石宇夢， 李 彤， 劉澤新， 廖福蘭， 傅可藝， 宋星竹

(東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林火災是一種突發(fā)性強、破壞力大、對森林生態(tài)系統(tǒng)和人類都具有巨大破壞力的自然災害[1]，是破壞森林的三大自然災害之首。由于林區(qū)地形復雜多變，地面不同于城市道路，灌木叢、溝壑、斜坡等地形環(huán)境會嚴重影響消防機器人的行走效率[2-3]。大部分森林防火設備在行進過程中的越障能力都較低，存在越障困難問題，不適合在林區(qū)復雜地形行進。由于森林防火監(jiān)測設備匱乏，導致森林火災未能得到及時可靠地預防，而人工監(jiān)測不易實現(xiàn)且成本較高。目前對城市火災救援作業(yè)設備研究較多，對森林火災領域防火設備的研究甚少，發(fā)展自動化森林防火監(jiān)測裝備具有重大的意義。

目前國內(nèi)外均有消防機器人的研究，消防機器人的研究始于20世紀60年代，由國外先開始研究。日本由于地理位置特殊，較早地將消防機器人投入使用，如1986年日本研制的“彩虹五號”機器人首次被應用于火災現(xiàn)場[4]。美國海軍研究實驗室于2014年研制了雙足式人型消防機器人SAFFIR[5]，該機器人采用多傳感器，并配備紅外攝像機可識別煙霧中的火源，可以在顛簸不平的地面多方向行走。另外，美國Vecna Robotics公司的大熊機器人[6]適用于多種災害環(huán)境的救援，其存在兩種行走模式，平坦路面為輪式行走，坑洼路面為履帶式行走，并能“屈膝”降低重心，以減小振動，其還具有優(yōu)秀的負重能力，可負重227 kg。

我國森林作業(yè)機器人研究起步較晚，在“863”計劃支持下，對消防機器人做了大量研究并取得了較好成績[7]。沈陽自動化研究所研制的“CLIMBER”機器人可進行雪地行走及雪丘攀爬，可搭載40 kg重量，也可進行森林消防作業(yè)[8]。錢鈞等研制的JMX-LT50型消防機器人采用輪式結(jié)構(gòu)，具有行走快速的優(yōu)點，行走速度達到3.6 km/h[9]。東北林業(yè)大學孫上杰等根據(jù)森林情況設計了一種輪履混合式森林巡防機器人和履帶式遙控風力滅火機[10]。南京林業(yè)大學姜樹海和張楠設計了一種六足森林消防機器人，并對機器人的運動和執(zhí)行機構(gòu)進行了仿真[11]。

通過對比國內(nèi)外的各種消防設備，特別針對機器人在障礙較多的林下地形行走問題，本文基于Solidworks三維軟件設計了一種八足森林防火監(jiān)測機器人，其通過底盤支架的支撐達到較好的清障效果，滿足在林區(qū)復雜的地形條件下能夠正常行走的要求，并利用機械臂能夠清除林區(qū)一些高大的灌木和雜草，同時通過對煙霧和溫度的感知，達到監(jiān)測火災的目的，替代人力實時監(jiān)測。

1 整體結(jié)構(gòu)方案設計

根據(jù)防火監(jiān)測機器人的功能和主要要求得到防火監(jiān)測機器人的系統(tǒng)關系如圖1所示。

圖1 防火監(jiān)測機器人的系統(tǒng)關系

該新型防火監(jiān)測機器人主要由八只仿生機械足、底盤支架、清障機械臂及監(jiān)測裝置四大部分組成。其中底盤支架又包括支架部和承重部。

八足森林防火監(jiān)測機器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。根據(jù)其用于森林地區(qū)的要求，為滿足輕便化的需求，設計的八足森林防火監(jiān)測機器人的支架部為長條形結(jié)構(gòu)且內(nèi)部安放有驅(qū)動元器件，仿生機械足的數(shù)量為8個，分列在支架部的兩側(cè)，以滿足機器人的行走需求。仿生機械足與支架部的側(cè)端面轉(zhuǎn)動連接，支承部的數(shù)量為4個，均布在支架部的下方并與支架部的下端面固定連接，監(jiān)測裝置豎直設置在支架部上端面中部，清障機械臂水平安裝在支架部前方，清障機械臂位于支架部長度方向的中線上。

圖2 八足森林防火監(jiān)測機器人總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 關鍵結(jié)構(gòu)設計

2.1 八只仿生機械足設計

仿生機械足是整個防火監(jiān)測機器人的關鍵部件，八只機械足的協(xié)調(diào)運動保證了整個機器人在森林中的越障和行走效果。

每個仿生機械足包括足部、小腿連桿、大腿連桿、踝關節(jié)電推桿、膝關節(jié)電推桿、髖關節(jié)電推桿、踝關節(jié)銷軸、膝關節(jié)銷軸、髖關節(jié)銷軸、T型鉸鏈座和兩個耳板。

足部通過踝關節(jié)銷軸與小腿連桿鉸接，踝關節(jié)電推桿的缸體與小腿連桿側(cè)壁鉸接，踝關節(jié)電推桿的缸桿與足部側(cè)壁鉸接。

小腿連桿通過膝關節(jié)銷軸與大腿連桿鉸接，膝關節(jié)銷軸的缸體與大腿連桿側(cè)壁鉸接，膝關節(jié)銷軸的缸桿與小腿連桿側(cè)壁鉸接。

大腿連桿端部與T型鉸鏈座一端固接，T型鉸鏈座另一端通過髖關節(jié)銷軸與兩個耳板鉸接，兩個耳板端部與支架部的側(cè)端面固接，髖關節(jié)電推桿的缸體與耳板側(cè)壁鉸接，髖關節(jié)電推桿的缸桿與大腿連桿側(cè)壁鉸接。仿生機械足由電力推桿提供動力，通過踝關節(jié)電推桿、膝關節(jié)電推桿、髖關節(jié)電推桿保證仿生機械足的行走。

