灭火机械臂传动控制系统设计

沈大德，王 飞

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：沈大德（1990－），男，长安大学电子与控制工程学院研究生，交通运输工程专业。

王 飞（1991－），男，长安大学电子与控制工程学院研究生，控制理论与控制工程专业。

摘 要：为了减轻大型物流仓储、人口密集的商场、地下购物中心、地铁、隧道等发生火灾酿成的后果，本文基于以预防为主的火灾防治原则，提出了带有烟雾、温湿度传感器和CCD摄像头的灭火机械臂传动控制系统。研究了环境中不同烟雾浓度、温湿度情况下火灾险情的预警和联动处理。结果表明：基于STM32F103的单片控制器一旦检测值超过设定的阈值范围，就会产生警报，并上传危险所在场所的视频情况到基于Lab VIEW12．0上位机环境，上位机管理处会给出坐标指导灭火机械臂向火灾危险处喷洒灭火物质，实现火灾初期的预警和防治。

关键词：灭火；传感器；机械臂；Lab VIEW

Abstract：Faced high－density material storage，especially in large－scale logistics，warehousing，densely populated shopping malls，underground shopping malls，subways，tunnels，etc．．In the case of fire will lead to disastrous consequences．On the principle of focusing on fire prevention and controling．Based on mentioned above，this paper presents a fire fighting robotic arm system with a fire smoke sensor，temperature and humidity sensors and CCD cameras．In the environment of fire danger ，different concentrations of smoke，different conditions of temperature and humidity，studied the processing of warning and linkage．The research showed that：via the continuous testing of STM32F103microcontroller single chip，once values more than what set threshold，it will generate alarm，and upload video of danger place situation to the PC which based on Lab－VIEW，and PC will guided robotic to put it out．

Key words：Put out a fire；Sensors；Robotic arm；Lab VIEW

1 前言

高危火灾现场一般伴随有浓烟和明火，甚至于有毒气体的排放。消防员很难对这种火灾现场实施高效的人工救援，所以我们在必要的时刻需要一种自动化的灭火装置。对灭火机械手臂的合理控制，可以代替人工喷洒灭火物质、传送火灾现场图像、检测有毒气体等。这对改善火灾救援有着重要的意义。机械手臂的发展源于国内外对机器人技术的研究。机械臂作为机器人的一个重要执行机构，在灾害援救，水底探测等诸多领域得到了广泛的应用。它能够模仿人体上肢的部分运动与功能，按照预定要求操作自动化设备，提高生产效率。通过对倒挂式六自由度机械臂的末端执行机构精确定位，可以实现火灾现场高效合理的火灾防治。

2 机械臂空间模型

控制系统是通过对机械臂每个自由度的电机控制，来完成特定转角。同时接收角度传感器反馈的位置信息，形成稳定的闭环控制，实现转角精确。

本文所采用的机械臂为六自由度机械手臂［1］，将采用倒挂式结构，如图1所示。从上往下定义为自由度1至自由度6。其中自由度6是手抓的张合［2］、自由度5是手抓的旋转、自由度4是腕关节提升、自由度3是肘关节提升、自由度2是肩关节提升和自由度1手臂的空间旋转。

2．1 机械臂空间模型的建立

利用D－H法建立机械臂的连杆坐标系。各坐标系坐标轴的定义原则是：Z轴为舵机转动轴所在轴线并由齿轮边指向对侧固定边，XY轴构成的平面为舵机后续连接件的转动平面［1］。由于机械臂各关节运动空间对可达区域的贡献不一样，特别地，对自由度5和自由度6并不对机械臂可达区域产生实质性影响。事实上，自由度1、自由度2、自由度3和自由度4正是为自由度5和自由度6服务的。由此，在倒挂式机械臂的建模中，本章将着重对自由度1、自由度2、自由度3和自由度4的坐标系进行定义。如图2所示：

图1 机械臂全景

图2 机械臂关节的坐标系建立

机械臂结构参数定义规则如下：对第i（1，2， 3，4）段连杆长度为Li，即为D－H法ai；连杆上端活动角度αi，即从Zi－1到Zi绕x轴旋转的角度；连杆所在关节角θi，即从xi－1到xi绕着z轴的角度；从xi－1到xi沿着z轴的连接杆测量距离为di［4］。

表1 机械臂1－4自由度连杆参数表

则有机械手臂位置方程为：

则机械臂手部位置的方程为：

2．2 机械臂工作空间分析

机械臂的工作空间是指机械臂运动过程中末端执行机构能够到达的所有空间区域［5］。工作空间的大小不仅与机械臂连杆尺寸有关，而且与它的整体结构有关。倒挂机械臂连杆机构模型建立如图3所示：

图3 平面连杆机构模型建立

根据模型可以得到倒挂式机械臂执行末端的坐标，它代表了机械臂在重力平面所能达到的工作空间。此坐标系建立的原则是，Z轴为倒挂机械臂自由下垂的竖直方向，X轴为倒挂机械臂横向方向。坐标系下各结构参数以及各关节角度范围分别为：

