爬树机器人的研究现状浅析

黄天姿，王媛媛，池泓颖，熊志乾，刘晓利

早在20世纪初期，“机器人”的概念便开始诞生，成为现代主要的高精尖技术领域。机器人技术能够帮助社会完成各种危险活动，不仅能够解放大量传统的劳动力，更有助于保障作业人员的安全。爬树机器人将多项智能化技术进行整合，在高空作业领域中发生了巨大的作用。尽管各国目前已经着力于爬树机器人的研究，但总体处于起步阶段，仍存在一定的发展空间。

1 爬树机器人国内外研究现状

1.1 爬树机器人国外研究现状

1.1.1 美国

在2008年，美国卡内基梅隆大学以及斯坦福大学联合其国内的计算机企业联合研究优化爬树机器人的内部结构。通过将传统的爬树机器人的内部结构与仿生学充分结合，打造了第一个六足爬树机器人。顾名思义，这款机器人的主要特色在于每个支腿之间具有独立的模块，存在较高的自由度。在微型计算机的控制下，六足爬树机器人能够利用支腿的倒刺，产生高强度的贴片，可以在表面光滑程度不同的表明自由行走。六足爬树机器人的最高速度可达4cm/s，最大倾角为650°。

其后，美国斯坦福大学又以壁虎脚趾为设计核心理念，研制出仿生壁虎机器人。仿生壁虎机器人的支腿由干性勤附材料制作而成，具有较强的粘性作用以及负载力。在一定程度内的负载压力下，仿生壁虎机器人可以通过支腿的肌键支撑真题结构，避免坠落事故。在美国最新的爬树机器人研究主要是卡内基梅隆大学所研制的仿蛇形爬树机器人。仿蛇形爬树机器人所组成的模块共有16个，其如同螺旋步态的蛇形一样前进，翻滚爬树能力较高。这种机器形态的缠绕式步态，为爬树机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，日本对于爬树机器人的研制主要集中于日本岐阜大学。修剪整枝的整体质量轻盈，速度较快，能够有效防止树枝对机器人的咬合，可以通过重力实现自锁功能。

印度韦洛尔理工大学在槟榔修剪工作任务中萌生自主爬树整枝机器人的设计灵感。自主爬树整枝机器人的自由度相对较高，能够大幅度改变躯干直径。通过将负载电池以及直流电动机作为主要的能源输出动力，能够高效完成槟榔的切割和修剪。在自主爬树整枝机器人的内部具有完善的视觉识别系统，通过图像处理可识别外界环节。对于用户的显示屏查看可通过权限设置来提高隐蔽性。在2016年，印度学者设计出性价比高的椰子树攀爬收获机器人，通过交替抱树来完成上下攀升动作。整体由铝制材料制作而成，具有自动模式以及用户控制两种操作模式。

1.2 爬树机器人国内研究现状

目前，国内对于爬树机器人的研究时间明显较晚，整体处于理论分析阶段。香港中文大学在国内最先研制出命名为“Treebot”的爬树机器人。“Treebot”是由机体和以及夹持机构构成，可以在树木上灵活的完成各种爬树动作。这种爬树机器人的特点是变形能力强，能够通过机体的多样性变形来适应各种不规则的树木。“Treebot”爬树机器人在结构设计以及运动分析、全局路径规划方等方面拥有相对完善的构思框架，对国内对于爬树机器人的研究具有关键性的启发意义。

在2012年，华南理工大学通过猿猴等生物的等生物为设计灵感，研制出爪式爬树机器人。制出爪式爬树机器人主要应用于农林业中的高空领域，具有一定的实际意义。由于其内部的回转关节、摆转关节等模块，制出爪式爬树机器人具有较高的自由度以及柔性度。其整体的研发成本不高，且后期使用过程中容易维护。在2015年，浙江大学成功研制出轮式爬树机器。轮式爬树机器内部结构主要由两个小车、固定控制装置等组成。驱动车轮上的倒刺具有强附着力，保障轮式爬树机器在攀爬过程中不会坠落和翻转。轮式爬树机器通常重量为1.2kg，速度较快，可达到0.32m/s。而后山东农业大学也研制出爬树修剪机器人。其主要结构组成相对较多，主要由爬升、转盘、以及整枝机构组成。爬树修剪机器人的重量约为40kg，由直流电池为攀爬、修剪作业提供动力来源。爬树修剪机器人的树枝残留量远小于其他款式的爬树机器人，且通过特殊的整枝机构所覆盖的修剪范围广。

