爬树机器人的结构设计与分析开题报告

全文总字数：5355字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究的意义“机器人”一词最早诞生于上世纪20年代, 机器人是人类最重要的成就之一。随着机器人技术的逐步完善, 机器人在各领域均有广泛的应用, 如服务业、医疗业、工业生产、农业、林业、资源探测、灾后救援、航空航天和军事运输及其他特种领域。爬树机器人集机械、电子信息、计算机技术、智能技术等于一体, 机器人在实现爬树的功能基础上, 可以完成果实采摘、树木整枝、标本采集、军事探测及城市杆状建筑物的清洗、质量检测等任务, 具有很大的应用前景。1.2国内外研究现状 国外对爬树机器人的研究比较丰富, 主要代表为美国、日本、印度等国家和地区。2008年, 美国卡内基梅隆大学、波斯顿动力公司及斯坦福大学等研究机构, 将传统设计方法与仿生学结合, 联合研制了仿生六足爬树机器人；2012年, 卡耐基-梅隆大学生物机器人技术实验室开发了一款模块化仿蛇形爬树机器人。由16个模块组成, 每个模块通过伺服电机连接减速结构实现动力输出, 同时驱动杆与连接杆为正交连接, 采用螺旋步态实现空间内蜿蜒、翻滚运动, 同时具有翻滚爬树的新功能, 蛇形机器人通过缠绕附着在攀爬对象表面, 然后采用一定的步态上下攀爬。2008年至2015年, 日本岐阜大学进行了大量理论研究, 研制了一种链条驱动的节能树木修剪机器人。该机器人整体为环状结构, 通过伺服电机驱动涡轮减速机构, 实现直线攀登和螺旋攀登两种攀爬功能, 机器人包括上下攀升机构, 修剪整枝机构、控制系统以及锥形杆位调节机构, 具有质量轻、速度快等特点。2010年, 印度韦洛尔理工大学 (VIT University) Devang P.Soni等人面向槟榔修剪工作任务, 设计了一种自主爬树整枝机器人。具有基于线性摩擦力的9自由度非线性调节系统, 能够适应改变躯干直径, 该机器人以负载电池作为能源, 驱动两个尖刺车轮内的直流电动机, 5自由度的机械臂可以完成切割和修剪的目的。机械臂安装视觉识别系统, 具有基于数字图像处理的智能目标识别技术, 同时必要时允许用户通过显示屏查看和控制机器人。2016年, 印度Akshay Prasad Dubey设计了一款椰子树攀爬收获机器人。由上下两个环形结构组成, 交替抱树实现机器人的上下攀升。2010年, 巴西圣保罗大学Reinaldo de Bernardi等人设计了一种仿生四足爬树机器人平台“Kamanbarérobot”，该机器人由机体和4个相同结构对称分布的腿组成, 腿与机体通过铰链连接, 腿部末端通过旋转关节安装有爪子, 模仿变色龙爪结构, 可以稳定可靠的保持对树木的抓紧, 每条腿共有4个关节, 具有一定的不规则环境适应性和跨越障碍的能力。2015年, 新西兰梅西大学Pengfei Gui设计了一种轮式爬树剪枝机器人。由平台和3个腿组成, 平台起着载体的作用, 3个腿起着支撑作用, 在平台下面的机器人的两条腿上安装两个步进马达可以适应不同直径的树木。2016年, 马来西亚理科大学M.I.Nor Faizal考虑成本、材料和时间, 研制了一种紧凑型爬杆机器人。该机器人采用模块化设计, 包括抓取模块和爬升模块, 由两个伺服电机驱动, 通过环绕控制模块, 将树包裹起来增大接触表面积, 以增加摩擦力。2017年, 印度尼西亚Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS) 大学, 研发了一种椰子收获爬树机。椰子采摘机器人主要由车身和机械臂组成，机器人有一个采用3轮连接的自动紧固机构, 以适应不同直径的树木, 安装有弹簧, 使机器人可以更好的缠在树干上。国内对爬树机器人的研究大多还停留在理论分析及研制起步阶段。2011年, 香港中文大学徐扬生院士团队, 研制了新型灵活爬树机器人“Treebot”。