負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

針對(duì)農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜的樹(shù)木檢測(cè)環(huán)境，設(shè)計(jì)一種仿蠕蟲(chóng)爬行負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人。通過(guò)提升機(jī)構(gòu)的伸縮運(yùn)動(dòng)改變自身形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)干的豎直攀爬運(yùn)動(dòng)；通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)中推桿的伸縮，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)樹(shù)干的夾持力；同時(shí)，對(duì)機(jī)器人在不同直徑或傾斜度的樹(shù)木攀爬時(shí)進(jìn)行靜力學(xué)分析，使機(jī)器人可根據(jù)得到的夾緊力范圍自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高機(jī)器人攀爬的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)的靈活性。最后，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的負(fù)重機(jī)器人攜帶檢測(cè)設(shè)備爬樹(shù)時(shí)，機(jī)器人總變形量最大值為5.24mm，符合結(jié)構(gòu)安全性要求，且承載最大應(yīng)力為100Mpa，符合機(jī)器人所選材料安全性要求，進(jìn)而驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人；提升機(jī)構(gòu)；夾緊機(jī)構(gòu)；有限元分析

0 引言

爬樹(shù)機(jī)器人作為高空環(huán)境下工作的特種機(jī)器人，已廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、古建筑等領(lǐng)域，代替人類(lèi)完成無(wú)損檢測(cè)、監(jiān)控觀察、維修檢測(cè)等工作[1～4]。目前，爬樹(shù)機(jī)器人主要采用機(jī)械手臂環(huán)抱、吸附或夾持被攀爬物的方式，完成承載設(shè)備穩(wěn)定攀爬的動(dòng)作。所以攀爬機(jī)器人普遍具備移動(dòng)能力、吸附能力和承載能力，承載能力是攀爬機(jī)器人的必要條件，也是目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)[5]。

國(guó)外對(duì)爬樹(shù)機(jī)器人的研究很多，如日本早稻田大學(xué)研制WOODY-1 爬樹(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)兩個(gè)環(huán)形夾持器的交替運(yùn)動(dòng)使得機(jī)器人沿著樹(shù)干上下移動(dòng)[6]。由于機(jī)器人過(guò)于笨重且體型龐大極易對(duì)樹(shù)木造成損傷。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli等[7]成功研制出了一款爬樹(shù)機(jī)器人3D Climber，機(jī)器人由一個(gè)4自由度的串聯(lián)攀爬機(jī)構(gòu)和二個(gè)夾持機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作。國(guó)內(nèi)香港中文大學(xué)Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[8]研發(fā)了一種小巧的爬樹(shù)機(jī)器人Treebot，該機(jī)器人具有較高的自由度和優(yōu)越的擴(kuò)展能力，同時(shí)還配備全方位的樹(shù)木夾持器，使機(jī)器人粘附于不同直徑的樹(shù)木，適應(yīng)復(fù)雜的攀爬環(huán)境。但以上機(jī)器人載重能力較小，有的幾乎不能承載重物，滿(mǎn)足不了攜帶設(shè)備攀爬的需求。

本文提出團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人，既可通過(guò)提升機(jī)構(gòu)的伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)干的豎直攀爬運(yùn)動(dòng)，又可通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)中推桿電機(jī)的伸縮，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)樹(shù)干的夾持力；通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模和有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可攜帶檢測(cè)樹(shù)木內(nèi)部結(jié)構(gòu)的儀器完成載物攀爬工作，對(duì)于古木建筑（如故宮、布達(dá)拉宮）的無(wú)損檢測(cè)、農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜的樹(shù)木檢測(cè)等具有重要意義。

1 負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)介

1.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

圖1為本文研發(fā)的負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖。所設(shè)計(jì)的攀爬機(jī)器人采用可拆分半圓對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，主要包括主體、副體、連接體和旋轉(zhuǎn)體。

圖1 爬樹(shù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元可獨(dú)立控制，完成夾緊或放松樹(shù)干動(dòng)作。提升裝置由三組結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括電機(jī)、升降機(jī)、伸縮桿和位移傳感器。旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置攜帶樹(shù)木檢測(cè)裝置完成載物和檢測(cè)功能。

