研究者：福建省泉州市第七中学唐 晋黄 欣
指导教师：杨 利
【摘要】 新型多功能树木高效管理一体机有效地解决了高空作业用人力来进行的这些问题，我们的机器采用摩擦力较大的轮胎并且使用较硬的弹簧，这样能够有效地阻止机器的下滑。而驱动力较大的电机能够使得机器在树上的运行速度快。
相比其他的爬树机器人来说，我们制作的机器人有效地解决了大部分的问题，并在其之上进行改良加强，有效地解决了高处作业的各种难题。是专业工作人员身边的好机器人。
【关键词】 爬树（杆）；树木管理；一体化设计；自旋机器人
一、研究背景
森林里的树木在成长过程中也需要及时除害、整形。城市居民常常会被楼旁笔直树干上的鸟叫或蚊虫干扰，树木高处的枝条也可能会挡住居名楼的视线。现行的方法一般是通过人工进行驱鸟或者是人工通过手压式的喷壶进行除虫，整枝工作大多用人工方法进行，费时费力，如果树木过高，这些方法就行不通了。现在就需要一台能够远程操纵，并且同时能够兼顾多种功能树木高效管理的机器。（见图1）
图1 喷药、整枝、驱虫等树林作业需要大量人力
现在类似的爬树机器人大多为嵌入树内的方式，但嵌入式所体现的问题就十分明显。嵌入式的爬树机器人通常是通过尖脚嵌入树内[1]，通过类似电梯原理把自己往上拉，但这样的问题就在于所携带的工具不能太多，只能在树的一侧进行作业，而且行动的速度过于缓慢，无法达到较好的工作效果。
我们发明的机器人不仅仅可以发挥以上的作用，又因为这些工具都可拆卸，所以拥有很大的拓展空间，在外挂上其他工具便可执行其他的高空作业，而后继也可继续研发出更多不同尺寸和规格，以便于有更广的适用面。
二、基本思路和设计方案
（一）基本思路
为了解决现行人们对于树（杆）上的各种工作需求：如整枝、除虫、驱赶、喷药等，减少人力的使用，消除攀爬高处所造成的危险。通过自适应的环绕装置在树（杆）上绕行并推进，同时外挂多种工具，从而能够进行高处作业或是其他应用。因为所有工具均为外挂，在需要进行其他用途的时候只需稍加改装即可以迅速应用。
（二）方案选择
为了达成目标，这项研究起初我们考虑了两个方案（见图2）：
第一种方案是通过外部的几组尖爪通过抓住物体的表面进行上升，在外部携带工具，但这种方式十分不方便，一是机器人的载重能力并不大，二是行动过于缓慢，三是可拓展性不够高，可实现的功能还不够多。
第二种方案是利用仿生学原理，通过类似于蛇类绕树爬行的原理，通过两组，每组3个动力轮，并将动力轮固定在中央圆盘上并以一定角度倾斜于树的方式环绕向上，在动力轮的后面便是一组弹簧，这组弹簧的存在使得整个机器适用的尺寸有了一个可调节的范围，并且具有一定的越野越障能力。
在充分论证可行性后，我们决定采用第二种方案。
图2 方案设计的选择
（三）机器运动本体制作
我们的机器采用摩擦力较大的轮胎并且使用较硬的弹簧形成30°的双向旋进，这样能够有效地阻止机器的下滑。而驱动力较大的电机能够使得机器在树上的运行速度快。利用倾斜轮摩擦力的分解来随时运动定位至树上任意位置。同时不再限制于固定树的尺寸，一台机器便可适合多种树木（杆）（见图3）。
由于要做到既可以上下行进，又保证不能因自重而掉下来，还能在运动中找到合适的作业点，所以正确的轮胎倾斜度和抓附力度是需要可以调节的，图4中相对运动产生的摩擦力分解的f1对抗重力，而f2用于环绕行进，机器本身设计中考虑了这个因素，让作业者方便适应环境的变化（见图5）。
因为采用了六驱动的方式，使得整部机器的载重和速度大大提高，整体采用单片机控制，爬树机器人能够在笔直的杆上自如地运动，最大的运动速度达到0.2m/s，能够在任意倾斜角度的树干上运动，可携带多达7种不同类型的工具（见图6）。
图3 整体外观
图4 通过弹簧对树干的抓附和轮胎倾斜程度影响
图5 方案设计中的动力行进结构部分
图6 机器本体研制过程和倾斜度测试实验
三、主体结构与功能模块设计
（一）主体结构示意图
这一部分的设计通过采用较硬的弹簧和摩擦阻力较大的轮胎来实现阻止机器的下滑。通过设定不同重量对应不同的速度以获取最大摩擦力。通过改变轮子倾斜角度以适应不同种类的树。实时获得机器人的性能参加，返回上位机，并分析供判断（见图7）。
图7 机器本体自适应运动形态
（二）驱动部分
驱动部分（见图8）：
图8 机器驱动轮的设计制作
（三）功能模块
