爬樹機器人的研究現狀淺析

黃天姿，王媛媛，池泓穎，熊志乾，劉曉利

早在20世紀初期，“機器人”的概念便開始誕生，成為現代主要的高精尖技術領域。機器人技術能夠幫助社會完成各種危險活動，不僅能夠解放大量傳統的勞動力，更有助于保障作業人員的安全。爬樹機器人將多項智能化技術進行整合，在高空作業領域中發生了巨大的作用。盡管各國目前已經著力于爬樹機器人的研究，但總體處于起步階段，仍存在一定的發展空間。

1 爬樹機器人國內外研究現狀

1.1 爬樹機器人國外研究現狀

1.1.1 美國

在2008年，美國卡內基梅隆大學以及斯坦福大學聯合其國內的計算機企業聯合研究優化爬樹機器人的內部結構。通過將傳統的爬樹機器人的內部結構與仿生學充分結合，打造了第一個六足爬樹機器人。顧名思義，這款機器人的主要特色在于每個支腿之間具有獨立的模塊，存在較高的自由度。在微型計算機的控制下，六足爬樹機器人能夠利用支腿的倒刺，產生高強度的貼片，可以在表面光滑程度不同的表明自由行走。六足爬樹機器人的最高速度可達4cm/s，最大傾角為650°。

其后，美國斯坦福大學又以壁虎腳趾為設計核心理念，研制出仿生壁虎機器人。仿生壁虎機器人的支腿由干性勤附材料制作而成，具有較強的粘性作用以及負載力。在一定程度內的負載壓力下，仿生壁虎機器人可以通過支腿的肌鍵支撐真題結構，避免墜落事故。在美國最新的爬樹機器人研究主要是卡內基梅隆大學所研制的仿蛇形爬樹機器人。仿蛇形爬樹機器人所組成的模塊共有16個，其如同螺旋步態的蛇形一樣前進，翻滾爬樹能力較高。這種機器形態的纏繞式步態，為爬樹機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，日本對于爬樹機器人的研制主要集中于日本岐阜大學。修剪整枝的整體質量輕盈，速度較快，能夠有效防止樹枝對機器人的咬合，可以通過重力實現自鎖功能。

印度韋洛爾理工大學在檳榔修剪工作任務中萌生自主爬樹整枝機器人的設計靈感。自主爬樹整枝機器人的自由度相對較高，能夠大幅度改變軀干直徑。通過將負載電池以及直流電動機作為主要的能源輸出動力，能夠高效完成檳榔的切割和修剪。在自主爬樹整枝機器人的內部具有完善的視覺識別系統，通過圖像處理可識別外界環節。對于用戶的顯示屏查看可通過權限設置來提高隱蔽性。在2016年，印度學者設計出性價比高的椰子樹攀爬收獲機器人，通過交替抱樹來完成上下攀升動作。整體由鋁制材料制作而成，具有自動模式以及用戶控制兩種操作模式。

1.2 爬樹機器人國內研究現狀

目前，國內對于爬樹機器人的研究時間明顯較晚，整體處于理論分析階段。香港中文大學在國內最先研制出命名為“Treebot”的爬樹機器人?！癟reebot”是由機體和以及夾持機構構成，可以在樹木上靈活的完成各種爬樹動作。這種爬樹機器人的特點是變形能力強，能夠通過機體的多樣性變形來適應各種不規則的樹木?！癟reebot”爬樹機器人在結構設計以及運動分析、全局路徑規劃方等方面擁有相對完善的構思框架，對國內對于爬樹機器人的研究具有關鍵性的啟發意義。

在2012年，華南理工大學通過猿猴等生物的等生物為設計靈感，研制出爪式爬樹機器人。制出爪式爬樹機器人主要應用于農林業中的高空領域，具有一定的實際意義。由于其內部的回轉關節、擺轉關節等模塊，制出爪式爬樹機器人具有較高的自由度以及柔性度。其整體的研發成本不高，且后期使用過程中容易維護。在2015年，浙江大學成功研制出輪式爬樹機器。輪式爬樹機器內部結構主要由兩個小車、固定控制裝置等組成。驅動車輪上的倒刺具有強附著力，保障輪式爬樹機器在攀爬過程中不會墜落和翻轉。輪式爬樹機器通常重量為1.2kg，速度較快，可達到0.32m/s。而后山東農業大學也研制出爬樹修剪機器人。其主要結構組成相對較多，主要由爬升、轉盤、以及整枝機構組成。爬樹修剪機器人的重量約為40kg，由直流電池為攀爬、修剪作業提供動力來源。爬樹修剪機器人的樹枝殘留量遠小于其他款式的爬樹機器人，且通過特殊的整枝機構所覆蓋的修剪范圍廣。