1.2 機(jī)器人工作原理

負(fù)重攀爬機(jī)器人爬樹(shù)過(guò)程可分為四個(gè)階段。在樹(shù)下安裝機(jī)器人，使其中軸線和樹(shù)木中軸線重合，并做好攀爬前的準(zhǔn)備工作。第一階段啟動(dòng)夾緊裝置，主體夾緊裝置推桿向機(jī)器人中軸線方向前進(jìn)，直至夾緊樹(shù)干，副體夾緊裝置推桿向外移動(dòng)，完成放松動(dòng)作。第二階段啟動(dòng)提升裝置，主體穩(wěn)固不動(dòng)，副體緩慢上升，主副體之間位移減小，達(dá)到設(shè)定值后提升裝置停止，副體夾緊裝置啟動(dòng)，機(jī)器人固定于樹(shù)干上。第三階段主體夾緊裝置啟動(dòng)，推桿向外移動(dòng)放松樹(shù)干，直至壓板觸碰后光電限位開(kāi)關(guān)，推桿停止運(yùn)動(dòng)，完成主體放松動(dòng)作。第四階段提升裝置啟動(dòng)，主副體間推桿長(zhǎng)度增加，副體夾緊樹(shù)干不動(dòng)，主體上升至設(shè)定值后停止運(yùn)動(dòng)，夾緊裝置啟動(dòng)夾緊樹(shù)干。至此機(jī)器人完成一次攀爬運(yùn)動(dòng)，之后重復(fù)此過(guò)程可繼續(xù)向上攀爬。攀爬過(guò)程中，夾緊裝置壓板表面硫化橡膠墊，橡膠墊和樹(shù)木表面接觸，起到減震和防止滑動(dòng)的效果，確保機(jī)器人在攀爬過(guò)程中穩(wěn)穩(wěn)抓住樹(shù)干，進(jìn)而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

2 負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及分析

2.1 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

樹(shù)木由樹(shù)根、樹(shù)干和樹(shù)冠構(gòu)成，而樹(shù)干并非規(guī)則圓柱體。因此機(jī)器人在沿樹(shù)干上下攀爬過(guò)程中，一方面要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大程度降低并均勻分布機(jī)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(jī)器人在攀爬過(guò)程中不會(huì)向下滑動(dòng)或跌落[9]。

爬樹(shù)機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)主要由夾緊電機(jī)、推桿、壓板組成。推桿帶有T型螺紋，以保證在夾緊狀態(tài)下推桿不會(huì)后退。壓板為運(yùn)動(dòng)部件，黏貼厚度為4mm的硫化橡膠墊增大摩擦力，吸收機(jī)器人夾緊樹(shù)干時(shí)產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)。同時(shí)在壓板上安裝壓力傳感器，機(jī)器人可通過(guò)夾緊裝置中推桿電機(jī)的伸縮和壓力傳感器的作用，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)樹(shù)干的夾持力。圖2為夾緊裝置裝配在攀爬機(jī)器人主體上的照片，四組夾緊裝置驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，完成夾緊樹(shù)干和放松樹(shù)干的動(dòng)作。

圖2 爬樹(shù)機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)圖

2.2 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

連接體由三個(gè)電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)成，三個(gè)升降機(jī)的兩端分別垂直連接到主體、副體的兩個(gè)圓形框架平面上，且成120°均勻分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)副體的頂升和主體的提拉。

圖3 爬樹(shù)機(jī)器人提升機(jī)構(gòu)圖

為了保證提升機(jī)構(gòu)的頂升、提拉力度，選用德州啟泰機(jī)械設(shè)備有限公司訂制提升電機(jī)，其水平關(guān)節(jié)行程200mm，最大輸出力8000N，減速比為16:1，垂直關(guān)節(jié)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(shù)機(jī)器人靜態(tài)分析

