尤顯達(dá) 許娜 王正秀 張彬 馬繼東

[摘? ? 要]? 機(jī)器人是21世紀(jì)最具代表性的光機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代化工業(yè)國(guó)家正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，各種工業(yè)機(jī)器人的商品樣機(jī)不斷進(jìn)入市場(chǎng)，在這種情況下，模擬工業(yè)機(jī)器人來(lái)開(kāi)發(fā)各種各樣的機(jī)器人是一個(gè)很需要重視的領(lǐng)域，它作為機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)教育的教學(xué)工具，對(duì)人才培養(yǎng)和高新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。文章介紹了國(guó)內(nèi)外爬樹(shù)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)其進(jìn)行了功能原理分析，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外爬樹(shù)機(jī)器人現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)爬樹(shù)機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析，并設(shè)計(jì)一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人檢測(cè)其實(shí)用性。

[關(guān)鍵詞]爬樹(shù)機(jī)器人;攝像頭;防護(hù)結(jié)構(gòu)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）04–0–04

A Tree Climbing Robot with Camera Protection Structure

You Xian-da，Xu Na，Wang Zheng-xiu，Zhang Bin，Ma Ji-dong

[Abstract]Robot is the most representative optical electromechanical integration technology system in the 21st century. Industrial robots are being more and more widely used in modern industrial countries， and the commodity prototypes of various industrial robots are constantly entering the market. In this case， simulating industrial robots to develop various robots is a field that needs to be paid attention to. It is used as a teaching tool for the education of robot technology， computer technology and mechatronics technology， It is of great significance to the cultivation of talents and the popularization and application of high and new technology. This paper introduces the development status of tree climbing robot at home and abroad， and analyzes its functional principle. On the basis of summarizing the current situation of tree climbing robot at home and abroad， this paper makes mechanism design and theoretical analysis of tree climbing robot， and designs a tree climbing robot with camera protection structure to test its practicability.

[Keywords]tree climbing robot; camera; protective structure

涉及爬樹(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人。其技術(shù)方案包括：機(jī)器人機(jī)身和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭。機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，所述攝像頭防護(hù)罩的一側(cè)開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口，另一側(cè)開(kāi)設(shè)有與進(jìn)氣口相對(duì)的出塵口，所述機(jī)器人機(jī)頭頂部且位于進(jìn)氣口的一側(cè)固定連接有吹氣泵。通過(guò)在攝像頭外側(cè)增加攝像頭防護(hù)罩的設(shè)計(jì)，可以將攝像頭附近的枝葉推開(kāi)，減少枝葉對(duì)攝像頭的刮擦;攝像頭防護(hù)罩具有可拆卸功能，即可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)景自由選擇使用。

1 基信息

1.1 背景技術(shù)

機(jī)器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機(jī)器，具有感知、決策、執(zhí)行等特征，可以輔助甚至替代人類(lèi)完成危險(xiǎn)、繁重、復(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)人類(lèi)生活，擴(kuò)大或延伸人的活動(dòng)及能力范圍。爬樹(shù)機(jī)器人是指具有攀爬能力的機(jī)器人，能面向農(nóng)業(yè)、林業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域的高空作業(yè)。爬樹(shù)機(jī)器人搭配攝像頭，可以在高空作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)攝錄功能。爬樹(shù)機(jī)器人的攝像頭缺少防護(hù)裝置，在爬樹(shù)時(shí)，枝葉容易與攝像頭發(fā)生刮擦。監(jiān)控?cái)z像機(jī)的清晰度指影像上各細(xì)部影紋及其邊界的清晰程度。通過(guò)看重放圖像的清晰程度比較圖像質(zhì)量，所以常用清晰度一詞。而攝像機(jī)一般使用分解力一詞來(lái)衡量它“分解被攝景物細(xì)節(jié)”的能力。意思是從水平方向上看，相當(dāng)于將每行掃描線豎立起來(lái)，然后乘上4/3（寬高比），構(gòu)成水平方向的總線，稱(chēng)水平分解力。但無(wú)論是CCD（CMOS）像素是CCD（CMOS）的主要性能指標(biāo)如何優(yōu)越，出現(xiàn)在鏡頭表面的污垢決定了另一因素對(duì)顯示圖像的清晰程度、分辨率、圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)好與壞。