2 爬樹機器人關鍵技術分析

2.1 機器人機械結構設計

2.1.1 抓緊結構設計

在爬樹機器人中抓緊結構設計較為成熟的方式主要以環抱式以及爪刺式兩種。環抱式的抓緊結構設計實用性高，主要有輪式機構結合以及多環結構。環抱式的抓緊結構在攀爬過程中的受力負載均勻，運動作業穩定。當下環抱式的抓緊結構主要應用于樹木整枝、果實采摘以及高空清洗作業。爪刺式抓緊結構能夠實現樹干到樹枝的過渡攀爬，這是其他形態的抓緊結構無法滿足的功能。然而，爪刺式抓緊結構的表面粗糙度標準、攀升角度要求較高，只能在松軟粗糙的表面工作，否則容易墜落。

其他非常見的抓緊結構設計主要包括夾持式以及纏繞式兩種。夾持式攀爬方式的夾持機構能夠大幅度脫離待攀爬樹件，擁有較高的自由度和機動性，可靈活完成攀爬作業。夾持式攀爬方式主要應用在復雜的剛性椼架結構當中，然而由于作性不強，尚且未廣泛使用開來。纏繞式爬樹機器人的柔性化以及越障性程度高，然而除了執行監測探測作業外，其他方面的實用性不明顯。

2.1.2 防墜結構設計

防墜結構大多會與環抱式抓緊結構相結合使用，主要分為主動與被動防墜，可避免爬樹機器人在外界條件影響下而墜落。其中主動防墜機構是通過爬樹機器人的內在系統動力，強化爬樹機器人與表面之間的摩擦力來避免墜落。被動防墜機構是爬樹機器人防止墜落的備用項。通過被動防墜機構，可以依靠重力自鎖。既可以防止墜落事故，又能讓爬樹機器人停留在樹干上。

2.1.3 位姿調整機構設計

由于爬樹機器人在野外的所作業的樹木形狀通常呈現不規則形，因此需要持續調節形狀的爬樹動作。在位姿調整機構設計中主要包括有環狀式爬樹機器人、環狀式爬樹機器人和多足仿生爬樹機器人三種。環狀式爬樹機器人通常應用于直徑階段性發生變化的直挺樹木。常規的爬樹機器人在直挺樹木作業時經常會出現卡死或是失去控制的情況。而環狀式爬樹機器人可以有效裝位姿調整機構，高效完成剪枝等各種作業。雙手爪爬樹機器人內部的模塊化設計是以柔性材料為主，其驅動性以及自由度明顯較高，可靈活挑戰自身的作業形態。而多足仿生爬樹機器人主要是通過調節腿部結構的運動，來完成爬樹動作以及姿態調整。

2.2 爬樹機器人運動規劃與避障

由于爬樹機器人在各項作業時，并非單一的線性路徑，因為研究爬樹機器人的避障功能具有重要意義。爬樹機器人的避障功能時通過多種智能傳感以及信息處理技術相整合，控制爬樹機器人自主躲開外界障礙物的進行攀爬作業。對于爬樹機器人的避障功能研究目前相對較少，主要包括全局以及局部的避障規劃。當下對于爬樹機器人的避障眼睛就主要是通過合理的規劃路徑和導航，從而優化爬樹機器人的爬升作業。以動態的規劃模式，讓爬樹機器人自主的可以確認作業位置的適合路徑，其適用范圍非常長的廣泛。

2.3 爬樹機器人控制系統

爬樹機器人控制系統通常由機身內部的微型計算機系統以及地面的手動控制系統兩部分組成。爬樹機器人控制系統通過用數學信息模型通過反饋回路控制器進行精細化控制。爬樹機器人可以通過相鄰電機轉速調控，來調整支腿的傾斜角度。隨著對于爬樹機器人的深入研究，其功能也不斷的多樣化，整體結構越發的復雜。隨著處理的數據不斷增多，爬樹機器人控制系統的數學信息處理模式的建立難度也不斷增大。

3 爬樹機器人發展趨勢

3.1 功能的感知化和多樣化

在爬樹機器人中由于對于外界障礙物的感知的需求，其傳感器類型較多。當下爬樹機器人傳感器分布越發的立體化與多樣化。通過充分結合微型數據智能信息系統，來強化爬樹機器人的感知作用，讓爬樹機器人能夠在未知環境中及時精準獲取外界信息。通過，通過感知化能夠讓爬樹機器人加快其整體的圖像處理能力。這樣在各種高空作業當中，可以實現爬樹機器人的導航規劃以及避障功能，顯著提升作業效率與質量。爬樹機器人在作業過程中，由于其載重復核較少，只能攜帶較少的設備進行作業。為提升作業效率，需在小型化的基礎上，盡可能多的攜帶多種設備，使其具有廣泛的適用性。

