负重爬树机器人设计及有限元分析

张连滨，鲁守银，曹正彬，刘传泽，周玉成

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101）

负重爬树机器人设计及有限元分析

张连滨，鲁守银，曹正彬，刘传泽，周玉成

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101）

针对农林业领域复杂的树木检测环境，设计一种仿蠕虫爬行负重爬树机器人。通过提升机构的伸缩运动改变自身形态，以实现对树干的竖直攀爬运动；通过夹紧机构中推杆的伸缩，控制各夹紧机构对树干的夹持力；同时，对机器人在不同直径或倾斜度的树木攀爬时进行静力学分析，使机器人可根据得到的夹紧力范围自适应调节，提高机器人攀爬的稳定性和运动的灵活性。最后，通过ANSYS软件对机器人的机械结构进行有限元分析验证。结果表明，所设计的负重机器人携带检测设备爬树时，机器人总变形量最大值为5.24mm，符合结构安全性要求，且承载最大应力为100Mpa，符合机器人所选材料安全性要求，进而验证了机构设计的合理性。

负重爬树机器人；提升机构；夹紧机构；有限元分析

0 引言

爬树机器人作为高空环境下工作的特种机器人，已广泛应用于林业、农业、古建筑等领域，代替人类完成无损检测、监控观察、维修检测等工作[1～4]。目前，爬树机器人主要采用机械手臂环抱、吸附或夹持被攀爬物的方式，完成承载设备稳定攀爬的动作。所以攀爬机器人普遍具备移动能力、吸附能力和承载能力，承载能力是攀爬机器人的必要条件，也是目前国内外的研究重点[5]。

国外对爬树机器人的研究很多，如日本早稻田大学研制WOODY-1 爬树机器人，该机器人通过两个环形夹持器的交替运动使得机器人沿着树干上下移动[6]。由于机器人过于笨重且体型庞大极易对树木造成损伤。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli等[7]成功研制出了一款爬树机器人3D Climber，机器人由一个4自由度的串联攀爬机构和二个夹持机构组成，通过电机驱动实现夹持动作。国内香港中文大学Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[8]研发了一种小巧的爬树机器人Treebot，该机器人具有较高的自由度和优越的扩展能力，同时还配备全方位的树木夹持器，使机器人粘附于不同直径的树木，适应复杂的攀爬环境。但以上机器人载重能力较小，有的几乎不能承载重物，满足不了携带设备攀爬的需求。

本文提出团队开发的负重爬树机器人，既可通过提升机构的伸缩动作实现对树干的竖直攀爬运动，又可通过夹紧机构中推杆电机的伸缩，控制各夹紧机构对树干的夹持力；通过对机器人进行建模和有限元分析，验证设计的合理性。所设计的机器人可携带检测树木内部结构的仪器完成载物攀爬工作，对于古木建筑（如故宫、布达拉宫）的无损检测、农林业领域复杂的树木检测等具有重要意义。

1 负重爬树机器人简介

1.1 机器人总体结构

图1为本文研发的负重爬树机器人总体结构图。所设计的攀爬机器人采用可拆分半圆对称结构，主要包括主体、副体、连接体和旋转体。

图1 爬树机器人机械结构图

主体上装备夹紧装置，副体上装备加紧装置和提升装置。夹紧装置由四组结构和尺寸完全相同的驱动单元构成，每个驱动单元可独立控制，完成夹紧或放松树干动作。提升装置由三组结构和尺寸完全相同的独立驱动单元构成，每个驱动单元包括电机、升降机、伸缩杆和位移传感器。旋转检测装置携带树木检测装置完成载物和检测功能。

1.2 机器人工作原理

负重攀爬机器人爬树过程可分为四个阶段。在树下安装机器人，使其中轴线和树木中轴线重合，并做好攀爬前的准备工作。第一阶段启动夹紧装置，主体夹紧装置推杆向机器人中轴线方向前进，直至夹紧树干，副体夹紧装置推杆向外移动，完成放松动作。第二阶段启动提升装置，主体稳固不动，副体缓慢上升，主副体之间位移减小，达到设定值后提升装置停止，副体夹紧装置启动，机器人固定于树干上。第三阶段主体夹紧装置启动，推杆向外移动放松树干，直至压板触碰后光电限位开关，推杆停止运动，完成主体放松动作。第四阶段提升装置启动，主副体间推杆长度增加，副体夹紧树干不动，主体上升至设定值后停止运动，夹紧装置启动夹紧树干。至此机器人完成一次攀爬运动，之后重复此过程可继续向上攀爬。攀爬过程中，夹紧装置压板表面硫化橡胶垫，橡胶垫和树木表面接触，起到减震和防止滑动的效果，确保机器人在攀爬过程中稳稳抓住树干，进而提高机器人运动稳定性。

2 负重爬树机器人设计及分析

2.1 夹紧机构的设计

树木由树根、树干和树冠构成，而树干并非规则圆柱体。因此机器人在沿树干上下攀爬过程中，一方面要通过结构优化，最大程度降低并均匀分布机器人自身重量。另一方面，夹紧装置必须提供足够大的夹持力，保证机器人在攀爬过程中不会向下滑动或跌落[9]。

