鄒萬勇,董雪豐,胡程祥,唐偉國
(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083)
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、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)林病蟲害檢測以及森林檢測,取代了人類的工作,確保了工人的安全,尤其在森林檢測方面,比無人機(jī)更加經(jīng)濟(jì),彌補(bǔ)了無人機(jī)只能短時(shí)監(jiān)測和短距離監(jiān)測的缺點(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)器人的抱樹機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)雖然也采用爪式構(gòu)型,但原理簡單,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)樹木的要求。
立木攀爬機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由抱樹機(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,其中抱樹機(jī)構(gòu)是機(jī)器人穩(wěn)定在樹上攀爬的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),若夾緊力不夠,則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人跌落,無法完成攀爬,更別說進(jìn)行作業(yè)。因?yàn)椴煌贩N的樹,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),并通過共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)滑塊將其連接起來。驅(qū)動(dòng)滑塊1采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。抱樹機(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抱樹機(jī)構(gòu)原理示意圖圖2抱樹機(jī)構(gòu)三維造型
在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制造過程中,發(fā)現(xiàn)抱樹機(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,又能簡化制造過程,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)行的間隙問題。改進(jìn)后的抱樹機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖4所示。
6,8-彈簧;7-彈簧座
為了驗(yàn)證立木攀爬機(jī)器人抱樹機(jī)構(gòu)的可行性,本文針對(duì)樣機(jī)開展了實(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,通過控制電機(jī)運(yùn)行觀察抱樹機(jī)構(gòu)在攀爬過程中的功能實(shí)現(xiàn)情況,圖5為實(shí)驗(yàn)過程中攀爬機(jī)器人爬樹效果圖。從圖5中可以看出:抱樹機(jī)構(gòu)能夠在攀爬的過程中抱住樹木,不至于使機(jī)器人墜落,滿足了設(shè)計(jì)要求。
通過對(duì)抱樹機(jī)構(gòu)進(jìn)行原理設(shè)計(jì),建立了抱樹機(jī)構(gòu)的三維模型,結(jié)合實(shí)際制造過程中遇到的問題,又提出了機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案,最后通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的抱樹機(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)后的抱樹機(jī)構(gòu)實(shí)物圖圖5抱樹機(jī)構(gòu)效果圖