爬樹機(jī)器人的研究現(xiàn)狀淺析

黃天姿，王媛媛，池泓穎，熊志乾，劉曉利

早在20世紀(jì)初期，“機(jī)器人”的概念便開始誕生，成為現(xiàn)代主要的高精尖技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)能夠幫助社會(huì)完成各種危險(xiǎn)活動(dòng)，不僅能夠解放大量傳統(tǒng)的勞動(dòng)力，更有助于保障作業(yè)人員的安全。爬樹機(jī)器人將多項(xiàng)智能化技術(shù)進(jìn)行整合，在高空作業(yè)領(lǐng)域中發(fā)生了巨大的作用。盡管各國(guó)目前已經(jīng)著力于爬樹機(jī)器人的研究，但總體處于起步階段，仍存在一定的發(fā)展空間。

1 爬樹機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 爬樹機(jī)器人國(guó)外研究現(xiàn)狀

1.1.1 美國(guó)

在2008年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)以及斯坦福大學(xué)聯(lián)合其國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)企業(yè)聯(lián)合研究?jī)?yōu)化爬樹機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)將傳統(tǒng)的爬樹機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)充分結(jié)合，打造了第一個(gè)六足爬樹機(jī)器人。顧名思義，這款機(jī)器人的主要特色在于每個(gè)支腿之間具有獨(dú)立的模塊，存在較高的自由度。在微型計(jì)算機(jī)的控制下，六足爬樹機(jī)器人能夠利用支腿的倒刺，產(chǎn)生高強(qiáng)度的貼片，可以在表面光滑程度不同的表明自由行走。六足爬樹機(jī)器人的最高速度可達(dá)4cm/s，最大傾角為650°。

其后，美國(guó)斯坦福大學(xué)又以壁虎腳趾為設(shè)計(jì)核心理念，研制出仿生壁虎機(jī)器人。仿生壁虎機(jī)器人的支腿由干性勤附材料制作而成，具有較強(qiáng)的粘性作用以及負(fù)載力。在一定程度內(nèi)的負(fù)載壓力下，仿生壁虎機(jī)器人可以通過(guò)支腿的肌鍵支撐真題結(jié)構(gòu)，避免墜落事故。在美國(guó)最新的爬樹機(jī)器人研究主要是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)所研制的仿蛇形爬樹機(jī)器人。仿蛇形爬樹機(jī)器人所組成的模塊共有16個(gè)，其如同螺旋步態(tài)的蛇形一樣前進(jìn)，翻滾爬樹能力較高。這種機(jī)器形態(tài)的纏繞式步態(tài)，為爬樹機(jī)器人的研制提供了新型的思路。

1.1.2 日本及印度

截至目前，日本對(duì)于爬樹機(jī)器人的研制主要集中于日本岐阜大學(xué)。修剪整枝的整體質(zhì)量輕盈，速度較快，能夠有效防止樹枝對(duì)機(jī)器人的咬合，可以通過(guò)重力實(shí)現(xiàn)自鎖功能。

印度韋洛爾理工大學(xué)在檳榔修剪工作任務(wù)中萌生自主爬樹整枝機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感。自主爬樹整枝機(jī)器人的自由度相對(duì)較高，能夠大幅度改變軀干直徑。通過(guò)將負(fù)載電池以及直流電動(dòng)機(jī)作為主要的能源輸出動(dòng)力，能夠高效完成檳榔的切割和修剪。在自主爬樹整枝機(jī)器人的內(nèi)部具有完善的視覺識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)圖像處理可識(shí)別外界環(huán)節(jié)。對(duì)于用戶的顯示屏查看可通過(guò)權(quán)限設(shè)置來(lái)提高隱蔽性。在2016年，印度學(xué)者設(shè)計(jì)出性價(jià)比高的椰子樹攀爬收獲機(jī)器人，通過(guò)交替抱樹來(lái)完成上下攀升動(dòng)作。整體由鋁制材料制作而成，具有自動(dòng)模式以及用戶控制兩種操作模式。

