立木攀爬机器人抱树机构的设计与分析*

邹万勇，董雪丰，胡程祥，唐伟国

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

为提高作业效率、减小人工成本，林业机械正向着自动化、智能化的方向发展[1]。仿生学的应用促进了攀爬机器人的发展，在垂直的表面上爬行，攀爬机器人采用多种夹具保持稳定和机动，例如轮子、腿、真空吸盘、负压、磁力(包括永久磁铁和电磁铁)和弹性体胶粘剂等[2]。立木攀爬机器人，可用于经济林病虫害检测以及森林检测，取代了人类的工作，确保了工人的安全，尤其在森林检测方面，比无人机更加经济，弥补了无人机只能短时监测和短距离监测的缺点。为了克服现阶段机器人攀爬竹竿等径级小、质量轻的林类植物的缺点，攀爬的夹具多采用爪式结构，其结构复杂，所用电机较多[3]。为此，本文在杆件学的基础上设计出一种立木攀爬机器人的抱树机构，该机构虽然也采用爪式构型，但原理简单，小巧轻便，制造成本低，且能够满足攀爬机器人攀爬多种径级树木的要求。

1 立木攀爬机器人原理设计

立木攀爬机器人的机械结构主要由抱树机构、爬升机构、作业机构和传动机构四部分组成，其中抱树机构是机器人稳定在树上攀爬的关键机构，若夹紧力不够，则会导致机器人跌落，无法完成攀爬，更别说进行作业。因为不同品种的树，其表面粗糙度、硬度都不尽相同。要使机器人适应不同的环境，甚至在携带一定负载的情况下都可以平稳行走，必须设计出可靠且可人为调控的抱树机构。平面连杆机构可以实现多种运动规律，本文基于杆件学的基础，设计出一种新型的抱树机构，其机构原理图如图1所示。

如图1所示，驱动滑块1具有一个移动副，活动构件2与4、3与5左右对称，计算自由度时可以只计算一边，滑块2处存在左右运动的移动副，同时滑块2和执行杆件3通过铰接点A铰接，构成一个转动副，执行杆件3上有转动副铰点B。经以上分析，该连杆机构中，排除对称机构，活动构件为3个，移动副有2个，转动副有2个，没有运动高副。

根据自由度计算公式：

F=3N-2P-H.

(1)

其中：F为自由度数；N为活动构件数，N=3；P为运动低副数，P=4；H为运动高副数，H=0。经计算F=1，因此，该机构的自由度数目满足设计要求。

在抱树机构的实际设计中，采用两套如图1所示的连杆机构，并通过共用一个驱动滑块将其连接起来。驱动滑块1采用直线电机驱动。抱树机构在SolidWorks 2014中的三维造型如图2所示。

1-驱动滑块；2，4-滑块；3，5-执行杆件

图1抱树机构原理示意图图2抱树机构三维造型

2 结构改进

在实验样机的制造过程中，发现抱树机构中的滑块2、4由于其自身以及与之相连的杆件3和5存在重力作用，滑块与轨道间容易出现装配误差所带来的间隙，导致机构运行不稳定。为了既能使制造出的实验机满足功能需要，又能简化制造过程，节约制作成本，本文针对图1所示机构原理图进行改进，改进后的抱树机构原理示意图如图3所示。

如图3所示，在原有设计的基础上增加了弹簧6和8，由于有弹簧力的存在，使得杆件3和5会分别绕着铰接点B和D做微量转动，这样就克服了滑块2和4的重力作用，使得滑块2、4能够贴紧轨道，避免了采用更加复杂和精密的滑块机构设计，简化了滑块2、4的结构，节约了加工制造成本。在实际运行过程中，由于有弹簧弹力的作用，使得滑块能够与运行轨道贴紧，解决了影响机构稳定运行的间隙问题。改进后的抱树机构实物如图4所示。

6，8-弹簧；7-弹簧座

3 物理样机实验

为了验证立木攀爬机器人抱树机构的可行性，本文针对样机开展了实验，实验中使用的设备有立木攀爬机器人装置、电脑、插线板、控制板和电源等。实验中，通过控制电机运行观察抱树机构在攀爬过程中的功能实现情况，图5为实验过程中攀爬机器人爬树效果图。从图5中可以看出：抱树机构能够在攀爬的过程中抱住树木，不至于使机器人坠落，满足了设计要求。

4 结论

通过对抱树机构进行原理设计，建立了抱树机构的三维模型，结合实际制造过程中遇到的问题，又提出了机构的改进方案，最后通过实验，验证了本文所设计的抱树机构能够满足攀爬机器人的攀爬要求，且本结构的完成为立木攀爬机器人更进一步地研究提供了结构基础。

图4改进后的抱树机构实物图图5抱树机构效果图