一种轮腿式森林防火机器人的研究与设计

2021.14科学技术创新

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一种轮腿式森林防火机器人的研究与设计

李泽楷王皓李继鑫顾伟宏*蔡德恩白宇

黑龙江

哈尔滨150000）（东北林业大学机电工程学院

，

摘要：随着机器人研究的进步，越来越多的移动机器人可以在很多场合实现人类难以完成的工作，该领域有无限的发展潜

这些因素加大了对森林火情勘测的难度。

力和研究价值。由于森林地形的高度复杂性和不确定性、野外火灾发生具有危险性等，

本文结合GDA（GravitationallyDecoupledActuation）方法并根据降低能耗原理，设计出了一种兼具轮式机器人的高速稳定性和腿

基于烟雾识别、温度传感

以式机器人的地形适应能力的轮腿式混合型机器人

。通过

Solidworks对轮腿结构进行构型设计及建模

，

并基于

STM32对轮腿式移动底盘的控制进行分析

。

及远程遥控技术，设计并搭建出火情监测云台

，

关键词：轮腿式移动机器人

；

GDA；火情监测云台

；

STM32

中图分类号院TP242文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2021冤14-0059-04

图

1中的腿部末端机器人的诞生给人类社会带来了诸多便利

，占据着不可代

节1、关节2驱动器在运动期间产生的功率

。

替的地位。高性能的移动机器人是一种多学科交叉的技术产在AB之间和BC之间输出的功率有正、负的变化。但无论腿部

物，包含机构学、电子技术、传感器技术、计算机学和人工智能等为何种姿态，两个关节的驱动器都会有较大的负位能损耗。

[1]

。

近年来，森林火灾频发，导致这些火灾的一个重要原因就是

对火情的监测不到位。森林内的地形高度复杂以及诸多不确定

因素

，

这些因素无疑给人工监测火情造成了极大的困难

。且目

本文针对森林地形复杂

前机器人技术对森林防火的应用较少

，

以及人工监测火情的困难性研究设计出一款轮腿式森林防火

机器人

。

分析多款国内外的轮腿式机器人后发现

，其都属于轮式和

腿式的混合结构，所以具有轮式的高机动性和高灵活性特点，

也同时具有腿式的高越障性能力和非结构化地形的适应能力

。

本文以森林火灾监测为研究目的，设计了一款轮腿式森林防火

三维建模、火灾监测云台

机器人

，

并对机器人进行了构型设计、

图1消耗负能量的腿部运动

设计分析及轮腿式移动底盘的控制分析等工作。

1轮腿式机器人的机械设计

1.1腿数的确定

轮腿式移动机器人在非结构地形做步态移动时

，移动方式

常分这几种类型：静态步行、准动态步行、动态步行、跑跳和跳跃

[2]

。

腿式机器人在脚着地的情况下，至少需要3个支撑腿，才能

自

维持静态稳定，因此实现静态稳定的腿数至少为4或4以上。

然界中，哺乳类动物多为四足、六足或者六足以上多以昆虫为

主

，

六足在做静态步行时，边保持重心投影在三条支撑腿三角形

内部

，

边交替摆动三条腿

[3]

。与此相比，虽然四足的静态稳定性

图2消耗功率的变化

但经分析得四

有所降低、摆动腿的顺序和时间安排比较复杂

，

所以

本

为避免上述较大的能量损耗

，可以采用

GDA方法

足机器人在减轻硬件质量和高速移动性方面占有优势

，

[5]

文设计的轮腿式移动机器人为四足式移动机器人

。

（GravitationallyDecoupledActuation），即将腿部的运动分解为

1.2腿部的结构设计

重力方向和水平方向两个方向，同时在重力方向的驱动系统设

并可以实现

支轮腿式移动机器人的腿部结构直接决定了整个机器人的能计较大的减速比从而减小不必要的负位能损耗

，

因此合理的腿部结构应该

撑自身重力的目的。量消耗、越障能力、负载能力等性能

，

满足以下要求

[4]