1.2 爬樹機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于爬樹機(jī)器人的研究時(shí)間明顯較晚，整體處于理論分析階段。香港中文大學(xué)在國(guó)內(nèi)最先研制出命名為“Treebot”的爬樹機(jī)器人。“Treebot”是由機(jī)體和以及夾持機(jī)構(gòu)構(gòu)成，可以在樹木上靈活的完成各種爬樹動(dòng)作。這種爬樹機(jī)器人的特點(diǎn)是變形能力強(qiáng)，能夠通過(guò)機(jī)體的多樣性變形來(lái)適應(yīng)各種不規(guī)則的樹木。“Treebot”爬樹機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)分析、全局路徑規(guī)劃方等方面擁有相對(duì)完善的構(gòu)思框架，對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)于爬樹機(jī)器人的研究具有關(guān)鍵性的啟發(fā)意義。

在2012年，華南理工大學(xué)通過(guò)猿猴等生物的等生物為設(shè)計(jì)靈感，研制出爪式爬樹機(jī)器人。制出爪式爬樹機(jī)器人主要應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)中的高空領(lǐng)域，具有一定的實(shí)際意義。由于其內(nèi)部的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等模塊，制出爪式爬樹機(jī)器人具有較高的自由度以及柔性度。其整體的研發(fā)成本不高，且后期使用過(guò)程中容易維護(hù)。在2015年，浙江大學(xué)成功研制出輪式爬樹機(jī)器。輪式爬樹機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)小車、固定控制裝置等組成。驅(qū)動(dòng)車輪上的倒刺具有強(qiáng)附著力，保障輪式爬樹機(jī)器在攀爬過(guò)程中不會(huì)墜落和翻轉(zhuǎn)。輪式爬樹機(jī)器通常重量為1.2kg，速度較快，可達(dá)到0.32m/s。而后山東農(nóng)業(yè)大學(xué)也研制出爬樹修剪機(jī)器人。其主要結(jié)構(gòu)組成相對(duì)較多，主要由爬升、轉(zhuǎn)盤、以及整枝機(jī)構(gòu)組成。爬樹修剪機(jī)器人的重量約為40kg，由直流電池為攀爬、修剪作業(yè)提供動(dòng)力來(lái)源。爬樹修剪機(jī)器人的樹枝殘留量遠(yuǎn)小于其他款式的爬樹機(jī)器人，且通過(guò)特殊的整枝機(jī)構(gòu)所覆蓋的修剪范圍廣。

2 爬樹機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 抓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在爬樹機(jī)器人中抓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟的方式主要以環(huán)抱式以及爪刺式兩種。環(huán)抱式的抓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用性高，主要有輪式機(jī)構(gòu)結(jié)合以及多環(huán)結(jié)構(gòu)。環(huán)抱式的抓緊結(jié)構(gòu)在攀爬過(guò)程中的受力負(fù)載均勻，運(yùn)動(dòng)作業(yè)穩(wěn)定。當(dāng)下環(huán)抱式的抓緊結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于樹木整枝、果實(shí)采摘以及高空清洗作業(yè)。爪刺式抓緊結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)樹干到樹枝的過(guò)渡攀爬，這是其他形態(tài)的抓緊結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足的功能。然而，爪刺式抓緊結(jié)構(gòu)的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)、攀升角度要求較高，只能在松軟粗糙的表面工作，否則容易墜落。

其他非常見的抓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括夾持式以及纏繞式兩種。夾持式攀爬方式的夾持機(jī)構(gòu)能夠大幅度脫離待攀爬樹件，擁有較高的自由度和機(jī)動(dòng)性，可靈活完成攀爬作業(yè)。夾持式攀爬方式主要應(yīng)用在復(fù)雜的剛性椼架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，然而由于作性不強(qiáng)，尚且未廣泛使用開來(lái)。纏繞式爬樹機(jī)器人的柔性化以及越障性程度高，然而除了執(zhí)行監(jiān)測(cè)探測(cè)作業(yè)外，其他方面的實(shí)用性不明顯。

