一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的製作方法

2024-04-12 00:30:05 2

本發明涉及機器人領域，特別是一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人。

背景技術：

中國專利201610396453.x公布了一種伐木機器人，通過四個驅動輪的移動，實現切割的定位，工作精度和柔性低，運動空間小，只能實現伐木任務；中國專利201610419380.1公開了一種用於伐木機的全液壓自動伐木裝置，但只能實現伐木任務，且工作柔性低，工作空間小，機身不能全方位傾斜調節；中國專利201210335835.3公開了一種伐樹截木一體機，此伐樹截木機，僅用於伐樹截木，不能用於樹木整枝、修剪，且此伐木機只能與工程機械配合使用；中國專利201310427637.4公開了一種電動植物整枝機，此植物整枝機，僅用於植物整枝，不能用於伐木、截木。現有有關伐樹機器人的設計，均功能單一，工作空間小，穩定性不足，精度低，平穩度差，噪音大且承載能力低，不能根據功能需求或者環境的變化，靈活改變構型以適應不同任務和場合，柔性低。

目前，尚未見有一種能夠運動平穩、質量輕、承載能力大且噪音小的液壓驅動，能夠全方位調節，並能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換變胞，其兼具大工作空間、高精度、低成本和養護簡單特徵，並且其驅動液壓馬達均安裝在機架上，減少各構件負載，使其運動高動態穩定性，又能具有樹木整枝、伐樹和分段截取功能的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的創新發明設計。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人，它能夠運動平穩、質量輕、承載能力大且噪音小的液壓驅動，能夠全方位調節，並能夠在兩個雙自由度和一個單自由度間靈活變換變胞，具有大工作空間、高精度、高動態穩定性進行樹木整枝、伐樹和分段截取。

本發明的技術方案是：一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人，包括傾斜調節液壓缸、液壓馬達、行走裝置、底盤、機架、驅動連杆、傳動連杆、三角架、輸出連杆、鉸鏈、液壓缸、虎克鉸和整枝伐樹截木組件，具體結構和連接關係為：

所述傾斜調節液壓缸包括第一傾斜調節液壓缸和第二傾斜調節液壓缸，所述第一傾斜調節液壓缸一端通過第十七鉸鏈與底盤連接，另一端通過第十八鉸鏈與機架連接，所述第二傾斜調節液壓缸一端通過第十九鉸鏈與底盤連接，另一端通過第二十鉸鏈與機架連接，通過兩個傾斜調節液壓缸的相互作用，即第一傾斜調節液壓缸伸展，第二傾斜調節液壓缸壓縮，或者相反，達到整機傾斜狀態，實現樹木整枝伐樹機器人機構的三維空間內的全方位調節；

所述液壓馬達包括第一液壓馬達、第二液壓馬達、第三液壓馬達、第四液壓馬達和第五液壓馬達，第一液壓馬達和機架固定連接，第二液壓馬達和機架固定連接，第三液壓馬達和機架固定連接，第四液壓馬達與馬達支座固定連接，第五液壓馬達通過轉動副和絲杆連接；

所述行走裝置和底盤通過轉動副連接；

所述底盤一端通過第十五鉸鏈與機架連接，另一端通過第十六鉸鏈與機架連接；

所述驅動連杆包括前搖杆、中搖杆和後搖杆，所述前搖杆一端通過第九鉸鏈與機架連接，另一端通過第十三鉸鏈與前連杆連接，所述中搖杆一端通過第七鉸鏈與機架連接，另一端通過第五鉸鏈與中連杆、三角架連接，所述後搖杆一端通過第六鉸鏈與機架連接，另一端通過第四鉸鏈與後連杆連接；

所述傳動連杆包括前連杆、支架杆、中連杆、後連杆和長杆，所述前連杆一端通過第十三鉸鏈與前搖杆連接，另一端通過第十一鉸鏈與支架杆連接，所述支架杆一端通過第八鉸鏈與機架連接，中部通過第十一鉸鏈與前連杆連接，另一端通過第十鉸鏈與長杆連接，所述中連杆一端通過第五鉸鏈與中搖杆、三角架連接，中部通過第二鉸鏈與三角架連接，另一端通過第一鉸鏈與輸出連杆連接，所述後連杆一端通過第四鉸鏈與後搖杆連接，另一端通過第三鉸鏈與長杆連接，所述長杆一端通過第三鉸鏈與後連杆連接，中部通過第十鉸鏈與支架杆連接，另一端通過第十二鉸鏈與輸出連杆連接；