L2＝104mm

L3＝94．5mm 　（3）

L4＝148．9mm

则有：

通过MATLAB仿真倒挂式机械手臂在X－Z平面的工作空间。将各结构参数代入式（5），得到倒挂式机械臂末端执行机构在固定坐标系中的位置表达式PX、PZ。然后将其代入MATLAB中，利用随机抽样法在θ1、θ2、θ3的取值范围内随机抽取出10000组点的集合［6］，绘制出该倒挂式机械臂在重力平面的工作空间，如图4所示，其工作空间所能覆盖的范围满足了系统的要求［7］。

图4 倒挂机械臂工作空间

机械臂可达区域的仿真分析对机械臂运行轨迹规划具有一定的指导作用。机械臂的运行轨迹规划是根据作业任务的要求，计算预期的运动轨迹，求得解决方案的过程。机械臂的作业任务可以是某一具体任务，也可以是机械臂的某一个动作，甚至是关节的某一个特定的运动等。本章的建模一方面是对机械臂运动规律的整体剖析，另一方面对控制系统设计和控制算法的结构设计具有很强的理论支撑。

3 系统硬件部分

3．1 舵机及驱动控制

机械臂舵机的选择按照不同关节的不同需求而定。肘关节由于对执行终端负重贡献相对大，因此肘关节舵机每单位的扭力要更大。第一自由度对扭力要求并不大，但是它对旋转角度范围要求更大，一般舵机都是180°范围可调，对第一自由度可能就需要在270°范围可调［8］（目前市场上舵机中最大的可变角度）。

舵机控制信号为20ms左右的时基脉冲，即50 Hz方波信号。舵机控制部分为该脉冲的高电平在0．5～2．5ms范围内，方波信号的占空比范围在2． 5％～12．5％且转角与占空比呈线性变化。以180°角度伺服为例，对应的关系是如下图5所示：

本设计中考虑到应用的方便采用的是集成控制板如图6所示，只需要通过串口发送相关的控制指令就可以控制相关舵机以一定的速度转动相应角度，到达设定的位置。

专用舵机控制板是终端执行机构，只需要控制板通过串口给它发送指令即可执行舵机的运动。指令格式：

图5 脉冲信号占空比和舵机旋转角度的关系图

图6 专用舵机控制板

＃＜ch＞P＜pw＞S＜spd＞．．．＃＜ch＞P＜pw＞S＜spd＞T＜time＞＜cr＞

其中，＜ch＞ ＝舵机号，范围0—31（十进制）；

＜pw＞＝脉冲宽度（舵机位置），范围500－2500，单位us（微秒）；

＜spd＞＝移动速率，每秒移动脉脉冲宽度，单位us／s，针对一个舵机有效；

＜time＞＝移动到指定位置，使用的毫秒数，对所有的舵机有效，最大值65535ms；

＜cr＞＝ASCII 13，（回车），指令结束符。

单片机通过串口给控制板发送如上格式的指令，可以按条发，亦可以打包发送。一条指令可以执行一个舵机的运动，亦可以同时控制多个舵机的执行动作。舵机执行机构最终到达设定的位置并完成控制。

3．2 系统控制板

灭 火 机 械 臂 控 制 系 统 采 用 的 是STM32F103VET6核心控制板。它具有强大计算能力、低功耗和低成本的优势。并且，内部高度集成，且提供高质量的固件库，方便开发。向上通过串口向上位机服务器终端发送传感器采集的信息。向下可以发送带有位置信息的指令给舵机控制板，指导机械臂运动［9］。

3．3 控制系统外围设备

控制系统外围设备主要包含有温湿度传感器、烟雾传感器、角度传感器、摄像头和消防水枪等相关部分。如图7、图8所示：

图7 灭火机械臂控制系统

图8 角度传感器

由于灭火机械臂传动控制系统所涉及的是对火灾现场进行的自动灭火和实时感知现场存在的不可预料的隐患。设计采用了温湿度传感器STH11，用以感知区域温湿度，做到火灾前的预警，使火灾发生前和发生火灾的初期得到及时有效的处理；烟雾传感器MQ－2主要用来感知区域内可燃物燃烧初期的阴火引发的烟雾，和甲烷、液化气等可燃气体泄漏。角度传感器MMA7361是机械臂角度自校正的基础，为机械臂执行终端夹持器的精确定位提供了可靠依据。摄像头XBOX360用于拍摄火灾现场实况图像，并上传至监控中心，用以后台监控和火灾精确救援。消防水枪是机械臂終端加载的灭火设备，但并不局限于水枪，将针对具体场所的需要而配备，用以实施相关灭火。

4 控制系统设计

灭火机械臂控制系统设计所涉及的开发环境包括单片控制器开发环境keil uvision4和上位机开发环境Lab VIEW12．0。

4．1 Lab VIEW环境

如图9所示的Lab VIEW前面板窗口，前面板窗口是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板。图中所示的是灭火机械臂传动控制系统的在线仿真与模型参考平台的前面板，包含有3D虚拟动态图［10］、实时角度滑杆输入、舵机对应时基信号宽度、串口配置、串口发送接收区、系统模式设置、以及系统时间显示［3］。

