摘 要

爬树机器人是一种代替人类进行高空危险工作的机器人，其主要功能为采摘果实、修剪树枝、军事侦察等。自21世纪西方爬树机器人的研究不断取得成果，并在农业林业得到广泛应用。而国内仍在初步发展阶段，随着国内科技不断强大，爬树机器人在国内将拥有更广阔的应用前景。

本文首先对国内外近年来研制出的爬树机器人，进行结构分析、比较，了解到爬树机器人的夹紧方式有环抱式、爪刺式、夹持式以及最新推出的缠绕式，其中环抱式只能运用到直立无分叉的树干中，爪刺式对树干表面要求较高，夹持式操作性不足，缠绕式只能爬上树干，其他功能还有待研发。综合比较本文选用工作可靠并可以从树干攀爬到树枝的爪刺式夹紧机构

爬升运动是爬树机器人的核心运动。从近年来研究出的爬树机器人对比分析，环抱式可以利用小车或者轮子在电机驱动下爬升，缠绕式则通过各模块摩擦上升，而其他两种夹紧方式则需要靠其他辅助机构将电机回转运动转换成直线运动，本文设计的机器人就是利用曲柄滑块能将回转运动转化为直线运动的特性来使机器人爬升。

在曲柄滑块机构的基础上，设计了以丝杠为主要传动部件的夹紧机构。在整体设计完成后，在SolidWorks上进行建模、装配及运动仿真。

关键词：爬树机器人；曲柄滑块；仿真

Abstract

A tree-climbing robot is a robot that replaces humans for high-altitude dangerous work. Its main functions are picking fruits, pruning branches, and military reconnaissance. Since the 21st century, the research of western tree-climbing robots has continuously achieved results and has been widely used in agricultural and forestry. But the domestic is still in the initial development stage. With the continuous strengthening of domestic technology, tree climbing robots will have broader application prospects in China.

This article first analyzes and compares the structure of tree-climbing robots developed in recent years at home and abroad, and understands that the clamping methods of tree-climbing robots include embracing type, claw type, clamping type and the latest winding type. It can only be applied to the upright trunk without bifurcation. The claw-thorn type has high requirements on the surface of the trunk, and the clamping type is not easy to operate. The winding type can only climb up the trunk. Other functions have yet to be developed. Comprehensive comparison This article selects a claw-type clamping mechanism that works reliably and can climb from the trunk to the branch

Climbing movement is the core movement of a tree climbing robot. From the comparative analysis of tree climbing robots developed in recent years, the embracing type can use a trolley or wheels to climb under the drive of the motor, the winding type increases through the friction of each module, and the other two clamping methods need to rely on other auxiliary mechanisms to rotate the motor The motion is converted into linear motion. The robot designed in this paper uses the characteristics of the crank slider to convert rotary motion into linear motion to make the robot climb.

Based on the crank slider mechanism, a clamping mechanism with a screw as the main transmission component is designed. After the overall design is completed, modeling, assembly and motion simulation are performed on SolidWorks.

Key Words：tree climbing robots；crank slider; simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1爬树机器人研究背景及其意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 3

1.3发展趋势和存在问题 3

1.4研究内容 4

第2章 机器人结构的总体设计 5

2.1 机器人坐标形式的选择 5

2.2 机器人整体机构方式的选择 6

2.3 机器人驱动方式的选择 7

2.4 机器人的结构设计 8

2.4.1 机械爪结构及其工作原理 8

2.4.2 丝杠螺母的工作原理 9

2.4.3 曲柄、连杆的设计 10

2.5 机器人的工作原理 11

2.6 本章小结 11

第3章 控制系统 12

3.1 AT89C51单片机的介绍 12

3.1.1 AT89C51管脚说明 13

3.1.2 时钟电路 14

3.1.3 复位电路 15

3.2 AT89C51单片机的串行通信及选择 15

3. 3 数模转换硬件的选择 16

3.4 电源的选择 17

3.5 电机驱动芯片的选择 17

3.6 软件部分的设计 18

3.6.1 硬件部分控制图 18

3.6.2 控制系统流程图 19

3.7 本章小结 20

第4章 机器人结构的总体设计 21

4.1 运动学建模 21

4.2机器人动画仿真过程 22

4.3 滑块的位移 25

4.4 滑块的速度 25

4.5 滑块的加速度 26

4.6 本章小结 26

结论 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 爬树机器人研究背景及其意义

随着科技的进步和社会经济的发展，人民的生活水平日益提高^[1][1]，对不同行业和领域的高空作业施工技术要求的难度也越来越大。其中，林业行业工程中的高空爬树作业的施工需求也不断地扩大和提高，例如摘采果实、修剪树枝等。目前机器人代替人类身体进行机械性劳动的技术普及和应用程度是我们作为衡量国家的工业化发展水平的重要标准之一。而且由于在高空作业中，工作人员进行操作的难度大、劳动效率低、危险程度高，难以有效保证专业操作技术人员的生命安全，进而直接导致了人工成本的提高、找不到一批合格的专业操作技术人员等一系列的问题。因此,爬树作业机器人的技术研究和应用发展仍然具有历史性的重大意义。

1.2 国内外研究现状