該仿生機械足由電推桿作為主要驅(qū)動件，通過三個電力推桿的伸縮來實現(xiàn)踝關節(jié)、膝關節(jié)和髖關節(jié)的轉(zhuǎn)動，進一步實現(xiàn)整個仿生機械足的運動。在整個機器人系統(tǒng)中通過驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)各個仿生機械足的協(xié)調(diào)運動。通過機器人的視覺系統(tǒng)實現(xiàn)對森林路面環(huán)境的監(jiān)測，對整個地形進行相應反饋，信號達到驅(qū)動系統(tǒng)即三個關節(jié)位置的電力推桿，實現(xiàn)仿生機械足的運動，并通過控制系統(tǒng)進行八個機械足的相互協(xié)調(diào)，保證行走和越障能力。

2.2 清障機械臂設計

清障功能機械臂是輔助防火監(jiān)測機器人行走的主要部件，通過對前方道路雜草、細枝的切除，掃清前進的障礙，以滿足防火監(jiān)測機器人的通行條件。

清障機械臂包括第二旋轉(zhuǎn)支承機構(gòu)、第二伸縮桿、圓鋸、圓鋸安裝座和連接軸。清障機械臂擁有三個自由度，分別是底盤的轉(zhuǎn)動、機械臂的伸縮和末端圓盤鋸沿軸方向的轉(zhuǎn)動。機械臂主要通過旋轉(zhuǎn)支承和電力推桿完成整個機械臂的動作。圓盤鋸則通過整個電機驅(qū)動工作，以切割雜草和細枝。

其中，清障機械臂旋轉(zhuǎn)通過第二旋轉(zhuǎn)支承機構(gòu)實現(xiàn)，清障機械臂固定安裝在底盤支架的前方，保證及時清障，并通過前方圓鋸及其自身的轉(zhuǎn)動與伸縮實現(xiàn)清障功能。

2.3 監(jiān)測裝置

監(jiān)測裝置是整個防火監(jiān)測機器人的核心功能部件，機器人通過監(jiān)測裝置實現(xiàn)了對火災的監(jiān)測功能，并同時通過攝像頭進行圖像識別，從而進行路徑規(guī)劃和仿生機械足的協(xié)調(diào)行進。

監(jiān)測裝置有兩個自由度，分別是其底部的旋轉(zhuǎn)和整個裝置的上下抬升。旋轉(zhuǎn)通過第一旋轉(zhuǎn)支承機構(gòu)實現(xiàn)，監(jiān)測裝置伸縮通過第一伸縮桿實現(xiàn)。為實現(xiàn)監(jiān)測裝置的監(jiān)測功能，監(jiān)測裝置上安裝有煙霧傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測煙霧和溫度，使森林火災得到及時可靠地預防。并通過監(jiān)測裝置本身的上下抬升和360°的旋轉(zhuǎn)，進行較遠距離的監(jiān)測與探查。

為滿足整個防火監(jiān)測機器人視覺系統(tǒng)的要求，監(jiān)測裝置同時安裝有攝像頭，通過攝像頭圖像實時傳送給控制系統(tǒng)的視覺處理單元，進一步實現(xiàn)路徑規(guī)劃和仿生機械足行走。

整個八足防火機器人的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中圖3(a)為機器人的主視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(b)為機器人的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(c)為機器人的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 八足防火機器人主體結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作原理

八足森林防火監(jiān)測機器人的工作原理如下：通過仿生機械足上各關節(jié)電力推桿的伸縮實現(xiàn)整個機器人的移動，并且配合八個仿生機械足的協(xié)調(diào)進行有效越障，安裝于支架部上方的清障機械臂通過前方圓鋸及其自身的轉(zhuǎn)動與伸縮實現(xiàn)清障功能，清障過程中通過固定在支架部下方支承部的支撐保證更好的清障效果；位于支架部上方的監(jiān)測裝置通過自身的伸縮與旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)多方位的監(jiān)測功能，從而實現(xiàn)防火監(jiān)測。

4 總結(jié)與展望

八足森林防火監(jiān)測機器人通過八只仿生足協(xié)調(diào)配合移動實現(xiàn)在不同地形的行走，在行走過程中通過每個足的關節(jié)調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)其在各種地形的適應性，增加機器人的穩(wěn)定性，使機器人可以平穩(wěn)地通過各種障礙。機器人上端附一條清障吊臂，進一步輔助機器人的行進。機器人上方的無線集成傳感器，通過檢測一定范圍內(nèi)的溫濕度及煙霧濃度進行預判，做到在發(fā)生火情時及時報警，通過無線傳輸，將火點信息迅速準確反饋到控制臺，提高了火災檢測的精度和靈敏度，也為火災撲救節(jié)省了時間。

本文主要研究了八足森林防火機器人的機械結(jié)構(gòu)部分，其未來應向高階智能化發(fā)展，通過智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)更加靈活的行走，配合更加合適的監(jiān)測設備能達到更加精準的火災監(jiān)測效果。