1.2 課題的來(lái)源、目的和意義

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1980年后，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)不斷地進(jìn)步，而且機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用在了各個(gè)領(lǐng)域。各國(guó)都專(zhuān)注于針對(duì)機(jī)器人的研究，許多發(fā)達(dá)國(guó)家把機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和機(jī)器人的應(yīng)用列入國(guó)家高新技術(shù)的發(fā)展計(jì)劃，所以針對(duì)機(jī)器人制作和研究的領(lǐng)域也越來(lái)越多，研究機(jī)器人類(lèi)型的劃分也越來(lái)越多，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于爬樹(shù)機(jī)器人的資料較少，而爬樹(shù)機(jī)器人作為爬行機(jī)器人的一個(gè)分支，將借鑒爬行機(jī)器人的相關(guān)理論來(lái)分析爬樹(shù)機(jī)器人的具體發(fā)展?fàn)顩r。9B178129-0589-4EEC-87E3-FCDD26843F0E

當(dāng)前，雖然爬行機(jī)器人的研究取得了非常大的進(jìn)展，但是在一些復(fù)雜情況下，爬樹(shù)機(jī)器人的應(yīng)用仍然不能讓人滿意。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜和運(yùn)算量的增加，對(duì)于爬樹(shù)機(jī)器人設(shè)備的計(jì)算能力，也需要提升。因?yàn)榕罉?shù)機(jī)器人需要進(jìn)行靈活的攀爬，而機(jī)器人的計(jì)算系統(tǒng)又比較繁重，所以需要靈活爬行的機(jī)器人難以攜帶大量的計(jì)算設(shè)備。在設(shè)計(jì)爬樹(shù)機(jī)器人時(shí)，需要將機(jī)器人和計(jì)算機(jī)分開(kāi)，機(jī)器人只負(fù)責(zé)傳遞感覺(jué)和視覺(jué)，按照系統(tǒng)的規(guī)劃，傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的計(jì)算機(jī)上，再由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，對(duì)于收集到的信息進(jìn)行歸納和處理，再由遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)發(fā)出一定的控制信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人收到信號(hào)后控制整個(gè)爬樹(shù)機(jī)器人的行為。與此同時(shí)，將現(xiàn)在發(fā)展速度飛快的VR技術(shù)應(yīng)用在爬行機(jī)器人的行動(dòng)導(dǎo)航中，是一個(gè)較為可行的辦法，在整個(gè)控制爬行機(jī)器人的智能系統(tǒng)中，使用較為單一的智能控制方法不能取得更好的效果，所以需要執(zhí)行協(xié)調(diào)和管理3個(gè)層次齊全的智能系統(tǒng)，采取統(tǒng)籌兼顧的方法，才能使爬行機(jī)器人的活動(dòng)和行為有更好的規(guī)范。

1.3 技術(shù)領(lǐng)域

傳感器融合技術(shù)在近年來(lái)被引入機(jī)器人導(dǎo)航研究中，并以取得令人振奮的成果，采用常規(guī)傳感器導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人將成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。當(dāng)然，在一些復(fù)雜的地理?xiàng)l件下，非視覺(jué)傳感器的探測(cè)范圍就不如視覺(jué)系統(tǒng)那么完整，目前對(duì)于一些高精度的導(dǎo)航還難以勝任，因而開(kāi)發(fā)傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，以及提出新的融合方法完善探測(cè)的結(jié)果，都將是重要的研究方向。

視覺(jué)導(dǎo)航研究由于受到現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的限制而發(fā)展較慢，但隨著計(jì)算機(jī)圖像處理能力和技術(shù)的提高，加之視覺(jué)導(dǎo)航具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、目標(biāo)信息完整等優(yōu)勢(shì)，在圖像處理速度得到解決以后，視覺(jué)導(dǎo)航仍然是主要導(dǎo)航方式。

