鄒萬(wàn)勇，董雪豐，胡程祥，唐偉國(guó)

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

為提高作業(yè)效率、減小人工成本，林業(yè)機(jī)械正向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展[1]。仿生學(xué)的應(yīng)用促進(jìn)了攀爬機(jī)器人的發(fā)展，在垂直的表面上爬行，攀爬機(jī)器人采用多種夾具保持穩(wěn)定和機(jī)動(dòng)，例如輪子、腿、真空吸盤(pán)、負(fù)壓、磁力(包括永久磁鐵和電磁鐵)和彈性體膠粘劑等[2]。立木攀爬機(jī)器人，可用于經(jīng)濟(jì)林病蟲(chóng)害檢測(cè)以及森林檢測(cè)，取代了人類的工作，確保了工人的安全，尤其在森林檢測(cè)方面，比無(wú)人機(jī)更加經(jīng)濟(jì)，彌補(bǔ)了無(wú)人機(jī)只能短時(shí)監(jiān)測(cè)和短距離監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。為了克服現(xiàn)階段機(jī)器人攀爬竹竿等徑級(jí)小、質(zhì)量輕的林類植物的缺點(diǎn)，攀爬的夾具多采用爪式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用電機(jī)較多[3]。為此，本文在桿件學(xué)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種立木攀爬機(jī)器人的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)雖然也采用爪式構(gòu)型，但原理簡(jiǎn)單，小巧輕便，制造成本低，且能夠滿足攀爬機(jī)器人攀爬多種徑級(jí)樹(shù)木的要求。

1 立木攀爬機(jī)器人原理設(shè)計(jì)

立木攀爬機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由抱樹(shù)機(jī)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)、作業(yè)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四部分組成，其中抱樹(shù)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人穩(wěn)定在樹(shù)上攀爬的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，若夾緊力不夠，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人跌落，無(wú)法完成攀爬，更別說(shuō)進(jìn)行作業(yè)。因?yàn)椴煌贩N的樹(shù)，其表面粗糙度、硬度都不盡相同。要使機(jī)器人適應(yīng)不同的環(huán)境，甚至在攜帶一定負(fù)載的情況下都可以平穩(wěn)行走，必須設(shè)計(jì)出可靠且可人為調(diào)控的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文基于桿件學(xué)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種新型的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示。

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)滑塊1具有一個(gè)移動(dòng)副，活動(dòng)構(gòu)件2與4、3與5左右對(duì)稱，計(jì)算自由度時(shí)可以只計(jì)算一邊，滑塊2處存在左右運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副，同時(shí)滑塊2和執(zhí)行桿件3通過(guò)鉸接點(diǎn)A鉸接，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，執(zhí)行桿件3上有轉(zhuǎn)動(dòng)副鉸點(diǎn)B。經(jīng)以上分析，該連桿機(jī)構(gòu)中，排除對(duì)稱機(jī)構(gòu)，活動(dòng)構(gòu)件為3個(gè)，移動(dòng)副有2個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)副有2個(gè)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)高副。

根據(jù)自由度計(jì)算公式：

F=3N-2P-H.

(1)

其中：F為自由度數(shù)；N為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，N=3；P為運(yùn)動(dòng)低副數(shù)，P=4；H為運(yùn)動(dòng)高副數(shù)，H=0。經(jīng)計(jì)算F=1，因此，該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目滿足設(shè)計(jì)要求。

在抱樹(shù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用兩套如圖1所示的連桿機(jī)構(gòu)，并通過(guò)共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)滑塊將其連接起來(lái)。驅(qū)動(dòng)滑塊1采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。抱樹(shù)機(jī)構(gòu)在SolidWorks 2014中的三維造型如圖2所示。

1-驅(qū)動(dòng)滑塊；2，4-滑塊；3，5-執(zhí)行桿件

圖1抱樹(shù)機(jī)構(gòu)原理示意圖圖2抱樹(shù)機(jī)構(gòu)三維造型

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制造過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)抱樹(shù)機(jī)構(gòu)中的滑塊2、4由于其自身以及與之相連的桿件3和5存在重力作用，滑塊與軌道間容易出現(xiàn)裝配誤差所帶來(lái)的間隙，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)定。為了既能使制造出的實(shí)驗(yàn)機(jī)滿足功能需要，又能簡(jiǎn)化制造過(guò)程，節(jié)約制作成本，本文針對(duì)圖1所示機(jī)構(gòu)原理圖進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖3所示。

如圖3所示，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了彈簧6和8，由于有彈簧力的存在，使得桿件3和5會(huì)分別繞著鉸接點(diǎn)B和D做微量轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就克服了滑塊2和4的重力作用，使得滑塊2、4能夠貼緊軌道，避免了采用更加復(fù)雜和精密的滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了滑塊2、4的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了加工制造成本。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于有彈簧彈力的作用，使得滑塊能夠與運(yùn)行軌道貼緊，解決了影響機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的間隙問(wèn)題。改進(jìn)后的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖4所示。

6，8-彈簧；7-彈簧座

3 物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證立木攀爬機(jī)器人抱樹(shù)機(jī)構(gòu)的可行性，本文針對(duì)樣機(jī)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備有立木攀爬機(jī)器人裝置、電腦、插線板、控制板和電源等。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)行觀察抱樹(shù)機(jī)構(gòu)在攀爬過(guò)程中的功能實(shí)現(xiàn)情況，圖5為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中攀爬機(jī)器人爬樹(shù)效果圖。從圖5中可以看出：抱樹(shù)機(jī)構(gòu)能夠在攀爬的過(guò)程中抱住樹(shù)木，不至于使機(jī)器人墜落，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抱樹(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，建立了抱樹(shù)機(jī)構(gòu)的三維模型，結(jié)合實(shí)際制造過(guò)程中遇到的問(wèn)題，又提出了機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)能夠滿足攀爬機(jī)器人的攀爬要求，且本結(jié)構(gòu)的完成為立木攀爬機(jī)器人更進(jìn)一步地研究提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖4改進(jìn)后的抱樹(shù)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖圖5抱樹(shù)機(jī)構(gòu)效果圖