2 爬树机器人关键技术分析

2.1 机器人机械结构设计

2.1.1 抓紧结构设计

在爬树机器人中抓紧结构设计较为成熟的方式主要以环抱式以及爪刺式两种。环抱式的抓紧结构设计实用性高，主要有轮式机构结合以及多环结构。环抱式的抓紧结构在攀爬过程中的受力负载均匀，运动作业稳定。当下环抱式的抓紧结构主要应用于树木整枝、果实采摘以及高空清洗作业。爪刺式抓紧结构能够实现树干到树枝的过渡攀爬，这是其他形态的抓紧结构无法满足的功能。然而，爪刺式抓紧结构的表面粗糙度标准、攀升角度要求较高，只能在松软粗糙的表面工作，否则容易坠落。

其他非常见的抓紧结构设计主要包括夹持式以及缠绕式两种。夹持式攀爬方式的夹持机构能够大幅度脱离待攀爬树件，拥有较高的自由度和机动性，可灵活完成攀爬作业。夹持式攀爬方式主要应用在复杂的刚性椼架结构当中，然而由于作性不强，尚且未广泛使用开来。缠绕式爬树机器人的柔性化以及越障性程度高，然而除了执行监测探测作业外，其他方面的实用性不明显。

2.1.2 防坠结构设计

防坠结构大多会与环抱式抓紧结构相结合使用，主要分为主动与被动防坠，可避免爬树机器人在外界条件影响下而坠落。其中主动防坠机构是通过爬树机器人的内在系统动力，强化爬树机器人与表面之间的摩擦力来避免坠落。被动防坠机构是爬树机器人防止坠落的备用项。通过被动防坠机构，可以依靠重力自锁。既可以防止坠落事故，又能让爬树机器人停留在树干上。

2.1.3 位姿调整机构设计

由于爬树机器人在野外的所作业的树木形状通常呈现不规则形，因此需要持续调节形状的爬树动作。在位姿调整机构设计中主要包括有环状式爬树机器人、环状式爬树机器人和多足仿生爬树机器人三种。环状式爬树机器人通常应用于直径阶段性发生变化的直挺树木。常规的爬树机器人在直挺树木作业时经常会出现卡死或是失去控制的情况。而环状式爬树机器人可以有效装位姿调整机构，高效完成剪枝等各种作业。双手爪爬树机器人内部的模块化设计是以柔性材料为主，其驱动性以及自由度明显较高，可灵活挑战自身的作业形态。而多足仿生爬树机器人主要是通过调节腿部结构的运动，来完成爬树动作以及姿态调整。

2.2 爬树机器人运动规划与避障

由于爬树机器人在各项作业时，并非单一的线性路径，因为研究爬树机器人的避障功能具有重要意义。爬树机器人的避障功能时通过多种智能传感以及信息处理技术相整合，控制爬树机器人自主躲开外界障碍物的进行攀爬作业。对于爬树机器人的避障功能研究目前相对较少，主要包括全局以及局部的避障规划。当下对于爬树机器人的避障眼睛就主要是通过合理的规划路径和导航，从而优化爬树机器人的爬升作业。以动态的规划模式，让爬树机器人自主的可以确认作业位置的适合路径，其适用范围非常长的广泛。

2.3 爬树机器人控制系统

爬树机器人控制系统通常由机身内部的微型计算机系统以及地面的手动控制系统两部分组成。爬树机器人控制系统通过用数学信息模型通过反馈回路控制器进行精细化控制。爬树机器人可以通过相邻电机转速调控，来调整支腿的倾斜角度。随着对于爬树机器人的深入研究，其功能也不断的多样化，整体结构越发的复杂。随着处理的数据不断增多，爬树机器人控制系统的数学信息处理模式的建立难度也不断增大。

3 爬树机器人发展趋势

3.1 功能的感知化和多样化

在爬树机器人中由于对于外界障碍物的感知的需求，其传感器类型较多。当下爬树机器人传感器分布越发的立体化与多样化。通过充分结合微型数据智能信息系统，来强化爬树机器人的感知作用，让爬树机器人能够在未知环境中及时精准获取外界信息。通过，通过感知化能够让爬树机器人加快其整体的图像处理能力。这样在各种高空作业当中，可以实现爬树机器人的导航规划以及避障功能，显著提升作业效率与质量。爬树机器人在作业过程中，由于其载重复核较少，只能携带较少的设备进行作业。为提升作业效率，需在小型化的基础上，尽可能多的携带多种设备，使其具有广泛的适用性。