爬树机器人夹紧机构主要由夹紧电机、推杆、压板组成。推杆带有T型螺纹，以保证在夹紧状态下推杆不会后退。压板为运动部件，黏贴厚度为4mm的硫化橡胶垫增大摩擦力，吸收机器人夹紧树干时产生的冲击和震动。同时在压板上安装压力传感器，机器人可通过夹紧装置中推杆电机的伸缩和压力传感器的作用，控制各夹紧机构对树干的夹持力。图2为夹紧装置装配在攀爬机器人主体上的照片，四组夹紧装置驱动单元围绕主体的中心轴线均匀分布，相互之间夹角相等均为90°，推杆垂直与主体中心轴线，沿水平方向前后运动，完成夹紧树干和放松树干的动作。

图2 爬树机器人夹紧机构图

2.2 提升机构的设计

连接体由三个电动升降机构成，三个升降机的两端分别垂直连接到主体、副体的两个圆形框架平面上，且成120°均匀分布，可实现对副体的顶升和主体的提拉。

图3 爬树机器人提升机构图

为了保证提升机构的顶升、提拉力度，选用德州启泰机械设备有限公司订制提升电机，其水平关节行程200mm，最大输出力8000N，减速比为16:1，垂直关节行程400mm，最大输出力2000N，减速比为4:1，均为铝合金外壳加镀膜（银白色），重量约为5kg。

2.3 爬树机器人静态分析

图4 主体静态分析

为方便说明，本文以副体为例来进行受力分析。如图4所示，假设树干与地面的夹角为θ，夹紧机构推杆垂直与树干中轴线方向，压板与树干表面之间的摩擦因数为μ，机器人在攀爬过程中主体受力情况如图4所示。G0为机器人本体及负载重量分量；F1、F3分别为1、3号电机推杆前进驱动力，它是电机驱动升降机产生的推力；f为沿树干方向向上的力；根据受力平衡原理分析，1、3号推杆对树干夹持力大小相等为F。

由以上分析可知：在夹持力F固定的条件下，最小推杆前进驱动力只与摩擦因数μ、机器人本体及负载重力分量G0、树干与地面间夹角θ有关。重力分量G0、夹角θ与推杆驱动力成正比，摩擦因数μ与推杆驱动力成反比。因此，应尽可能减小机器人自身重量，选择摩擦因数大的材料。

当θ=90°时，树干与地面垂直：

当夹角为θ固定条件下，机器人静止时有下滑趋势，要满足夹紧条件使机器人不下滑，应满足：

橡胶与木材的摩擦因数µ=0.6-0.8[10]，机器人自身质量约100kg，根据式(1)、式(2)可设置合理的夹紧力度，防止机器人下滑，进而保证机器人负重攀爬的稳定性。

3 机器人有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立负重爬树机器人的实体，即图1所示的机器人机械图，然后保存为Parasolid格式，将模型导入到ANSYS Workbench中。建模采用国际单位制。在机器人爬树过程中，主体夹紧树干或者副体夹紧，所受的负载一样，都是爬树过程中最大的，选取机器人副体夹紧时的情况作为分析对象。

3.2 网格划分和参数设置

建立有限元模型时，整体框架装置材料采用304不锈钢，其弹性模量为194GPa，泊松比0.3，密度7.93g/cm3。接触面选用Bonded和No Separation，根据参数设置将实体转化为有限元模型，采用自由网格形式进行划分。

根据负重机器人的设计要求，系统的承载能力为200kg，如图5所示，在木桩底端施加固定支撑（图中A处），对装置加载2000N竖直向下的载荷（图中B处）。

图5 施加作用力图

3.3 结果分析

根据所建立的有限元模型，进行强度计算[11]，得到负重机器人的总变形图和应力图，如图6所示。

图6 负重机器人静力分析结果

1）结构安全性评价

从图6(a)可以看出，机器人最大变形处发生在发射器和液压系统下面的旋转支撑架，其旋转平台支架材料是304不锈钢，最大变形△l=5.24mm，其弹性模量E=194GPa，连杆长度为300mm，则应变为：

在弹性阶段可承受的最大形变：

由以上结果知，弹性阶段最大形变6.79mm大于5.24 mm，所以应变符合要求。

2）材料安全性评价

从图6(b)可以看出，机器人最大应力为100MPa，发生在支撑发射器和液压系统的三脚架处。三脚架处采用304不锈钢材料，其许应力为137Mpa，大于机器人最大应力100MPa，所以材料符合安全性要求。

4 结论

本文提出了一种具有负重攀爬能力的爬树机器人，并从机械结构、工作原理、静力学分析和有限元分析验证四个方面对机器人的实现做了详尽的分析。所设计的夹紧机构和提升机构可以使机器人很好地实现在不同直径的树干向上向下攀爬；具有自适应调节能力的夹紧机构在爬杆时可以自行调节控制机器人对树干表面的夹持力要求。经有限元分析验证，所设计的爬树机器人结构和材料均符合安全性要求；所设计的爬树机器人可应用于活立木、古建筑的无损检测工作。同时，该设计是针对农林业领域而展开的攀爬机器人研究方面较好的应用，为将来攀爬机器人走上产业化的发展有重要的意义。

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Design and finite element analysis of load climbing robot

ZHANG Lian-bin, LU Shou-yin, CAO Zheng-bin, LIU Chuan-ze, ZHOU Yu-cheng

TP242

：A

1009-0134(2017)07-0069-04

2017-04-24

山东省泰山学者优势特色学科人才团队支持计划（2015162）；国家自然科学基金项目（6140021031）；博士基金：基于X射线的木结构建筑用材无损检测系统研究（XNBS1622）

张连滨（1991 -），男，山东肥城人，硕士研究生，研究方向为智能控制与机器人系统。