：为了使轮腿式机器人的各条腿实现三维移动，

比较有效的

负位能损耗尽量小

。

这样可以避免直接用驱动

（1）机器人在移动时，方法使采用节约自由度的腿部机构

，

以减轻机器人

的从而可以减少驱动器的数量，

（2）支撑相要求较大的支撑自重的力

，摆动相要求速度较器来实现自由度，

高

。

质量。

（3）满足移动目标所需最低运动自由度

。

要想实现腿部机构能在平面或者空间里运动出多种不同的

下面以串联二自由度腿部结构为例，图1中的其腿部一边轨迹，那么每个腿部机构中需要设置两个或两个以上的自由度。

承受地面的支反力，另一边与地面相对滑动。图2为图1所示关如图3（a）所示的二自由度串联结构，两个关节处分别设置独

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科学技术创新2021.14

（如图

5为滚用来驱动车轮，另外两个驱动电机来驱动滚珠丝杆

珠丝杆示意图），进而使与滚珠丝杠固连的滑块做直线平移运

动，一个用于驱动车轮滚动。此设

计中

Z轴滚珠丝杆和Y轴滚

使得整

个珠丝杆共面，即轮腿机构的两部分组成的平面平行，

机器人的结构更为紧凑

。在

z轴与y轴的滚珠丝杆两侧设计有

从而使机器

人导向滑轨，辅助滚珠丝杆推动滑块做直线运动，

负载能力更强，控制性能更好

。

立驱动，该结构最为简单

。图

3（b）则是将关节处的旋转驱动替

工作空间大，在大

型工换成直线式液压缸，这种机构控制简单

、

该结

构有以程机械中应用较多，但是作为机器人的腿部机构

，

（

1）下问题：腿部驱动器需要承受较大的负载

；

（2）单腿部的质量

较大，在步态运行时，机器人的重心位置容易变动

；

（3）此机构不

属于GDA，运行过程中能量损耗较大。

综上得出的解决

措施为

然后通

过放大尽量将驱动器的安装在靠近机器人本体的位置

，

机构来实现位移量的增大。图3（c）所示机构满足此要求，驱动

能按照垂直方向和

水平器靠近本体安装，沿直角坐标系位移

，

符合

GDA。方向分别驱动，

（b）（c）

图3

关

二自由度腿式结构，在水平地面或者复杂的越障工况下，

节式轮腿结构的载荷主要集中在关节处

，而且存在较大的扭

体现

矩

；

连杆式轮腿结构的载荷会分布在腿部的各个连杆上，

为各个连杆的拉力或者压力，并最终传递到机器人本体上。

相

连杆

式结构对关节运动的驱动电机要求更低

。

比而言，

1.3轮腿式机器人的构型设计

综上述分析

，在

Solidworks中将满足以上讨论需求的进行

样机建模，单轮腿三维模型如图4所示。

（a）

图5滚珠丝杠

大、小腿关节处的驱动采用的是滚珠丝杆带动滑块来实现

的，其运动为的平移运动，所以此设计体系对电机性能的要求

不高。本文设计选用M3508无刷减速电机（如图6所示），其减

速箱的减速比为19：1，配合与其相适配的C620电调可实现正

高机动性和稳定性。另

外弦驱动，使得这种电机驱动更为高效、

可提供位置反馈；自

带此电机具有以下特性：自带位置传感器，

具有信

温度检测传感器，可有效防止电机因温度异常被损坏

；

支持电机的快速更换。如图

息存储功能，能存储电机校准参数，

7所示，为M3508电机的负载特性曲线

。

图6M3508无刷减速电机

n-转速T-扭矩I-电流P-输出功率浊-效率

图7M3508电机负载特性曲线

图8为本文设计所选用的负压减震器，

负压减震器为液

压

式和机械式混合型减震器，相比于机械式减震器和液压式减震

寿命长。

器的工作环境要求更低，减震效果好

，

2硬件系统设计

1-z轴驱动电机2-z轴双侧导向滑轨3-z轴滚珠丝杆4-大腿5-y轴驱

动电机6-y轴滚珠丝杆7-y轴双侧导向滑轨8-小腿9-弹簧避震器

2.1系统架构设计

10-车轮驱动电机11-车轮

轮腿式森林防火机器人系统采用STM32F407ZGT6芯片作

图4单轮腿的三维模型

为控制器。其控制方式为远程遥控

。

STM32F407ZGT6是一款基

所设计的单腿结构里有三个驱动电机，其中一个驱动电机于ARMCortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序

