負重爬樹機器人設計及有限元分析

張連濱，魯守銀，曹正彬，劉傳澤，周玉成

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

負重爬樹機器人設計及有限元分析

張連濱，魯守銀，曹正彬，劉傳澤，周玉成

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

針對農林業領域復雜的樹木檢測環境，設計一種仿蠕蟲爬行負重爬樹機器人。通過提升機構的伸縮運動改變自身形態，以實現對樹干的豎直攀爬運動；通過夾緊機構中推桿的伸縮，控制各夾緊機構對樹干的夾持力；同時，對機器人在不同直徑或傾斜度的樹木攀爬時進行靜力學分析，使機器人可根據得到的夾緊力范圍自適應調節，提高機器人攀爬的穩定性和運動的靈活性。最后，通過ANSYS軟件對機器人的機械結構進行有限元分析驗證。結果表明，所設計的負重機器人攜帶檢測設備爬樹時，機器人總變形量最大值為5.24mm，符合結構安全性要求，且承載最大應力為100Mpa，符合機器人所選材料安全性要求，進而驗證了機構設計的合理性。

負重爬樹機器人；提升機構；夾緊機構；有限元分析

0 引言

爬樹機器人作為高空環境下工作的特種機器人，已廣泛應用于林業、農業、古建筑等領域，代替人類完成無損檢測、監控觀察、維修檢測等工作[1～4]。目前，爬樹機器人主要采用機械手臂環抱、吸附或夾持被攀爬物的方式，完成承載設備穩定攀爬的動作。所以攀爬機器人普遍具備移動能力、吸附能力和承載能力，承載能力是攀爬機器人的必要條件，也是目前國內外的研究重點[5]。

國外對爬樹機器人的研究很多，如日本早稻田大學研制WOODY-1 爬樹機器人，該機器人通過兩個環形夾持器的交替運動使得機器人沿著樹干上下移動[6]。由于機器人過于笨重且體型龐大極易對樹木造成損傷。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli等[7]成功研制出了一款爬樹機器人3D Climber，機器人由一個4自由度的串聯攀爬機構和二個夾持機構組成，通過電機驅動實現夾持動作。國內香港中文大學Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[8]研發了一種小巧的爬樹機器人Treebot，該機器人具有較高的自由度和優越的擴展能力，同時還配備全方位的樹木夾持器，使機器人粘附于不同直徑的樹木，適應復雜的攀爬環境。但以上機器人載重能力較小，有的幾乎不能承載重物，滿足不了攜帶設備攀爬的需求。

本文提出團隊開發的負重爬樹機器人，既可通過提升機構的伸縮動作實現對樹干的豎直攀爬運動，又可通過夾緊機構中推桿電機的伸縮，控制各夾緊機構對樹干的夾持力；通過對機器人進行建模和有限元分析，驗證設計的合理性。所設計的機器人可攜帶檢測樹木內部結構的儀器完成載物攀爬工作，對于古木建筑（如故宮、布達拉宮）的無損檢測、農林業領域復雜的樹木檢測等具有重要意義。

1 負重爬樹機器人簡介

1.1 機器人總體結構

圖1為本文研發的負重爬樹機器人總體結構圖。所設計的攀爬機器人采用可拆分半圓對稱結構，主要包括主體、副體、連接體和旋轉體。

圖1 爬樹機器人機械結構圖

主體上裝備夾緊裝置，副體上裝備加緊裝置和提升裝置。夾緊裝置由四組結構和尺寸完全相同的驅動單元構成，每個驅動單元可獨立控制，完成夾緊或放松樹干動作。提升裝置由三組結構和尺寸完全相同的獨立驅動單元構成，每個驅動單元包括電機、升降機、伸縮桿和位移傳感器。旋轉檢測裝置攜帶樹木檢測裝置完成載物和檢測功能。

1.2 機器人工作原理

負重攀爬機器人爬樹過程可分為四個階段。在樹下安裝機器人，使其中軸線和樹木中軸線重合，并做好攀爬前的準備工作。第一階段啟動夾緊裝置，主體夾緊裝置推桿向機器人中軸線方向前進，直至夾緊樹干，副體夾緊裝置推桿向外移動，完成放松動作。第二階段啟動提升裝置，主體穩固不動，副體緩慢上升，主副體之間位移減小，達到設定值后提升裝置停止，副體夾緊裝置啟動，機器人固定于樹干上。第三階段主體夾緊裝置啟動，推桿向外移動放松樹干，直至壓板觸碰后光電限位開關，推桿停止運動，完成主體放松動作。第四階段提升裝置啟動，主副體間推桿長度增加，副體夾緊樹干不動，主體上升至設定值后停止運動，夾緊裝置啟動夾緊樹干。至此機器人完成一次攀爬運動，之后重復此過程可繼續向上攀爬。攀爬過程中，夾緊裝置壓板表面硫化橡膠墊，橡膠墊和樹木表面接觸，起到減震和防止滑動的效果，確保機器人在攀爬過程中穩穩抓住樹干，進而提高機器人運動穩定性。

2 負重爬樹機器人設計及分析

2.1 夾緊機構的設計

樹木由樹根、樹干和樹冠構成，而樹干并非規則圓柱體。因此機器人在沿樹干上下攀爬過程中，一方面要通過結構優化，最大程度降低并均勻分布機器人自身重量。另一方面，夾緊裝置必須提供足夠大的夾持力，保證機器人在攀爬過程中不會向下滑動或跌落[9]。