该机器人在不规则的树木上可以高机动性的完成爬树，上可以高机动性的完成爬树动作, 机器人结构由机体和一对夹持机构组成, 其机体为3根120°分布弹性齿条及若干保持架组成, 变形能力强, 可以模仿生物运动时的机体变形, 可以适应各种形状的树木, 其夹持机构不但夹持力强, 而且夹持曲率广泛, 可以全方位的保持对不同直径树木的夹紧。2012年, 华南理工大学江励等人受尺蠖、猿猴、树懒等生物爬树原理的启发, 研发了一种双爪式爬杆机器人“Climbot”。 可以完成面向农业、林业和建筑等领域的高空作业, 为此类机器人的研发提供了新的思路。机器人包括回转关节模块、摆转关节模块和夹持器模块, 多模块机器人可以自由的构建多自由度系统, 系统柔性程度高, 而且系统容错率高, 便于维护, 研发成本低, 采用谐波减速器、蜗轮蜗杆和平行4连杆3级传动, 可以攀爬杆件以及空间椼架结构, 同时本身也可以作为操作臂来实现指定工作, 在结构和功能上具有很强的扩展性。2014年, 浙江大学机械工程系研制了一种轮式爬树机器人。机器人的主要包括两个小车、固定保持装置、电力系统和控制系统, 每个小车配有4个车轮, 其中后两个车轮为主动驱动车轮, 每个车轮的橡胶表面装有一系列的刺, 以提供足够的附着力, 确保车辆不会坠落, 两个小车之间由固定保持装置连接, 保证机器人不会出现翻转, 因此小车能可靠附着在树干的表面。实验样机重量为1.2 kg, 攀爬樟树的速度为0.32 m/s, 爬升速度快。2015年, 山东农业大学机械与电子工程学院研制了一种爬树修剪机器人。该机器人包括爬升机构、转盘机构、整枝机构, 爬升机构包括驱动腿、驱动马达、驱动轮和驱动装置和夹紧装置, 夹紧装置由支撑腿、支撑轮、直线执行机构和压紧弹簧构成。可爬直径为150 mm～350 mm的树干, 由可调速电机驱动的修枝锯最大可切割30mm的枝条, 树枝残留量小于5 mm, 该爬树修剪机器人可以越过树干凸起障碍, 其整枝机构可以绕转盘机构旋转, 完成周围侧枝的修剪, 修剪范围广, 枝条残留量小。2015年, 香港大学机械工程系提出一种新型仿生爬树装置“O-M-Climber”， 其传动系统基本设计思想为双轴联动系统, 通过两个正交安装的轴, 将电动机输出的转矩传递到两个方向, 分别控制爪的释放和抓紧, 锥齿轮系在机器人底部，以驱动爪子相对机器人的身体移动, 交替的完成对树木完成抱紧动作及爬升动作, 机器人电机数量少, 因此质量轻、成本低、负载比高。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

调研收集分析有关资料，掌握机器人的相关知识；熟悉掌握autocad、solidworks等绘图软件，学习机械原理、机械设计等机械方面的知识；熟悉掌握adams软件，学习建立虚拟样机模型；爬树机器人的总体设计与具体设计。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

1. 第1-3周：完成开题报告和英文翻译；2. 第4-6周：完成毕业设计相关内容的总体方案设计；3. 第6-8周：完成毕业设计相关内容的详细方案设计；4. 第9-12周：完成相关的分析计算工作；5. 第13-16周：毕业设计论文修订，评阅，与毕业答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]魏巍.机器人技术入门 [m].北京：化学工业出版社，2014.10.

[2]机械设计手册（第六版）[m].北京：化学工业出版社 ，2016.5. [3]罗庆生，韩宝玲. 现代仿生机器人设计 [m].北京：电子工业出版社,2008.3.[4]王隆太.机械cad/cam技术（第三版）[m].北京：机械工业出版社，2016.1

[5]刘晋峰. 玩机器人学单片机 [m].北京：电子工业出版社,2013