文章涉及爬樹(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人。

2 內(nèi)容

文章的目的是針對(duì)背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人。

技術(shù)方案：一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，包括機(jī)器人機(jī)身和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭，機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，攝像頭防護(hù)罩的一側(cè)開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口，攝像頭防護(hù)罩另一側(cè)開(kāi)設(shè)有與進(jìn)氣口相對(duì)的出塵口，機(jī)器人機(jī)頭頂部且位于進(jìn)氣口的一側(cè)固定連接有吹氣泵。

攝像頭防護(hù)罩一側(cè)開(kāi)設(shè)有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第一螺軸的安裝槽。

攝像頭防護(hù)罩一側(cè)設(shè)有開(kāi)口，開(kāi)口兩端處固定連接有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第二螺軸的安裝條。

機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第一螺軸相匹配的第一螺栓孔。

機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第二螺軸相匹配的第二螺栓孔。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，有益效果是：

（1）通過(guò)在攝像頭外側(cè)增加攝像頭防護(hù)罩的設(shè)計(jì)，可以將攝像頭附近的枝葉推開(kāi)，減少枝葉對(duì)攝像頭的刮擦;

（2）圖中的攝像頭防護(hù)罩具有可拆卸功能，即可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)景自由選擇使用;

（3）通過(guò)吹氣泵、進(jìn)氣口和出塵口的設(shè)計(jì)，便于將落到攝像頭上的落葉吹除，避免落葉擋住攝錄鏡頭。

圖1給出一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為圖1中A處的放大示意圖;圖3為圖2的俯視圖;圖4為圖2在實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，包括機(jī)器人機(jī)身和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭，其特征在于：所述機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，所述攝像頭防護(hù)罩的一側(cè)開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口，所述攝像頭防護(hù)罩另一側(cè)開(kāi)設(shè)有與進(jìn)氣口相對(duì)的出塵口，所述機(jī)器人機(jī)頭頂部且位于進(jìn)氣口的一側(cè)固定連接有吹氣泵。

（2）根據(jù)圖中1所述的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，其特征在于，攝像頭防護(hù)罩一側(cè)開(kāi)設(shè)有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第一螺軸的安裝槽。

（3）根據(jù)圖中1或2所述的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，其特征在于，攝像頭防護(hù)罩一側(cè)設(shè)有開(kāi)口，開(kāi)口兩端處固定連接有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第二螺軸的安裝條。

（4）根據(jù)圖中2所述的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，其特征在于，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第一螺軸相匹配的第一螺栓孔。

（5）根據(jù)圖中3所述的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，其特征在于，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第二螺軸相匹配的第二螺栓孔。

2.1 實(shí)施例一

如圖1，圖2，圖3所示，提出的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，包括機(jī)器人機(jī)身和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭，機(jī)器人機(jī)身兩側(cè)連接有用于攀爬的智能爬行肢，機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，攝像頭防護(hù)罩前側(cè)開(kāi)設(shè)有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第一螺軸的安裝槽，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第一螺軸相匹配的第一螺栓孔。攝像頭防護(hù)罩后側(cè)設(shè)有開(kāi)口，開(kāi)口兩端處固定連接有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第二螺軸的安裝條，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第二螺軸相匹配的第二螺栓孔。

實(shí)施例中，將攝像頭防護(hù)罩置于機(jī)器人機(jī)頭頂部，使第一螺軸底端與第一螺栓孔對(duì)齊，第二螺軸與第二螺栓孔對(duì)齊，分別轉(zhuǎn)動(dòng)第一螺軸和第二螺軸，使第一螺軸與第一螺栓孔固定連接，第二螺軸與第二螺栓孔固定連接，從而完成攝像頭防護(hù)罩在機(jī)器人機(jī)頭上的安裝，機(jī)器人在攀爬時(shí)，攝像頭防護(hù)罩可以將位于攝像頭上方的部分枝葉擋開(kāi)，從而減少枝葉對(duì)攝像頭的剮蹭。

