林业科学

作者：路欣哲,李文彬*,徐道春,白效鹏

单位：北京林业大学工学院　北京 100083

关键词：林区作业,爬树机器人,仿生设计,步态策略,工作空间

基金：“十三五”国家重点研发计划课题（2018YFD0700601）。

目的: 针对现有爬树机器人工作空间受限、难以适应复杂攀爬环境的问题，开发一种新型夹爪式爬树机器人平台及其攀爬步态，拓展现有样机在树干环境下的作业范围，以代替林区研究人员进行树冠层的作业、降低安全隐患。方法: 基于灵长类动物的生理特征和攀爬机理，设计三臂夹爪式机器人结构，并根据静力学仿真分析验证设计方案的合理性。提出三爪垂直攀爬与双爪周转两种步态策略，通过几何分析推导机器人的工作空间方程，确定各攀爬步态下的最大步长。采用Adams动力学仿真验证关节扭矩稳定性，并计算能量消耗以评估续航性能。最后利用样机进行实地步态验证试验，评估步态可行性和机器人的可攀爬范围。结果: 1) 结构的最大变形量在亚毫米级，最大等效应力为67 MPa，理论上在运行过程中不会发生严重的变形或损伤，机构设计和材料选用符合要求；2) 所设计的三爪攀爬步态可实现最大210 mm的步长，单步态周期约4 min；3) 双爪周转步态可以实现最大51°的绕树干周转，单步态周期约2.5 min；4) 根据攀爬范围试验，机器人可以在直径约61~136 mm、与地面夹角约40° ~ 87°的树干上进行攀爬；5) 续航试验显示，容量为9 800 mAh的锂电池在连续作业30 min后，仍可持续输出最大工作电流，且机器人的关节舵盘、支撑架等关键零部件未出现明显磨损。结论: 通过对灵长类动物的仿生设计，研制了一种新型三臂夹爪式爬树机器人及其攀爬步态。机器人整体采用铝合金和光敏树脂材料制造，总重约2.5 kg。根据静力学仿真结果，验证了尺寸设计与材料选型的合理性。通过攀爬范围试验，其可适应直径范围约占试验树枝干范围的68%，可攀爬的倾斜角度能够满足多数攀爬场景，且通过更换夹持器可以进一步扩大攀爬范围。经实地试验，当前电源配置可以支持至少30 min的连续攀爬作业，在林地环境下可以通过更换电池实现持续工作。本研究验证了机器人能够通过所设计的步态进行攀爬，表现出较为理想的综合性能，为辅助林区研究人员进行高空林木采样、冠层监测等工作提供了新的解决方案。

来源：2025年第9期

《林业科学》期刊编辑部

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