爬樹機器人夾緊機構主要由夾緊電機、推桿、壓板組成。推桿帶有T型螺紋，以保證在夾緊狀態下推桿不會后退。壓板為運動部件，黏貼厚度為4mm的硫化橡膠墊增大摩擦力，吸收機器人夾緊樹干時產生的沖擊和震動。同時在壓板上安裝壓力傳感器，機器人可通過夾緊裝置中推桿電機的伸縮和壓力傳感器的作用，控制各夾緊機構對樹干的夾持力。圖2為夾緊裝置裝配在攀爬機器人主體上的照片，四組夾緊裝置驅動單元圍繞主體的中心軸線均勻分布，相互之間夾角相等均為90°，推桿垂直與主體中心軸線，沿水平方向前后運動，完成夾緊樹干和放松樹干的動作。

圖2 爬樹機器人夾緊機構圖

2.2 提升機構的設計

連接體由三個電動升降機構成，三個升降機的兩端分別垂直連接到主體、副體的兩個圓形框架平面上，且成120°均勻分布，可實現對副體的頂升和主體的提拉。

圖3 爬樹機器人提升機構圖

為了保證提升機構的頂升、提拉力度，選用德州啟泰機械設備有限公司訂制提升電機，其水平關節行程200mm，最大輸出力8000N，減速比為16:1，垂直關節行程400mm，最大輸出力2000N，減速比為4:1，均為鋁合金外殼加鍍膜（銀白色），重量約為5kg。

2.3 爬樹機器人靜態分析

圖4 主體靜態分析

為方便說明，本文以副體為例來進行受力分析。如圖4所示，假設樹干與地面的夾角為θ，夾緊機構推桿垂直與樹干中軸線方向，壓板與樹干表面之間的摩擦因數為μ，機器人在攀爬過程中主體受力情況如圖4所示。G0為機器人本體及負載重量分量；F1、F3分別為1、3號電機推桿前進驅動力，它是電機驅動升降機產生的推力；f為沿樹干方向向上的力；根據受力平衡原理分析，1、3號推桿對樹干夾持力大小相等為F。

由以上分析可知：在夾持力F固定的條件下，最小推桿前進驅動力只與摩擦因數μ、機器人本體及負載重力分量G0、樹干與地面間夾角θ有關。重力分量G0、夾角θ與推桿驅動力成正比，摩擦因數μ與推桿驅動力成反比。因此，應盡可能減小機器人自身重量，選擇摩擦因數大的材料。

當θ=90°時，樹干與地面垂直：

當夾角為θ固定條件下，機器人靜止時有下滑趨勢，要滿足夾緊條件使機器人不下滑，應滿足：

橡膠與木材的摩擦因數μ=0.6-0.8[10]，機器人自身質量約100kg，根據式(1)、式(2)可設置合理的夾緊力度，防止機器人下滑，進而保證機器人負重攀爬的穩定性。

3 機器人有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立負重爬樹機器人的實體，即圖1所示的機器人機械圖，然后保存為Parasolid格式，將模型導入到ANSYS Workbench中。建模采用國際單位制。在機器人爬樹過程中，主體夾緊樹干或者副體夾緊，所受的負載一樣，都是爬樹過程中最大的，選取機器人副體夾緊時的情況作為分析對象。

3.2 網格劃分和參數設置

建立有限元模型時，整體框架裝置材料采用304不銹鋼，其彈性模量為194GPa，泊松比0.3，密度7.93g/cm3。接觸面選用Bonded和No Separation，根據參數設置將實體轉化為有限元模型，采用自由網格形式進行劃分。

根據負重機器人的設計要求，系統的承載能力為200kg，如圖5所示，在木樁底端施加固定支撐（圖中A處），對裝置加載2000N豎直向下的載荷（圖中B處）。

圖5 施加作用力圖

3.3 結果分析

根據所建立的有限元模型，進行強度計算[11]，得到負重機器人的總變形圖和應力圖，如圖6所示。

圖6 負重機器人靜力分析結果

1）結構安全性評價

從圖6(a)可以看出，機器人最大變形處發生在發射器和液壓系統下面的旋轉支撐架，其旋轉平臺支架材料是304不銹鋼，最大變形△l=5.24mm，其彈性模量E=194GPa，連桿長度為300mm，則應變為：

在彈性階段可承受的最大形變：

由以上結果知，彈性階段最大形變6.79mm大于5.24 mm，所以應變符合要求。

2）材料安全性評價

從圖6(b)可以看出，機器人最大應力為100MPa，發生在支撐發射器和液壓系統的三腳架處。三腳架處采用304不銹鋼材料，其許應力為137Mpa，大于機器人最大應力100MPa，所以材料符合安全性要求。

4 結論

本文提出了一種具有負重攀爬能力的爬樹機器人，并從機械結構、工作原理、靜力學分析和有限元分析驗證四個方面對機器人的實現做了詳盡的分析。所設計的夾緊機構和提升機構可以使機器人很好地實現在不同直徑的樹干向上向下攀爬；具有自適應調節能力的夾緊機構在爬桿時可以自行調節控制機器人對樹干表面的夾持力要求。經有限元分析驗證，所設計的爬樹機器人結構和材料均符合安全性要求；所設計的爬樹機器人可應用于活立木、古建筑的無損檢測工作。同時，該設計是針對農林業領域而展開的攀爬機器人研究方面較好的應用，為將來攀爬機器人走上產業化的發展有重要的意義。

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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

山東省泰山學者優勢特色學科人才團隊支持計劃（2015162）；國家自然科學基金項目（6140021031）；博士基金：基于X射線的木結構建筑用材無損檢測系統研究（XNBS1622）

張連濱（1991 -），男，山東肥城人，碩士研究生，研究方向為智能控制與機器人系統。