所述三角架一端通過第五鉸鏈與中搖杆、中連杆連接，另一端通過第二鉸鏈與中連杆連接；

所述輸出連杆一端通過第一鉸鏈與中連杆連接，中部通過第十二鉸鏈與長杆連接，另一端通過第十四鉸鏈與虎克鉸連接，輸出連杆通過第一球副機構與液壓缸連接；

所述鉸鏈包括第一鉸鏈、第二鉸鏈、第三鉸鏈、第四鉸鏈、第五鉸鏈、第六鉸鏈、第七鉸鏈、第八鉸鏈、第九鉸鏈、第十鉸鏈、第十一鉸鏈、第十二鉸鏈、第十三鉸鏈、第十四鉸鏈、第十五鉸鏈、第十六鉸鏈、第十七鉸鏈、第十八鉸鏈、第十九鉸鏈和第二十鉸鏈；

所述整枝伐樹截木組件包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀；所述刀鋸機構在整枝伐樹截木組件的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀；所述整枝伐樹截木組件通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐樹截木組件通過第二球副機構與液壓缸連接；所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導杆、第三連杆、第四連杆、曲柄、第四液壓馬達、馬達支座、絲杆和第五液壓馬達，所述刀鋸和滑塊固定連接，滑塊和導杆通過圓柱副連接，所述第三連杆一端通過轉動副和滑塊連接，另一端通過轉動副和第四連杆連接，所述曲柄一端通過轉動副和第四連杆連接，另一端通過轉動副和第四液壓馬達連接，所述馬達支座和第四液壓馬達固定連接，馬達支座通過螺旋副和絲杆連接，所述第五液壓馬達通過轉動副和絲杆連接；所述下夾抱機構包括螺杆、固定支座、第一連杆、活動支座、螺母和第二連杆，所述固定支座固定於整枝伐樹截木組件上，固定支座和活動支座通過螺杆連接，螺杆的一端連接螺母，所述第一連杆一端通過轉動副和固定支座連接，另一端通過轉動副和第二連杆連接，所述第二連杆一端通過轉動副和第一連杆連接，中部通過轉動副和活動支座連接；所述滾輪末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐樹截木組件固定連接，原動機設置於整枝伐樹截木組件內部，整枝伐樹截木組件有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹截木組件兩側；所述上夾抱機構和下夾抱機構結構相同，其零部件和零部件之間的連接關係均相同；所述打枝刀設置於整枝伐樹截木組件上部，與整枝伐樹截木組件固定連接。

所述後搖杆、中搖杆、前搖杆、曲柄和絲杆分別由第一液壓馬達、第二液壓馬達、第三液壓馬達、第四液壓馬達和第五液壓馬達驅動，且第一液壓馬達、第二液壓馬達和第三液壓馬達均安裝在機架上。

所述驅動連杆全部運動時，三角架一端通過第五鉸鏈與中搖杆、中連杆連接，另一端通過第二鉸鏈與中連杆連接，實現十連杆兩自由度運動；驅動連杆全部運動時，三角架一端通過第五鉸鏈與中搖杆、中連杆連接，另一端第二鉸鏈與第三鉸鏈處於重疊位置時，實現十一連杆兩自由度運動；驅動杆件為前搖杆時，第三鉸鏈與第五鉸鏈處於重疊位置時，實現十連杆單自由度運動。

所述第一球副機構設置於輸出連杆的中軸線上，第二球副機構設置於整枝伐樹截木組件的一側；所述第一球副機構和第二球副機構不在同一豎直面內。

本發明的突出優點在於：

1.採用閉鏈可控連杆機構，驅動採用液壓馬達驅動，且安裝在機架上，運動平穩，質量輕承載能力大且噪音小；另外，機構由全杆件組成，製造成本低，工作壽命長，機構維護保養簡單。