主要加装的功能模块如下（见图9、图10）：
（1）机器人加装高频声音发生装置，使蝙蝠、鸟类、虫害等受干扰而自行离去。
（2）加装农药喷射装置，在机器主体的周围通过机械壁旋转喷射。
（3）用摄像头传输远程视频到上位机，实时观察机器人的运动状态，使其更能稳定工作。
（4）为了让某些深入树木内部的虫害能被灭杀，我们加装了烟雾发生装置，对准受虫害的枝体，进行作业。
（5）携带锯子等电动工具，剪除多余的枝体，使树木更快更好成材。
图9 可装卸的作业组件：锯、剪、超声波、烟雾液体喷射等工具
图10 工具的多姿态自由运动
图11 高频发声器
四、电路设计
（一）主控模块的选择
图12 机器人主控
我们选择Arduino来作为主控。在学校机器人社团的学习中，我们知道Arduino有如下优势：软件语言仅仅需要几个指令，而且指令的可读性也很强，各种传感器都具有惊人的通用性，在Aduino的体系下，几乎每款控制器都能适应，且易于兼容各种自制传感器（见图12）。
（二）电机驱动系统：L298N电机驱动
L298N是SOS公司的产品，包含一个四通道逻辑驱动电路，既将逻辑控制电平进行功率放大，也可以用于功率驱动的电压放大，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图中所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。通过软件PWM信号生成可实验六个电机调速（见图13、图14）。
图13 L298N电机驱动模块
图14 电机驱动的电路设计
（三）无限通信控制系统：蓝牙3.0
无线通信使用的是型号为HC 05的蓝牙模块。它采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V3.0协议标准，与目前主流的手机完全兼容。模块引出TTL电平的串口，可直接与单片机串口连接。蓝牙连接以后自动切换到透传模式。默认参数：波特率9600、配对码1234。工作模式：从机。通信中工作电流为8m A，无休眠。通信距离：空旷条件下10m，正常使用环境8m左右，可以满足机器正常工作需要（见图15）。
图15 无线通信模块
五、软件设计
程序的编写主要采用C语言，通过对两个带有PWN的串口进行编程，实现了对不同轮速进行调节。并且我们利用E4A软件开发了手机控制软件用于实时监控和作业（见图16）。
图16 部分源码和手机端控制界面
六、实验与参数
（一）实验测试
机器设计与制作完成后，需要对其性能作整体测试，因为我们在实验室时即时记录运动的参数，并改进机器人的结构，调整使其更灵活运动，并在实际的树上和电线杆上做测试（见图17、图18、表1）。
图17 实验测试
图18 在户外树木与电线杆等地的实验测试
（二）机器运动参数
表1 机器运动参数
七、总结
综上所述，本研究具有如下创新点：
（1）由自身的变结构灵活运动，机器可以自适合多种树木（杆）的尺寸。利用倾斜轮摩擦力的分解来随时运动定位至树上任意位置。
（2）采用手机无线蓝牙控制，在树（杆）下即可远程操控，通过摄像头监控工作进程。
（3）多模块功能拓展坞，如锯（修整）树枝、三维度采摘、喷洒农药或喷射烟雾除虫、高频声音驱害（如鸟兽）、无线摄像头远程观察采集等。如驱赶鸟类、虫害，喷药、整枝等，突破了原本只有单一功能的限制。
爬树（杆）机器人的多功能性使得它的运用较为广泛，我们制作的这台爬杆机器人具有载重大、功能性强、可拓展性广和便于操作等特点，无线控制的功能更是使得树的高度不再受限，而具有一定越野越障能力的它可以适应多种树形。
在后续的作业中，可以继续外加工具，使其可以在科研，高空作业，高空运输，以及其他领域中发挥作用。
[1]刘桂珍.爬树机器人机构设计及运动分析[J].网络出版年期，2007（4）.
[2]张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J].工业设计，2011（03）.
[3]http：//blog.sina.com.cn/s/blog_533074eb0100zzxf.html蓝牙初学者要知道的几件事.
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