2021.14科学技术创新

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(a)MQ-2传感器模块（b）GY-906-BAA模块

图10识别和传感模块

图8负压式减震器

存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40毅C~

丰富的增强

85毅C。该芯片工作频率为72MHz，内置高速存储器，

价格与

I/O端口和联接到两条APB总线的外设，其封装体积小

，

与

8位单片机相比性能更优

，有着高性能、

同类芯片相比较低

，

低成本、低功耗的特点

[6]

。

以STM32F407ZGT6为核心，设计出轮腿式森林防火机器人

电机驱动模

系统。该系统集烟雾检测模块、红外温度检测模块

、

块、摄像头识别模块等硬件装置于一体，通过软件控制实现对

森林防火轮腿式机器人的控制，如图9所示。

图11DUBS电路设计

图9基于STM32的系统架构设计

2.2硬件设计

机器人的底盘上部分装有烟雾检测模块

、红外温度检测模

烟雾检测模块与

块和摄像头识别模块，在机器人运行的时候

，

红外温度检测模块可实时观测森林中的火势的方位、大小以及

未来趋势。摄像头识别模块起到监控作用，可以在遥控端实时

显示机器人前方的图像，以便于操控者以第一人称视角对森林

火势有大致的了解。烟雾检测模块采用MQ-2传感器模块如图

当有烟雾被检测到

时

，

10（a），在机器人的四周与上部都有安装

，

该模块会输出一个模拟信号给单片机，模拟信号随着烟雾的浓

度增大，这时通过单片机的计算可以大体估计烟雾的位置以及

走向。红外温度检测模块采用GY-906-BAA模块如图10（b），可

以进行非接触式测量，与单片机进行IIC通信，该模块安装在机

器人的四周，可以根据单片机读到的温度数值的大小来判断火

势的位置以及大小。

初期由于需要野外测试，故加入了遥控器控制

，以方便调

如图

11。试，

图12轮腿式机器人控制逻辑

（转下页

）

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科学技术创新2021.14

基于MUI+Flask的乡村兼职平台的设计与实现

周全兴杨仁昌

贵州

凯里556011）（凯里学院大数据工程学院

，

摘要：在乡村振兴背景下，针对乡村劳动力匮乏、农忙时节人手不足、农闲时闲置劳动力得不到充分利用等突出问题，研究

重点介绍了平台的开发

过程与语言环境选择、设计了一套基于MUI+Flask框架的乡村闲置服务平台

，

功能模块设计与重要功能实

能够为生活在农村的“留守

人员”现过程、以及数据库设计，提供相关信息和帮助

。

劳动力；农忙

关键词：乡村振兴；兼职

；

中图分类号

：

TP311文献标识码

：

A文章编号

：

2096-4390渊2021冤14-0062-03

1概述

乡村是以农业为基本内容的一类聚落的总称

，是具有自

生态、文化等多重功能的地域

然、社会、经济特征和生产、生活

、

民风淳朴或景色优美等

综合体

[1]

，一般有空气清新、较为宜居

、

特点。推进乡村振兴、全面建成小康社会面临的关键问题就是

城乡全面发展，缩小城乡差距。

目前中国农村发展急需农业生

产方式升级转换，农业生产要积极推进现代化和农村经济产业

是新时期社会主义现

化经营

[2]

，这是中国农业经济发展的趋势

，

代化建设的必然选择，城市化和农业现代化两种相互影响和推

进，农村劳动力不再被农务和“田地”限制，农村地区的人民就

业机会不再局限于农产业

[3]

