摘要
林业生产和经营是国家生态安全和林业发展的重要部分，林业生产和经营的方式及装备是林业现代化水平的重要体现。基于碳达峰、碳中和的国家战略目标，推进“双碳”绿色发展，升级现有农林机械装备是硬性需求。爬树机器人是一种适用于森林非结构化环境的特种机器人，与传统机器人相比在自然环境中的适应性和灵活性较好，用于探测树木的生长状态、监测病虫害情况、森林高空勘察、采集动植物样本、抚育整枝等领域，具有非常广泛的应用前景。 本研究基于以上发展需求，针对国内外现有爬树机器人结构复杂、可达工作高度较低、负载及转向避障能力较差的问题，结合仿生学、模块化、轻量化、拓扑优化的设计原则，设计了一种结构简单、轻自重、高负载、低耗能、避障转向能力强的爬树机器人。 (1)爬树机器人机械结构设计。分析工作环境及工作方式，设计了爬树机器人升降机构、夹紧机构、转向机构，对爬树机器人夹持失效方式进行分析得出爬树机器人攀爬不同姿态树干时沿树干轴向的受力最大值为250N,根据设计要求及受力分析对关键零部件进行计算和选型，选定爬树机器人材料为铝合金6063-T83,运用SOLIDWORKS设计并装配了爬树机器人的三维样机，测量得出爬树机器人质量为19.25kg,规划了爬树机器人的攀爬步态。 (2)静力学分析验证尺寸设计、材料及电机选择。运用ANSYS对夹紧机构及关键零部件进行静力学分析核验尺寸设计和材料选择的合理性，结果表明夹紧机构的最大变形为5.4×10-3m,发生在夹紧机构爪手末端;夹紧机构所选零件材料为6063-T83铝合金，屈服强度为240MPa,夹紧机构的最大应力为227MPa,小于材料屈服强度，满足强度要求，并且具有较高的强度裕度。对夹紧机构进行模态分析得出前六阶模态振形图，固有频率主要为14.798Hz～186.59Hz,夹紧机构所选电机频率避开了夹紧机构的共振点，验证了电机选型的正确性，判断了夹紧机构电机工作的稳定性。 (3)运动学分析求解工作空间。建立爬树机器人的连杆坐标系，运用D-H法对爬树机器人进行运动学分析求解得出正运动学方程，运用MATLAB建立爬树机器人数学模型验证正运动学，求解了爬树机器人的工作空间。 (4)动力学分析仿真攀爬过程。运用ADAMS对爬树机器人进行动力学分析仿真爬树机器人的攀爬过程，探究攀爬树木过程中运动参数的变化，验证爬树机器人攀爬步态的可行性及结构设计的合理性。 综上所述，通过对爬树机器人的分析，为后续爬树机器人研究提供理论参考，为林业机器人提供研究基础，促进爬树机器人的发展。
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