3.2 能量來源更加綠色環保

隨著科技的快速發展，環保成為了當今社會大家都非常關注的焦點。使用新型能源來節省爬樹機器人的能耗是非常普遍的，既減少了能源損耗又實現了綠色能源的可持續利用。環境保護工作一直以來都是受人民重視的問題，爬樹機器人的發展也必須遵守國家規定，保證生產環境的質量并積極相應該政策內容。所以在爬樹機器人生產的過程中，需要重視對生產廢物的回收處理，做好環境保護工作。當下的爬樹機器人主要存在經濟性差、環保性能差、自動化水平低以及設備技術水平低等問題。由于爬樹機器人的不合理設置，經常會產生能耗浪費的現象，使得爬樹機器人的經濟性顯著下降。在爬樹機器人用電的循環利用以及環保處理等缺乏突破性進展，相關系統沒有正常投用，嚴重影響爬樹機器人的節能優化。在爬樹機器人中，有硬件和軟件等自動化設備配備不齊全，管理人員只能單一的通過人工維護。不僅工作量大，且無法及時發現設備存在的問題。相關單位需充分考慮其經濟效益以及生態環境的保護。過去傳統的以犧牲環境為代價的快速發展已經不可取，國家也推行出可持續的發展的重大戰略。在爬樹機器人的節能技術研發過程中就必須充分考慮到能源的耗費問題，在開始的技術目標上就需要設定好能源預算，避免不必要的能源浪費。相關單位在爬樹機器人的技術研發上需要有一整套的科學程序。在爬樹機器人節能實施的環節中需嚴格執行相關標準，任何程序不可忽略甚至違反。靈活依照相關規章制度為基礎，嚴格按照制度標準對監管行為進行約束，確保行為的規范化、標準化。監管機構需要根據自身的監管工作不斷健全綜合管理制度，如責任制度、監控制度、處罰制度等。監管工作需要對爬樹機器人的環保的指標不斷清晰化，讓每個指標中的評價數據能夠對監管人員的監管行為清晰反應。

3.3 智能化的發展趨勢

隨著對大數據和云計算的深入研究，未來社會將會更加智能化。人們的生活也會逐漸智能化，爬樹機器人也不例外。爬樹機器人的智能化發展趨勢有以下兩個原因：第一是因為社會環境的外在影響。在其他行業進行智能化改革時，爬樹機器人技術也必須進行智能化的發展。否則就無法跟進社會的生產需求，造成嚴重的市場紊亂。第二是因為爬樹機器人本身的特點。它本來就是高科技的副產物，還存在著一定的生產問題，只有繼續智能化才能解決目前的技術問題。在爬樹機器人當中包含許多的技術工序，通過爬樹機器人的智能化管理。將各個技術工序有機串聯，基于圖像顯示技術對各個工序進行實時監控。當某個工藝技術出現問題時，工作人員可以通過數據反饋進行找到問題的原因，從而降低爬樹機器人故障發生的時間和維修成本。在爬樹機器人作業當中，將大量的信息數據進行互通共享，讓工作人員充分了解工程實施情況，提升工作效率。爬樹機器人不僅自身較為繁雜，同時與相關技術緊密相連。因為，在爬樹機器人正式開展前，需要做好充足的技術準備。通過切實可行的實施方案，以優質的技術力量來順利推進爬樹機器人的開展。有保障爬樹機器人的整體質量，顯著提升爬樹機器人的質量水平。通過智能化的管理模式，將爬樹機器人的多方面因素進行統一協調分配。以最大的能效來發揮各自的作用，實現工程數據信息的共享互通。從而降低成本，獲取最高的經濟利益。

4 結語

總而言之，當下國內外對于爬樹機器人的研究已經取得了部分突破性的成果，然而還是存在巨大的發展空間。在實用性要求上無法達到社會的發展要求，且由于作業環境的復雜化，為爬樹機器人的研發帶來了許多困難。社會的飛速發展對制造業的生產有利也有弊，爬樹機器人是企業抓住機遇得來的。在未來，科研人員還需要做出下一步的抉擇，帶領爬樹機器人及自動化技術闖出另一片天空，為爬樹機器人打造更加美好的未來。相關研究人員需不斷提高自我的專業素養，基于當下存在的主要問題，對爬樹機器人展開進一步的探索與研究。