2.機身通過兩傾斜調節液壓缸的相互作用全方位傾斜作業，有利於適應不同作業環境；並且能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，靈活實現三種不同構態，機構在兩種兩自由度構態時，機構均具有柔性化的特點，更有效地增大了工作空間，並均可實現工作端高精確定位，機構單自由度時，機構穩定性較高，便於控制；林場作業時，因樹木生長形態複雜多變，該變構態樹木整枝伐樹機器人可在其複雜狀況下柔性靈活作業。

3.能實現複雜動作，可在環境惡劣、地勢崎嶇的森林裡進行樹木整枝、修剪，伐樹和木材分段截取作業。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的第一結構示意圖。

圖2為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的第二結構示意圖。

圖3為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十連杆單自由度時第一結構狀態圖。

圖4為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十連杆單自由度時第二結構狀態圖。

圖5為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十連杆兩自由度時第一結構狀態圖。

圖6為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十連杆兩自由度時第二結構狀態圖。

圖7為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十一連杆兩自由度時第一結構狀態圖。

圖8為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的十一連杆兩自由度時第二結構狀態圖。

圖9為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的整機傾斜十連杆兩自由度時高處樹木整枝結構狀態圖。

圖10為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的整機傾斜十一連杆兩自由度時高處樹木整枝結構狀態圖。

圖11為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的整枝伐樹截木組件的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的整枝伐樹截木組件的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的下夾抱機構的結構示意圖。

圖14為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人的刀鋸機構的結構示意圖。

圖中標記為：1、第一鉸鏈；2、中連杆；3、第二鉸鏈；4、第三鉸鏈；5、長杆；6、後連杆；7、三角架；8、第四鉸鏈；9、第五鉸鏈；10、後搖杆；11、中搖杆；12、第六鉸鏈；13、第七鉸鏈；14、機架；15、行走裝置；16、支架杆；17、第八鉸鏈；18、第九鉸鏈；19、輸出連杆；20、第十鉸鏈；21第十一鉸鏈；22、第十二鉸鏈；23、第一球副機構；24、液壓杆；25、整枝伐樹截木組件；26、虎克鉸；27、第十三鉸鏈；28、前連杆；29、前搖杆；30、第二球副機構；31、第十四鉸鏈；32、刀鋸機構；321、滑塊；322、導杆；323、第三連杆；324、第四連杆；325、曲柄；326、第四液壓馬達；327、馬達支座；328、絲杆；329、第五液壓馬達；3210、刀鋸；33、下夾抱機構；331、螺杆；332、固定支座；333、第一連杆；334、活動支座；335、螺母；336、第二連杆；34、滾輪；35、上夾抱機構；36打枝刀；37、第一液壓馬達；38、第二液壓馬達；39、第三液壓馬達；40、第十五鉸鏈；41、第十六鉸鏈；42、第十七鉸鏈；43、第一傾斜調節液壓缸；44、第十八鉸鏈；45、第十九鉸鏈；46、第二傾斜調節液壓缸；47、第二十鉸鏈；48、底盤。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖6、圖11、圖12、圖13和圖14所示，本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換液壓驅動整枝伐樹機器人，包括傾斜調節液壓缸、液壓馬達、行走裝置15、底盤48、機架14、驅動連杆、傳動連杆、三角架7、輸出連杆19、鉸鏈、液壓缸24、虎克鉸26和整枝伐樹截木組件25，具體結構和連接關係為：

所述傾斜調節液壓缸包括第一傾斜調節液壓缸43和第二傾斜調節液壓缸46，所述第一傾斜調節液壓缸43一端通過第十七鉸鏈42與底盤48連接，另一端通過第十八鉸鏈44與機架14連接，所述第二傾斜調節液壓缸46一端通過第十九鉸鏈45與底盤48連接，另一端通過第二十鉸鏈47與機架14連接，通過兩個傾斜調節液壓缸的相互作用，即第一傾斜調節液壓缸43伸展，第二傾斜調節液壓缸46壓縮，或者相反，達到整機傾斜狀態，實現樹木整枝伐樹機器人機構的三維空間內的全方位調節；

所述液壓馬達，包括第一液壓馬達37、第二液壓馬達38、第三液壓馬達39、第四液壓馬達326和第五液壓馬達329，第一液壓馬達37和機架14固定連接，第二液壓馬達38和機架14固定連接，第三液壓馬達39和機架14固定連接，第四液壓馬達326與馬達支座327固定連接，第五液壓馬達329通過轉動副和絲杆328連接；