圖4 主體靜態(tài)分析

為方便說(shuō)明，本文以副體為例來(lái)進(jìn)行受力分析。如圖4所示，假設(shè)樹(shù)干與地面的夾角為θ，夾緊機(jī)構(gòu)推桿垂直與樹(shù)干中軸線方向，壓板與樹(shù)干表面之間的摩擦因數(shù)為μ，機(jī)器人在攀爬過(guò)程中主體受力情況如圖4所示。G0為機(jī)器人本體及負(fù)載重量分量；F1、F3分別為1、3號(hào)電機(jī)推桿前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，它是電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)產(chǎn)生的推力；f為沿樹(shù)干方向向上的力；根據(jù)受力平衡原理分析，1、3號(hào)推桿對(duì)樹(shù)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(jìn)驅(qū)動(dòng)力只與摩擦因數(shù)μ、機(jī)器人本體及負(fù)載重力分量G0、樹(shù)干與地面間夾角θ有關(guān)。重力分量G0、夾角θ與推桿驅(qū)動(dòng)力成正比，摩擦因數(shù)μ與推桿驅(qū)動(dòng)力成反比。因此，應(yīng)盡可能減小機(jī)器人自身重量，選擇摩擦因數(shù)大的材料。

當(dāng)θ=90°時(shí)，樹(shù)干與地面垂直：

當(dāng)夾角為θ固定條件下，機(jī)器人靜止時(shí)有下滑趨勢(shì)，要滿(mǎn)足夾緊條件使機(jī)器人不下滑，應(yīng)滿(mǎn)足：

橡膠與木材的摩擦因數(shù)μ=0.6-0.8[10]，機(jī)器人自身質(zhì)量約100kg，根據(jù)式(1)、式(2)可設(shè)置合理的夾緊力度，防止機(jī)器人下滑，進(jìn)而保證機(jī)器人負(fù)重攀爬的穩(wěn)定性。

3 機(jī)器人有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人的實(shí)體，即圖1所示的機(jī)器人機(jī)械圖，然后保存為Parasolid格式，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。建模采用國(guó)際單位制。在機(jī)器人爬樹(shù)過(guò)程中，主體夾緊樹(shù)干或者副體夾緊，所受的負(fù)載一樣，都是爬樹(shù)過(guò)程中最大的，選取機(jī)器人副體夾緊時(shí)的情況作為分析對(duì)象。

3.2 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

建立有限元模型時(shí)，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(jù)參數(shù)設(shè)置將實(shí)體轉(zhuǎn)化為有限元模型，采用自由網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分。

根據(jù)負(fù)重機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)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(duì)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(jié)果分析

根據(jù)所建立的有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[11]，得到負(fù)重機(jī)器人的總變形圖和應(yīng)力圖，如圖6所示。

圖6 負(fù)重機(jī)器人靜力分析結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

從圖6(a)可以看出，機(jī)器人最大變形處發(fā)生在發(fā)射器和液壓系統(tǒng)下面的旋轉(zhuǎn)支撐架，其旋轉(zhuǎn)平臺(tái)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(zhǎng)度為300mm，則應(yīng)變?yōu)椋?/p>

在彈性階段可承受的最大形變：

由以上結(jié)果知，彈性階段最大形變6.79mm大于5.24 mm，所以應(yīng)變符合要求。

2）材料安全性評(píng)價(jià)

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

4 結(jié)論

本文提出了一種具有負(fù)重攀爬能力的爬樹(shù)機(jī)器人，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、靜力學(xué)分析和有限元分析驗(yàn)證四個(gè)方面對(duì)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)做了詳盡的分析。所設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人很好地實(shí)現(xiàn)在不同直徑的樹(shù)干向上向下攀爬；具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的夾緊機(jī)構(gòu)在爬桿時(shí)可以自行調(diào)節(jié)控制機(jī)器人對(duì)樹(shù)干表面的夾持力要求。經(jīng)有限元分析驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的爬樹(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和材料均符合安全性要求；所設(shè)計(jì)的爬樹(shù)機(jī)器人可應(yīng)用于活立木、古建筑的無(wú)損檢測(cè)工作。同時(shí)，該設(shè)計(jì)是針對(duì)農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域而展開(kāi)的攀爬機(jī)器人研究方面較好的應(yīng)用，為將來(lái)攀爬機(jī)器人走上產(chǎn)業(yè)化的發(fā)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(xué)者優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（2015162）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（6140021031）；博士基金：基于X射線的木結(jié)構(gòu)建筑用材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究（XNBS1622）

張連濱（1991 -），男，山東肥城人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c機(jī)器人系統(tǒng)。