3.2 能量来源更加绿色环保

随着科技的快速发展，环保成为了当今社会大家都非常关注的焦点。使用新型能源来节省爬树机器人的能耗是非常普遍的，既减少了能源损耗又实现了绿色能源的可持续利用。环境保护工作一直以来都是受人民重视的问题，爬树机器人的发展也必须遵守国家规定，保证生产环境的质量并积极相应该政策内容。所以在爬树机器人生产的过程中，需要重视对生产废物的回收处理，做好环境保护工作。当下的爬树机器人主要存在经济性差、环保性能差、自动化水平低以及设备技术水平低等问题。由于爬树机器人的不合理设置，经常会产生能耗浪费的现象，使得爬树机器人的经济性显著下降。在爬树机器人用电的循环利用以及环保处理等缺乏突破性进展，相关系统没有正常投用，严重影响爬树机器人的节能优化。在爬树机器人中，有硬件和软件等自动化设备配备不齐全，管理人员只能单一的通过人工维护。不仅工作量大，且无法及时发现设备存在的问题。相关单位需充分考虑其经济效益以及生态环境的保护。过去传统的以牺牲环境为代价的快速发展已经不可取，国家也推行出可持续的发展的重大战略。在爬树机器人的节能技术研发过程中就必须充分考虑到能源的耗费问题，在开始的技术目标上就需要设定好能源预算，避免不必要的能源浪费。相关单位在爬树机器人的技术研发上需要有一整套的科学程序。在爬树机器人节能实施的环节中需严格执行相关标准，任何程序不可忽略甚至违反。灵活依照相关规章制度为基础，严格按照制度标准对监管行为进行约束，确保行为的规范化、标准化。监管机构需要根据自身的监管工作不断健全综合管理制度，如责任制度、监控制度、处罚制度等。监管工作需要对爬树机器人的环保的指标不断清晰化，让每个指标中的评价数据能够对监管人员的监管行为清晰反应。

3.3 智能化的发展趋势

随着对大数据和云计算的深入研究，未来社会将会更加智能化。人们的生活也会逐渐智能化，爬树机器人也不例外。爬树机器人的智能化发展趋势有以下两个原因：第一是因为社会环境的外在影响。在其他行业进行智能化改革时，爬树机器人技术也必须进行智能化的发展。否则就无法跟进社会的生产需求，造成严重的市场紊乱。第二是因为爬树机器人本身的特点。它本来就是高科技的副产物，还存在着一定的生产问题，只有继续智能化才能解决目前的技术问题。在爬树机器人当中包含许多的技术工序，通过爬树机器人的智能化管理。将各个技术工序有机串联，基于图像显示技术对各个工序进行实时监控。当某个工艺技术出现问题时，工作人员可以通过数据反馈进行找到问题的原因，从而降低爬树机器人故障发生的时间和维修成本。在爬树机器人作业当中，将大量的信息数据进行互通共享，让工作人员充分了解工程实施情况，提升工作效率。爬树机器人不仅自身较为繁杂，同时与相关技术紧密相连。因为，在爬树机器人正式开展前，需要做好充足的技术准备。通过切实可行的实施方案，以优质的技术力量来顺利推进爬树机器人的开展。有保障爬树机器人的整体质量，显著提升爬树机器人的质量水平。通过智能化的管理模式，将爬树机器人的多方面因素进行统一协调分配。以最大的能效来发挥各自的作用，实现工程数据信息的共享互通。从而降低成本，获取最高的经济利益。

4 结语

总而言之，当下国内外对于爬树机器人的研究已经取得了部分突破性的成果，然而还是存在巨大的发展空间。在实用性要求上无法达到社会的发展要求，且由于作业环境的复杂化，为爬树机器人的研发带来了许多困难。社会的飞速发展对制造业的生产有利也有弊，爬树机器人是企业抓住机遇得来的。在未来，科研人员还需要做出下一步的抉择，带领爬树机器人及自动化技术闯出另一片天空，为爬树机器人打造更加美好的未来。相关研究人员需不断提高自我的专业素养，基于当下存在的主要问题，对爬树机器人展开进一步的探索与研究。