2.1.2 防墜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防墜結(jié)構(gòu)大多會(huì)與環(huán)抱式抓緊結(jié)構(gòu)相結(jié)合使用，主要分為主動(dòng)與被動(dòng)防墜，可避免爬樹機(jī)器人在外界條件影響下而墜落。其中主動(dòng)防墜機(jī)構(gòu)是通過(guò)爬樹機(jī)器人的內(nèi)在系統(tǒng)動(dòng)力，強(qiáng)化爬樹機(jī)器人與表面之間的摩擦力來(lái)避免墜落。被動(dòng)防墜機(jī)構(gòu)是爬樹機(jī)器人防止墜落的備用項(xiàng)。通過(guò)被動(dòng)防墜機(jī)構(gòu)，可以依靠重力自鎖。既可以防止墜落事故，又能讓爬樹機(jī)器人停留在樹干上。

2.1.3 位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于爬樹機(jī)器人在野外的所作業(yè)的樹木形狀通常呈現(xiàn)不規(guī)則形，因此需要持續(xù)調(diào)節(jié)形狀的爬樹動(dòng)作。在位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要包括有環(huán)狀式爬樹機(jī)器人、環(huán)狀式爬樹機(jī)器人和多足仿生爬樹機(jī)器人三種。環(huán)狀式爬樹機(jī)器人通常應(yīng)用于直徑階段性發(fā)生變化的直挺樹木。常規(guī)的爬樹機(jī)器人在直挺樹木作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡死或是失去控制的情況。而環(huán)狀式爬樹機(jī)器人可以有效裝位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)，高效完成剪枝等各種作業(yè)。雙手爪爬樹機(jī)器人內(nèi)部的模塊化設(shè)計(jì)是以柔性材料為主，其驅(qū)動(dòng)性以及自由度明顯較高，可靈活挑戰(zhàn)自身的作業(yè)形態(tài)。而多足仿生爬樹機(jī)器人主要是通過(guò)調(diào)節(jié)腿部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成爬樹動(dòng)作以及姿態(tài)調(diào)整。

2.2 爬樹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與避障

由于爬樹機(jī)器人在各項(xiàng)作業(yè)時(shí)，并非單一的線性路徑，因?yàn)檠芯颗罉錂C(jī)器人的避障功能具有重要意義。爬樹機(jī)器人的避障功能時(shí)通過(guò)多種智能傳感以及信息處理技術(shù)相整合，控制爬樹機(jī)器人自主躲開外界障礙物的進(jìn)行攀爬作業(yè)。對(duì)于爬樹機(jī)器人的避障功能研究目前相對(duì)較少，主要包括全局以及局部的避障規(guī)劃。當(dāng)下對(duì)于爬樹機(jī)器人的避障眼睛就主要是通過(guò)合理的規(guī)劃路徑和導(dǎo)航，從而優(yōu)化爬樹機(jī)器人的爬升作業(yè)。以動(dòng)態(tài)的規(guī)劃模式，讓爬樹機(jī)器人自主的可以確認(rèn)作業(yè)位置的適合路徑，其適用范圍非常長(zhǎng)的廣泛。

2.3 爬樹機(jī)器人控制系統(tǒng)

爬樹機(jī)器人控制系統(tǒng)通常由機(jī)身內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及地面的手動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分組成。爬樹機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)用數(shù)學(xué)信息模型通過(guò)反饋回路控制器進(jìn)行精細(xì)化控制。爬樹機(jī)器人可以通過(guò)相鄰電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控，來(lái)調(diào)整支腿的傾斜角度。隨著對(duì)于爬樹機(jī)器人的深入研究，其功能也不斷的多樣化，整體結(jié)構(gòu)越發(fā)的復(fù)雜。隨著處理的數(shù)據(jù)不斷增多，爬樹機(jī)器人控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)信息處理模式的建立難度也不斷增大。

