一種用于消防的四足機(jī)器人

田皓宇 劉福裕 韓冰 趙楊 王雪偉

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展近年來機(jī)器人受到各行各業(yè)的青睞，尤其是在火災(zāi)救援、地質(zhì)災(zāi)害救援時因可代替人員進(jìn)行搜救深受喜愛，本文基于，設(shè)計(jì)了一款可在履帶運(yùn)動模式、四足運(yùn)動模式自由切換的機(jī)器人，本文所研究的機(jī)器人是基于熱傳感模塊、opencv技術(shù)的視覺火源識別定位系統(tǒng)和電磁彈射系統(tǒng)的消防偵察機(jī)器人。在軍事、生活、工業(yè)領(lǐng)域越來越受社會和國家重視，而能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境地形的足式機(jī)器人更是受到廣泛關(guān)注，足式機(jī)器人可以擺脫 輪式機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境地形的限制，自由穿梭于森 林、河流、山坡、沙漠等嚴(yán)峻的地貌。足式機(jī)器人 又分為雙足、四足、六足，其中四足的應(yīng)用范圍較 其他 2 種更為廣泛。美國 Shigle 及 Baldwin 在 20 世紀(jì) 60 年代開始設(shè)計(jì)使用凹凸輪的連桿機(jī)構(gòu)來 設(shè)計(jì)機(jī)動性較好的步行車，但由于技術(shù)限制，步行 車的復(fù)雜地面車適應(yīng)性較差，1968 年美國人 MOSher 設(shè)計(jì)出 Walking Truck。Walking Truck 雖然 在操作過程中并不能實(shí)現(xiàn)流暢行走，但是其已經(jīng)具 備有效行走及跨過障礙物的能力，Walking Truck 的 出現(xiàn)被視為現(xiàn)代步行機(jī)器人發(fā)展歷程中的偉大突破

目前我國的消防偵察無人機(jī)和智能化高射水炮迅速發(fā)展，但是仍存在著許多缺點(diǎn)，如消防無人機(jī)存在空中發(fā)射后坐力大和需要破窗進(jìn)入的缺點(diǎn)，高射水泡存在著靈活性和機(jī)動性較差的問題。針對上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一款可在履帶運(yùn)動模式、四足運(yùn)動模式自由切換，基于熱傳感模塊、opencv技術(shù)的視覺火源識別定位系統(tǒng)和電磁彈射系統(tǒng)的消防偵察機(jī)器人?？蓱?yīng)用于樓道、復(fù)雜地形的消防和偵察。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前四足機(jī)器人用腿部來區(qū)分主要分為串聯(lián)腿和并聯(lián)腿，根據(jù)關(guān)節(jié)配置進(jìn)行分類分為外膝肘式、全肘式、全膝式、內(nèi)膝肘式。根據(jù)自由度來劃分，主要分為8個自由度和12個自由度。目前的足端的設(shè)計(jì)主要分為球形足端、圓柱形足端、仿生足端。本文設(shè)計(jì)的為偽球形足端，偽球形足端擁有和球形足端一樣的環(huán)境適應(yīng)能力，但在防滑和穩(wěn)定上更勝一籌，如圖。

本設(shè)計(jì)將波士頓動力的無刷電機(jī)改用做舵機(jī)作為動力，舵機(jī)的控制原理較為容易，需要一個20 ms的脈沖周期，本設(shè)計(jì)使用180°舵機(jī)，在 20 ms 的脈沖周期中使用不同占空比的高低電平，不同的占空比對應(yīng)的角度不同[13-14]，占空比和角度對應(yīng)比如表 1所示。

控制算法模型是以每個腿建立中心點(diǎn)，采用運(yùn)動學(xué)逆解，進(jìn)行計(jì)算。

將足端坐標(biāo)離散化，離散為許多小點(diǎn)再用逆解將足端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度。

我國樓房建筑踏步樓梯的尺寸一般情況下為樓梯的寬度為300mm，高度為150mm。四足機(jī)器人的最大長度為因此必須保證y不小于150mm，x為100mm

根據(jù)機(jī)械的整體設(shè)計(jì)四足機(jī)器人各零件對應(yīng)的尺寸如表 2

根據(jù)大腿、小腿長度進(jìn)行推算。

本文對單腿運(yùn)動學(xué)逆解的采用幾何法進(jìn)行分析：

以大腿的圓心建立坐標(biāo)原點(diǎn)為o，已知足端坐標(biāo)為（x，y），a為公共邊。

求出來、后既可確定出舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。

公式中先計(jì)算出小腿的舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度再根據(jù)小腿舵機(jī)角度，計(jì)算出大腿舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度步態(tài)采用單腿前進(jìn)步態(tài)，每個的足端相差 1/2.5 個相位。

參考文獻(xiàn)

[1]麥楊杰，袁泓博，郭建，等. 仿生四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與 運(yùn)動步態(tài)分析[J]. 機(jī)械制造，2019，57（12）： 52-55，114.

[2]黃寅光，劉祚時. 基于線性 CCD 仿生四足爬坡的設(shè)計(jì)和 實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動化，2019，41（11）： 73-76，123.