。为解决城乡劳动力市场不均衡问

题，解决农村剩余劳动力进城就业等问题，推进农村农业发展，

能

研究设计了乡村兼职服务平台。通

过平台建设与推广应用，

如：进城务工人员可以通过平

够为乡村提供便捷的线上服务，

大学生等辅导留

台发布兼职信息，寻求附近假期在家高中生、

3轮腿式移动底盘的控制分析

3.1麦克纳姆轮运动底盘控制

针对麦轮特殊结构，对四个麦轮的合成运动进行整体分析，

构建出基本的平移，自旋，前进、后退分解运动数学模型

。根据

从而构建底盘

车身长度和轮轴半径选取合适的运动分解系数，

驱动子程序

。

3.2单腿的运动控制

由于轮腿机器人的负载在复杂的路况下会有较大波动,故

抬升结构的电机闭环控制应具有足够的抗扰性能

。故初步采用

选用

RM3508电机，双闭环电机控制方案

。

通过与其匹配的电调

返回的电机转速和电流信息，与电机给定值的综合输出，构成

闭环控制。当上下两边锥齿轮进行差速运动时，实现机器人单

腿的关节的变化，即给定两个电机的抬升角度有一定的差值

。

控制器选用数字PI控制器，实现电机角度闭环控制

。

3.3整体的运动控制

机器人底盘轮腿结构设计6个自由度运动单元

，故需要设

已每一个

计不同的子运动分解任务。为了降低软件开发难度

，

然

轮腿作为独力的运动子单元，对其运动轨迹进行闭环设计

，

后综合六个子控制单元，进行总运动规划设计

。整个系统的运

动控制指令有上位机发出，经由无线传输模块传送给机器人控

制中心MCU,从而实现系统的整体运动闭环控制，如图12为控

制逻辑。

4结论

本

针对森林地形环境的复杂性及野外火情勘测的危险性

，

文设计了一种高性能轮腿式森林防火机器人

。该机器人不仅

具

守儿童作业、寻求附近村民在农忙时节处理农务等；也可以通

通

过平台为乡村富余劳动力带来一定经济收入

，如在农闲时，

通过平

过平台寻求进城务工的岗位，寻求一些临时性工作等；

统筹

台，整合城乡劳动力市场，推进城乡劳动力资源均衡配置

，

城乡协调发展

。

2总体设计

2.1开发工具与语言

MUI是基于HTML5+标准、同时拥有HTML5组件和原生

组件的框架，最接近原生APP体验的高性能前端框架

[4]

。MUI原

生组件依赖于HTML5+运行环境，原生APP里面的webview组

件能加载显示网页，可以将其视为一个浏览器，所以MUI里面

的原生组件不能直接用于浏览器环境，需要通

过

MUI里面的

进行判断

，如果是

plus环境返回true，否则返回

如果是在浏览

undefined。对于APP开发使用增强的原生组件

，

器运行则使用HTML5组件，程序员根据开发需要进

（转下页

）

而且具有腿

式有轮式移动机器人的高灵活性和低消耗的特点，

移动机器人对非结构化地形的高适应性和高越障能力。为满足

负势能消耗低、承载力强、机构自由度降低的性能要求，轮腿关

节采用两自由度联动结构，车轮独立驱动。在

能适应复杂

地形

的同时，可以通过红外温度检测模块和烟雾检测模块大致判断

可以避免工作人员

的伤森林火势的位置与大小以及未来走向

，

亡，降低了工作难度

。

参考文献

[1]朱世强,刘松国.我国机器人产业化发展战略探讨[C]//全国

先进制造装备与机器人技术高峰论坛.2008.

[2]刘佳,尹淑彦,王丽敏.轮腿式移动机器人运动学分析与仿真[J].

科技信息,2010(23):566-567.

[3]谭永营,王睿,王闯.四足步行机动平台协调静步态研究[J].

机械工程师,2015(9):156-159.

[4]刘林,杨家武.轮腿式机器人的运动性能研究及仿真[D].哈尔

东

北林业大学,2019.滨：

[5]OchiaiAkiyoshi,OgataMasaru,HiroseShigeo.2A1-S-044

DesignofNovelGDA(GravitationallyDecoupledActuation)type

legwithlargemotionrange(WalkingRobot1,Mega-Integration

inRoboticsandMechatronicstoAssistOurDailyLives)[J].The

ProceedingsofJSMEannualConferenceonRoboticsand

Mechatronics(Robomec),2005,2005.

[6]张微,杨博云,王韵琪.基于STM32的车辆智能避障控制系统

设计[J].科技视界,2019(32):24-25.

通讯作者：顾伟宏

。