所述行走裝置15和底盤48通過轉動副連接；

所述底盤48一端通過第十五鉸鏈40與機架14連接，另一端通過第十六鉸鏈41與機架14連接；

所述驅動連杆包括前搖杆29、中搖杆11和後搖杆10，所述前搖杆29一端通過第九鉸鏈18與機架14連接，另一端通過第十三鉸鏈27與前連杆28連接，所述中搖杆11一端通過第七鉸鏈13與機架14連接，另一端通過第五鉸鏈9與中連杆2、三角架7連接，所述後搖杆10一端通過第六鉸鏈12與機架14連接，另一端通過第四鉸鏈8與後連杆6連接；

所述傳動連杆包括前連杆28、支架杆16、中連杆2、後連杆6和長杆5，所述前連杆28一端通過第十三鉸鏈27與前搖杆29連接，另一端通過第十一鉸鏈21與支架杆16連接，所述支架杆16一端通過第八鉸鏈17與機架14連接，中部通過第十一鉸鏈21與前連杆28連接，另一端通過第十鉸鏈20與長杆5連接，所述中連杆2一端通過第五鉸鏈9與中搖杆11、三角架7連接，中部通過第二鉸鏈3與三角架7連接，另一端通過第一鉸鏈1與輸出連杆19連接，所述後連杆6一端通過第四鉸鏈8與後搖杆10連接，另一端通過第三鉸鏈4與長杆5連接，所述長杆5一端通過第三鉸鏈4與後連杆6連接，中部通過第十鉸鏈20與支架杆16連接，另一端通過第十二鉸鏈22與輸出連杆19連接；

所述三角架4一端通過第五鉸鏈9與中搖杆11、中連杆2連接，另一端通過第二鉸鏈3與中連杆2連接；

所述輸出連杆19一端通過第一鉸鏈1與中連杆2連接，中部通過第十二鉸鏈22與長杆5連接，另一端通過第十四鉸鏈31與虎克鉸26連接，輸出連杆19通過第一球副機構23與液壓缸24連接；

所述鉸鏈包括第一鉸鏈1、第二鉸鏈3、第三鉸鏈4、第四鉸鏈8、第五鉸鏈9、第六鉸鏈12、第七鉸鏈13、第八鉸鏈17、第九鉸鏈18、第十鉸鏈20、第十一鉸鏈21、第十二鉸鏈22、第十三鉸鏈27、第十四鉸鏈31、第十五鉸鏈40、第十六鉸鏈41、第十七鉸鏈42、第十八鉸鏈44、第十九鉸鏈45和第二十鉸鏈47；

所述整枝伐樹截木組件25包括刀鋸機構32、下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36；所述刀鋸機構32在整枝伐樹截木組件25的最下方，往上依次是下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36；所述整枝伐樹截木組件25通過轉動副與虎克鉸26連接，整枝伐樹截木組件25通過第二球副機構30與液壓缸24連接；所述刀鋸機構32包括刀鋸3210、滑塊321、導杆322、第三連杆323、第四連杆324、曲柄325、第四液壓馬達326、馬達支座327、絲杆328和第五液壓馬達329，所述刀鋸3210和滑塊321固定連接，滑塊321和導杆322通過圓柱副連接，所述第三連杆323一端通過轉動副和滑塊321連接，另一端通過轉動副和第四連杆324連接，所述曲柄325一端通過轉動副和第四連杆324連接，另一端通過轉動副和第四液壓馬達326連接，所述馬達支座327和第四液壓馬達326固定連接，馬達支座327通過螺旋副和絲杆328連接，所述第五液壓馬達329通過轉動副和絲杆328連接；所述下夾抱機構33包括螺杆331、固定支座332、第一連杆333、活動支座335、螺母335和第二連杆336，所述固定支座332固定於整枝伐樹截木組件25上，固定支座332和活動支座334通過螺杆331連接，螺杆331的一端連接螺母335，所述第一連杆333一端通過轉動副和固定支座332連接，另一端通過轉動副和第二連杆336連接，所述第二連杆336一端通過轉動副和第一連杆333連接，中部通過轉動副和活動支座334連接；所述滾輪34末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐樹截木組件25固定連接，原動機設置於整枝伐樹截木組件25內部，整枝伐樹截木組件25有兩個滾輪34，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹截木組件25兩側；所述上夾抱機構35和下夾抱機構33結構相同，其零部件和零部件之間的連接關係均相同；所述打枝刀36設置於整枝伐樹截木組件25上部，與整枝伐樹截木組件25固定連接。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構為十連杆單自由度時，第三鉸鏈4和第五鉸鏈9處於重疊位置，後搖杆10、後連杆6和中搖杆11可看成平面四連杆機構，長杆5和中連杆2通過第五鉸鏈9連接，中連杆2和輸出連杆19通過第一鉸鏈1連接，輸出連杆19和長杆5通過第十二鉸鏈22連接，因此長杆5、中連杆2和輸出連杆19可看成一根杆，前搖杆29繞著第九鉸鏈18轉動，由於前連杆28和前搖杆29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連杆28轉動，支架杆16和前連杆28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架杆16繞著第八鉸鏈17轉動，長杆5和支架杆16通過第十鉸鏈20連接，進而使輸出連杆19作單自由度運動。