3 爬樹機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

3.1 功能的感知化和多樣化

在爬樹機(jī)器人中由于對(duì)于外界障礙物的感知的需求，其傳感器類型較多。當(dāng)下爬樹機(jī)器人傳感器分布越發(fā)的立體化與多樣化。通過(guò)充分結(jié)合微型數(shù)據(jù)智能信息系統(tǒng)，來(lái)強(qiáng)化爬樹機(jī)器人的感知作用，讓爬樹機(jī)器人能夠在未知環(huán)境中及時(shí)精準(zhǔn)獲取外界信息。通過(guò)，通過(guò)感知化能夠讓爬樹機(jī)器人加快其整體的圖像處理能力。這樣在各種高空作業(yè)當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)爬樹機(jī)器人的導(dǎo)航規(guī)劃以及避障功能，顯著提升作業(yè)效率與質(zhì)量。爬樹機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，由于其載重復(fù)核較少，只能攜帶較少的設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。為提升作業(yè)效率，需在小型化的基礎(chǔ)上，盡可能多的攜帶多種設(shè)備，使其具有廣泛的適用性。

3.2 能量來(lái)源更加綠色環(huán)保

隨著科技的快速發(fā)展，環(huán)保成為了當(dāng)今社會(huì)大家都非常關(guān)注的焦點(diǎn)。使用新型能源來(lái)節(jié)省爬樹機(jī)器人的能耗是非常普遍的，既減少了能源損耗又實(shí)現(xiàn)了綠色能源的可持續(xù)利用。環(huán)境保護(hù)工作一直以來(lái)都是受人民重視的問(wèn)題，爬樹機(jī)器人的發(fā)展也必須遵守國(guó)家規(guī)定，保證生產(chǎn)環(huán)境的質(zhì)量并積極相應(yīng)該政策內(nèi)容。所以在爬樹機(jī)器人生產(chǎn)的過(guò)程中，需要重視對(duì)生產(chǎn)廢物的回收處理，做好環(huán)境保護(hù)工作。當(dāng)下的爬樹機(jī)器人主要存在經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)保性能差、自動(dòng)化水平低以及設(shè)備技術(shù)水平低等問(wèn)題。由于爬樹機(jī)器人的不合理設(shè)置，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生能耗浪費(fèi)的現(xiàn)象，使得爬樹機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性顯著下降。在爬樹機(jī)器人用電的循環(huán)利用以及環(huán)保處理等缺乏突破性進(jìn)展，相關(guān)系統(tǒng)沒(méi)有正常投用，嚴(yán)重影響爬樹機(jī)器人的節(jié)能優(yōu)化。在爬樹機(jī)器人中，有硬件和軟件等自動(dòng)化設(shè)備配備不齊全，管理人員只能單一的通過(guò)人工維護(hù)。不僅工作量大，且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問(wèn)題。相關(guān)單位需充分考慮其經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。過(guò)去傳統(tǒng)的以犧牲環(huán)境為代價(jià)的快速發(fā)展已經(jīng)不可取，國(guó)家也推行出可持續(xù)的發(fā)展的重大戰(zhàn)略。在爬樹機(jī)器人的節(jié)能技術(shù)研發(fā)過(guò)程中就必須充分考慮到能源的耗費(fèi)問(wèn)題，在開始的技術(shù)目標(biāo)上就需要設(shè)定好能源預(yù)算，避免不必要的能源浪費(fèi)。相關(guān)單位在爬樹機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)上需要有一整套的科學(xué)程序。在爬樹機(jī)器人節(jié)能實(shí)施的環(huán)節(jié)中需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，任何程序不可忽略甚至違反。靈活依照相關(guān)規(guī)章制度為基礎(chǔ)，嚴(yán)格按照制度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)管行為進(jìn)行約束，確保行為的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要根據(jù)自身的監(jiān)管工作不斷健全綜合管理制度，如責(zé)任制度、監(jiān)控制度、處罰制度等。監(jiān)管工作需要對(duì)爬樹機(jī)器人的環(huán)保的指標(biāo)不斷清晰化，讓每個(gè)指標(biāo)中的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)能夠?qū)ΡO(jiān)管人員的監(jiān)管行為清晰反應(yīng)。