图9 Lab VIEW前面板窗口部分

4．2 软件结构设计

在线仿真与模型参考平台通过串口和下位机连接，单片机再通过串口和舵机控制板连接，如图10所示：

系统的软件部分，主要涉及上位机与下位机之间的通信，下位机与控制器的数据交换。上位机平台的设置有舵机脉冲控制信号的宽度值和舵机到达指定位置的运行时间，通过串口将包含有上述值的指令发送给下位机STM32单片控制器，单片控制器接收到指令后通过处理和判断，来配置舵机指令，并使相应舵机运行到指定位置。当接收不到指令时，单片控制器还会不断进行传感器数据采集并时刻判断有无危险，一旦传感器采集到的烟雾数据或者温湿度值超过设定的阈值范围，将发送相关数据到缓冲区，并提示报警。此过程将持续执行，直至警报解除。如图11所示：

图10 系统结构框图

对于上位机软件的设计，主要涉及三维图片的建模和坐标的关联，以及串口的设置。上位机实现实时的读取串口消息和实时的发送参考模型设定的舵机动作值。由于上位机软件的并行特性，串口发送与接收和三维参考模型参数值的变化同步执行。

5 实验数据

系统所涉及的在线仿真与模型参考平台提供了手动和自动两种系统工作模式。在自动模式下，模型对舵机实时控制，一方面以3D画面展示舵机的运动，另一方面在显示舵机时基脉冲控制信号宽度的同时，通过串口发送区将运动指令发送给下位机单片控制器，单片控制器再将指令转换成舵机控制板的指令格式并指导舵机执行相应的动作，最后完成控制［11］。如图12在线仿真平台中，展示了机械臂角度设定值、转换的舵机控制信号宽度值、动作执行时间、指令代码等相关信息。

图11 下位机软件结构框图

如下表2、表3所示，展示了几组自动控制模式下指令的之间的异同。

图12 自动模式下对应的指令发送

表2 控制系统指令参数表

表3 控制系统指令参数表

表中展示的舵机号对应着机械臂自由度编号，角度值是针对参考模型的坐标所设定的角度，控制信号宽度是将角度值按照百分比转换成的舵机时基脉冲控制信号宽度，执行时间是舵机运行到指定位置所需的时间，指令代码则是上位机通过串口发送给单片控制器的指令，图示的3D机械臂参考模型是在线仿真平台在对应参数下的姿态［12］。上述是在自动模式下进行的一系列操作，如下图13所示为在手动模式下对应的指令发送。

图13 手动模式下对应的指令发送

6 结论

灭火机械臂传动控制系统设计所涉及的控制主要是通过特定的坐标输入让倒挂机械臂末端执行机构到达指定的位置。其中，特定的坐标是由仿真模型对应关节处关节（模拟舵机）转动角度值转换而来。同时这些角度值转换成的另一种形式是舵机控制信号——时基脉冲的宽度。灭火机械臂传动控制系统设计所涉及的传感器包含有烟雾传感器、温湿度传感器。角度传感器和CCD摄像头。通过不断的感知环境中的烟雾浓度、温湿度进行预报火灾和险情，当达到系统设定的阈值以后开始向上位机发送检测值并报警，上位机管理平台指导机械臂动作完成救援，直至警报解除。

灭火机械臂传动控制系统为未来火灾预报和救援方面提供了更加安全可靠的解决方案，能够避免消防员在未知火灾环境做出的牺牲，并能够在发生火灾以后为有关部门组织和领导救援工作、降低伤亡、减少损失做出重要贡献。

参考文献

［1］ 许庆．六自由度串联机械臂结构优化与控制特性的研究［D］．安徽工程大学，2011．

［2］ 徐建萍．夹具控制系统的设计与实现［D］．苏州大学，2010．

［3］ 闫婉．新型移动机器人系统设计与研究［D］．上海交通大学，2011．

［4］ 焦保存．基于四自由度机械臂控制系统的设计与研究［D］．西安电子科技大学，2009．

［5］ 刘领化．三维空间机械臂路径规划及减振运动控制［D］．湖南工业大学，2013．

［6］ 刘金琨．机器人控制系统的设计与MATLAB仿真［M］．北京：清华大学出版社，2008：34－41．

［7］ 曲丽荣．Lab VIEW、MATLAB及其混合编程技术［M］．北京：机械工业出版社，2011：37－48．

［8］ 邢葆轶．基于QNX的七自由度机械臂控制系统设计［D］．沈阳理工大学，2013．

［9］ 刘金琨．智能控制（第2版）［M］．北京：电子工业出版社，2009：45－57．

［10］刘晓坤．基于视觉的机械臂控制技术研究［D］．哈尔滨工程大学，2013．

［11］杨乐平．Lab VIEW高级程序设计［M］．北京：清华大学出版社，2003：55－68．

［12］雷振山．Lab VIEW 7EXPRESS实用技术教程［M］．北京：中国铁道出版社，2004：97－106．