兩部分組成的平面平行，使得整個機器人的結構更為緊湊。在z 軸與y 軸的滾珠絲桿兩側設計有導向滑軌，輔助滾珠絲桿推動滑塊做直線運動，從而使機器人負載能力更強，控制性能更好。

近年來，隨著我國經濟的發展和社會的不斷進步，我國的建筑行業建設有了很大的飛躍，建筑工程所使用的施工技術種類也越來越多。其中，混凝土裝配式住宅施工技術尤其得到重視和發展。混凝土裝配式住宅施工技術在很大程度上去除了傳統技術中的一些弊端，同時由于預制構件的應用，更有利于節能減排目標的實現，因此越來越受到人們的重視。

圖5 滾珠絲杠

大、小腿關節處的驅動采用的是滾珠絲桿帶動滑塊來實現的，其運動為的平移運動，所以此設計體系對電機性能的要求不高。本文設計選用M3508 無刷減速電機（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 電調可實現正弦驅動，使得這種電機驅動更為高效、高機動性和穩定性。另外此電機具有以下特性：自帶位置傳感器，可提供位置反饋；自帶溫度檢測傳感器，可有效防止電機因溫度異常被損壞；具有信息存儲功能，能存儲電機校準參數，支持電機的快速更換。如圖7 所示，為M3508 電機的負載特性曲線。

圖6 M3508 無刷減速電機

圖7 M3508 電機負載特性曲線

圖8 為本文設計所選用的負壓減震器，負壓減震器為液壓式和機械式混合型減震器，相比于機械式減震器和液壓式減震器的工作環境要求更低，減震效果好，壽命長。

2 硬件系統設計

2.1 系統架構設計

圖8 負壓式減震器

輪腿式森林防火機器人系統采用STM32F407ZGT6 芯片作為控制器。其控制方式為遠程遙控。STM32F407ZGT6 是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32 系列的32 位的微控制器，程序存儲器容量是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，內置高速存儲器，豐富的增強I/O 端口和聯接到兩條APB 總線的外設，其封裝體積小，價格與同類芯片相比較低，與8 位單片機相比性能更優，有著高性能、低成本、低功耗的特點[6]。

以STM32F407ZGT6 為核心，設計出輪腿式森林防火機器人系統。該系統集煙霧檢測模塊、紅外溫度檢測模塊、電機驅動模塊、攝像頭識別模塊等硬件裝置于一體，通過軟件控制實現對森林防火輪腿式機器人的控制，如圖9 所示。

圖9 基于STM32 的系統架構設計

2.2 硬件設計

機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別模塊，在機器人運行的時候，煙霧檢測模塊與紅外溫度檢測模塊可實時觀測森林中的火勢的方位、大小以及未來趨勢。攝像頭識別模塊起到監控作用，可以在遙控端實時顯示機器人前方的圖像，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），在機器人的四周與上部都有安裝，當有煙霧被檢測到時，該模塊會輸出一個模擬信號給單片機，模擬信號隨著煙霧的濃度增大，這時通過單片機的計算可以大體估計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），可以進行非接觸式測量，與單片機進行IIC 通信，該模塊安裝在機器人的四周，可以根據單片機讀到的溫度數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，以方便調試，如圖11。

圖10 識別和傳感模塊

圖11 DUBS 電路設計

圖12 輪腿式機器人控制邏輯

3 輪腿式移動底盤的控制分析

3.1 麥克納姆輪運動底盤控制

3.2 單腿的運動控制

由于輪腿機器人的負載在復雜的路況下會有較大波動,故抬升結構的電機閉環控制應具有足夠的抗擾性能。故初步采用雙閉環電機控制方案。選用RM3508 電機，通過與其匹配的電調返回的電機轉速和電流信息，與電機給定值的綜合輸出，構成閉環控制。當上下兩邊錐齒輪進行差速運動時，實現機器人單腿的關節的變化，即給定兩個電機的抬升角度有一定的差值。控制器選用數字PI 控制器，實現電機角度閉環控制。

3.3 整體的運動控制

機器人底盤輪腿結構設計6 個自由度運動單元，故需要設計不同的子運動分解任務。為了降低軟件開發難度，已每一個輪腿作為獨力的運動子單元，對其運動軌跡進行閉環設計，然后綜合六個子控制單元，進行總運動規劃設計。整個系統的運動控制指令有上位機發出，經由無線傳輸模塊傳送給機器人控制中心MCU,從而實現系統的整體運動閉環控制，如圖12 為控制邏輯。

4 結論

針對森林地形環境的復雜性及野外火情勘測的危險性，本文設計了一種高性能輪腿式森林防火機器人。該機器人不僅具有輪式移動機器人的高靈活性和低消耗的特點，而且具有腿式移動機器人對非結構化地形的高適應性和高越障能力。為滿足負勢能消耗低、承載力強、機構自由度降低的性能要求，輪腿關節采用兩自由度聯動結構，車輪獨立驅動。在能適應復雜地形的同時，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。