3.3 智能化的發(fā)展趨勢(shì)

隨著對(duì)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的深入研究，未來(lái)社會(huì)將會(huì)更加智能化。人們的生活也會(huì)逐漸智能化，爬樹機(jī)器人也不例外。爬樹機(jī)器人的智能化發(fā)展趨勢(shì)有以下兩個(gè)原因：第一是因?yàn)樯鐣?huì)環(huán)境的外在影響。在其他行業(yè)進(jìn)行智能化改革時(shí)，爬樹機(jī)器人技術(shù)也必須進(jìn)行智能化的發(fā)展。否則就無(wú)法跟進(jìn)社會(huì)的生產(chǎn)需求，造成嚴(yán)重的市場(chǎng)紊亂。第二是因?yàn)榕罉錂C(jī)器人本身的特點(diǎn)。它本來(lái)就是高科技的副產(chǎn)物，還存在著一定的生產(chǎn)問(wèn)題，只有繼續(xù)智能化才能解決目前的技術(shù)問(wèn)題。在爬樹機(jī)器人當(dāng)中包含許多的技術(shù)工序，通過(guò)爬樹機(jī)器人的智能化管理。將各個(gè)技術(shù)工序有機(jī)串聯(lián)，基于圖像顯示技術(shù)對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)某個(gè)工藝技術(shù)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，工作人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行找到問(wèn)題的原因，從而降低爬樹機(jī)器人故障發(fā)生的時(shí)間和維修成本。在爬樹機(jī)器人作業(yè)當(dāng)中，將大量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行互通共享，讓工作人員充分了解工程實(shí)施情況，提升工作效率。爬樹機(jī)器人不僅自身較為繁雜，同時(shí)與相關(guān)技術(shù)緊密相連。因?yàn)椋谂罉錂C(jī)器人正式開展前，需要做好充足的技術(shù)準(zhǔn)備。通過(guò)切實(shí)可行的實(shí)施方案，以優(yōu)質(zhì)的技術(shù)力量來(lái)順利推進(jìn)爬樹機(jī)器人的開展。有保障爬樹機(jī)器人的整體質(zhì)量，顯著提升爬樹機(jī)器人的質(zhì)量水平。通過(guò)智能化的管理模式，將爬樹機(jī)器人的多方面因素進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配。以最大的能效來(lái)發(fā)揮各自的作用，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)信息的共享互通。從而降低成本，獲取最高的經(jīng)濟(jì)利益。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，當(dāng)下國(guó)內(nèi)外對(duì)于爬樹機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了部分突破性的成果，然而還是存在巨大的發(fā)展空間。在實(shí)用性要求上無(wú)法達(dá)到社會(huì)的發(fā)展要求，且由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，為爬樹機(jī)器人的研發(fā)帶來(lái)了許多困難。社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)制造業(yè)的生產(chǎn)有利也有弊，爬樹機(jī)器人是企業(yè)抓住機(jī)遇得來(lái)的。在未來(lái)，科研人員還需要做出下一步的抉擇，帶領(lǐng)爬樹機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)闖出另一片天空，為爬樹機(jī)器人打造更加美好的未來(lái)。相關(guān)研究人員需不斷提高自我的專業(yè)素養(yǎng)，基于當(dāng)下存在的主要問(wèn)題，對(duì)爬樹機(jī)器人展開進(jìn)一步的探索與研究。