2.2 實(shí)施例二

如圖1，圖2，圖3所示，提出的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，包括機(jī)器人機(jī)身1和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭，機(jī)器人機(jī)身1兩側(cè)連接有用于攀爬的智能爬行肢，機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，攝像頭防護(hù)罩前側(cè)開(kāi)設(shè)有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第一螺軸的安裝槽，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第一螺軸相匹配的第一螺栓孔。攝像頭防護(hù)罩后側(cè)設(shè)有開(kāi)口，開(kāi)口兩端處固定連接有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第二螺軸的安裝條，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第二螺軸相匹配的第二螺栓孔。

實(shí)施例中，還包括：攝像頭防護(hù)罩的一側(cè)開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口，攝像頭防護(hù)罩另一側(cè)開(kāi)設(shè)有與進(jìn)氣口相對(duì)的出塵口，機(jī)器人機(jī)頭頂部且位于進(jìn)氣口的一側(cè)通過(guò)螺栓固定連接有吹氣泵。吹氣泵通過(guò)進(jìn)氣口向攝像頭防護(hù)罩內(nèi)吹風(fēng)，從而將落到攝像頭上的落葉由出塵口處吹除，避免落葉擋住攝錄鏡頭。

2.3 實(shí)施例三

如圖1、圖2和圖4所示，提出的一種帶有攝像頭防護(hù)結(jié)構(gòu)的爬樹(shù)機(jī)器人，包括機(jī)器人機(jī)身和固定連接于機(jī)器人機(jī)身頂端的機(jī)器人機(jī)頭以及固定連接于機(jī)器人機(jī)頭頂端的攝像頭，機(jī)器人機(jī)身兩側(cè)連接有用于攀爬的智能爬行肢，機(jī)器人機(jī)頭的頂端且位于攝像頭外側(cè)可拆卸式連接有攝像頭防護(hù)罩，攝像頭防護(hù)罩前后側(cè)均開(kāi)設(shè)有用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接第一螺軸的安裝槽，機(jī)器人機(jī)頭頂部開(kāi)設(shè)有與第一螺軸相匹配的第一螺栓孔，攝像頭防護(hù)罩的一側(cè)開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口，攝像頭防護(hù)罩另一側(cè)開(kāi)設(shè)有與進(jìn)氣口相對(duì)的出塵口，機(jī)器人機(jī)頭頂部且位于進(jìn)氣口的一側(cè)通過(guò)螺栓固定連接有吹氣泵。

實(shí)施例中，將攝像頭防護(hù)罩設(shè)計(jì)為一個(gè)完整的漏斗形結(jié)構(gòu)，相較于實(shí)施例一或?qū)嵤├浞雷o(hù)范圍更廣，但是加工耗材更多。

上述具體實(shí)施例僅僅是的幾種優(yōu)選的實(shí)施例，基于的技術(shù)方案和上述實(shí)施例的相關(guān)啟示，領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)上述具體實(shí)施例做出多種替代性的改進(jìn)和組合。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于該機(jī)器人體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)工作環(huán)境的不同，能夠完成在高空的一系列動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能：

在懸鎖橋及斜拉橋上的探傷。該機(jī)器人可以方便的爬行在鋼纜繩上，通過(guò)安裝探傷儀可以檢測(cè)到一切可能的事故的隱患，而且操作方便，不但節(jié)約資源而且能夠保證工作的可持續(xù)性。帆船的船帆懸掛及檢查。高層樓宇外觀清潔管道檢測(cè)維修、隧道掘進(jìn)、高層建筑頂制件安裝、墻面施工傳遞物資、檢查電纜有無(wú)故障等工作。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李毅.仿生爬樹(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與步態(tài)軌跡規(guī)劃研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2020.9B178129-0589-4EEC-87E3-FCDD26843F0E