如圖5和圖6所示，機構為十連杆兩自由度運動時，前搖杆29繞著第九鉸鏈18轉動，由於前連杆28和前搖杆29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連杆28轉動，支架杆16和前連杆28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架杆16繞著第八鉸鏈17轉動，中搖杆11繞著第七鉸鏈13轉動，由於中連杆2和中搖杆11通過第五鉸鏈9連接，三角架7兩端均與中連杆2連接，此時可將三角架7和中連杆2看成一根杆，進而帶動中連杆2轉動，後搖杆10繞著第六鉸鏈12轉動，由於後連杆6和後搖杆10通過第四鉸鏈8連接，進而帶動後連杆6轉動，長杆5和後連杆6通過第三鉸鏈4連接，長杆5中部和支架杆16通過第十鉸鏈20連接，進而使長杆5實現平面運動，輸出連杆19和中連杆2通過第一鉸鏈1連接，輸出連杆19中部和長杆5通過第十二鉸鏈22連接，進而使輸出連杆19作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構為十一連杆兩自由度運動時，前搖杆29繞著第九鉸鏈18轉動，由於前連杆28和前搖杆29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連杆28轉動，支架杆16和前連杆28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架杆16繞著第八鉸鏈17轉動，中搖杆11繞著第七鉸鏈13轉動，由於中連杆2和中搖杆11通過第五鉸鏈9連接，進而帶動中連杆2轉動，由於三角架7和中搖杆11通過第五鉸鏈9連接，進而帶動三角架7轉動，後搖杆10繞著第六鉸鏈12轉動，由於後連杆6和後搖杆10通過第四鉸鏈8連接，進而帶動後連杆6轉動，第二鉸鏈3和第三鉸鏈4處於重疊位置，此時後搖杆10、後連杆6、三角架7和中搖杆11構成平面五連杆機構，長杆5和後連杆6通過第三鉸鏈4連接，長杆5中部和支架杆16通過第十鉸鏈20連接，進而使長杆5實現平面運動，輸出連杆19和中連杆2通過第一鉸鏈1連接，輸出連杆19中部和長杆5通過第十二鉸鏈22連接，進而使輸出連杆19作兩自由度運動。

如圖3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅動液壓缸24，使液壓缸24伸長，進而帶動虎克鉸26和整枝伐樹截木組件25之間的轉動副轉動，實現整枝伐樹截木組件25的整體轉動。

如圖9和圖10所示，第二傾斜調節液壓缸46處於伸展狀態，第一傾斜調節液壓缸43處於壓縮狀態，機架14和底盤48通過第十五鉸鏈40和第十六鉸鏈41連接，產生相對轉動，整機處於傾斜狀態，完成三維空間內的樹木整枝、修剪等工作。

如圖1、圖4、圖6和圖8所示，整枝伐樹截木組件25處於豎直狀態時，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業，可實現整棵樹木伐鋸功能。

如圖2、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，整枝伐樹截木組件25處於水平狀態，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業，可實現木材分段截取功能；在較高位置工作時，可實現樹木的整枝修整功能。