一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的製作方法

2023-05-20 04:22:01 4

本發明涉及樹木整枝伐樹機器人領域，特別是一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人。

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，並能實現兩種構態變換，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液壓驅動大空間兩構態變胞式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液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人，通過運動平穩、質量輕、承載能力大且噪音小的液壓驅動，全方位調節，實現兩種構態變換，在大工作空間、高精度、高動態穩定性狀態下對樹木進行整枝、伐樹和分段截取。

本發明的技術方案是：一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人，包括舉升液壓缸、液壓馬達、行走裝置、底盤、機架、連杆機構、鉸鏈、液壓缸、虎克鉸和整枝伐木鋸組件，具體結構和連接關係為：

所述舉升液壓缸包括第一舉升液壓缸和第二舉升液壓缸，所述第一舉升液壓缸一端通過第十六鉸鏈與底盤連接，另一端通過第十七鉸鏈與機架連接，所述第二舉升液壓缸一端通過第十八鉸鏈與底盤連接，另一端通過第十九鉸鏈與機架連接，通過兩個舉升液壓缸的相互作用，即第一舉升液壓缸伸展，第二舉升液壓缸壓縮，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、第二液壓馬達和第三液壓馬達安裝在機架上，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；

所述行走裝置通過轉動副與底盤連接；

所述底盤一端通過第十四鉸鏈與機架連接，另一端通過第十五鉸鏈與機架連接；

所述連杆機構包括驅動連杆、傳動連杆和執行連杆；所述驅動連杆包括第五連杆、第三連杆和第一連杆，所述第五連杆一端通過第十二鉸鏈與機架連接，另一端通過第十一鉸鏈與第六連杆連接，所述第三連杆一端通過第六鉸鏈與機架連接，另一端通過第四鉸鏈與第四連杆連接，所述第一連杆一端通過第五鉸鏈與機架連接，另一端通過第三鉸鏈與第七連杆連接；所述傳動連杆包括第六連杆、第四連杆、第二連杆、第八連杆和第七連杆，所述第六連杆一端通過第十一鉸鏈與第五連杆連接，另一端通過第九鉸鏈與第八連杆連接，所述第四連杆一端通過第四鉸鏈與第三連杆連接，另一端通過第一鉸鏈與執行連杆連接，所述第二連杆一端通過第三鉸鏈與第一連杆連接，另一端通過第二鉸鏈與第七連杆連接，所述第八連杆一端通過第七鉸鏈與機架連接，中部通過第九鉸鏈與第六連杆連接，另一端通過第八鉸鏈與第七連杆連接，所述第七連杆一端通過第二鉸鏈與第二連杆連接，中部通過第八鉸鏈與第八連杆連接，另一端通過第十鉸鏈與執行連杆連接；所述執行連杆一端通過第一鉸鏈與第四連杆連接，中部通過第十鉸鏈與第七連杆連接，另一端通過第十三鉸鏈與虎克鉸連接，執行連杆通過第一球副機構與液壓缸連接；

所述整枝伐木鋸組件包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀；

所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導杆、第十一連杆、第十二連杆、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，所述第十一連杆一端通過轉動副和滑塊連接，另一端通過轉動副和第十二連杆連接，所述曲柄一端通過轉動副和第十二連杆連接，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、第九連杆、活動支座、螺母和第十連杆，所述固定支座固定於整枝伐木鋸組件上，固定支座和活動支座通過螺杆連接，螺杆的一端連接螺母，所述第九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十連杆連接，所述第十連杆一端通過轉動副和第九連杆連接，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，原動機與整枝伐木鋸組件固定連接，原動機設置於整枝伐木鋸組件內部，整枝伐木鋸組件有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐木鋸組件兩側；

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木鋸組件上部，與整枝伐木鋸組件固定連接。

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、第十八鉸鏈和第十九鉸鏈。

所述整枝伐木鋸組件通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐木鋸組件通過第二球副機構與液壓缸連接。

所述刀鋸機構在整枝伐木鋸組件的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀。

所述驅動連杆為第五連杆時，第二鉸鏈和第四鉸鏈處於重疊位置，實現八連杆單自由度運動；驅動連杆全部運動時，實現十連杆兩自由度運動；驅動連杆為第三連杆和第一連杆時，第五連杆兩端均與機架連接，實現七連杆兩自由度運動，此狀態為機構兩自由度構態時的特殊狀態。

本發明的突出優點在於：

1.驅動採用全液壓馬達和液壓缸驅動，且安裝在機架上，運動平穩，質量輕、承載能力大且噪音小。

2.機身通過兩舉升液壓缸的相互作用全方位傾斜作業，調整機身不同位姿，有利於適應不同作業環境；並且能夠在兩個構態間靈活變換，機器人共由十個連杆構成，可靈活變胞，靈活改變工作空間，在兩自由度構態工作時，可以實現七連杆兩自由度和十連杆兩自由度工作，有效地增大了其工作空間，柔性化程度高，林場作業時，因樹木生長形態複雜多變，該機器人可在其複雜狀況下柔性靈活作業。

3.驅動馬達均安裝在機架上，動態穩定性高；並且機構由全杆件組成，製造成本低，工作壽命長，機構維護保養簡單。

4.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液壓驅動大空間兩構態變胞式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液壓驅動大空間兩構態變胞式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液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的八連杆單自由度時的第一結構狀態圖。

圖4為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的八連杆單自由度時的第二結構狀態圖。

圖5為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的十連杆兩自由度時的第一結構狀態圖。

圖6為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的十連杆兩自由度時的第二結構狀態圖。

圖7為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的七連杆兩自由度時的第一結構狀態圖。

圖8為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的七連杆兩自由度時的第二結構狀態圖。

圖9為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式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的結構狀態圖。

圖10為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的整機傾斜七連杆兩自由度時高處樹木整枝的結構狀態圖。

圖11為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的整枝伐木鋸組件的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人的整枝伐木鋸組件的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種可傾式液壓驅動大空間兩構態變胞式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液壓驅動大空間兩構態變胞式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、第四連杆；3、第二鉸鏈；4、第七連杆；5、第二連杆；6、第三鉸鏈；7、第一連杆；8、第四鉸鏈；9、第三連杆；10、第五鉸鏈；11、第六鉸鏈；12、第八連杆；13、第七鉸鏈；14、第八鉸鏈；15、執行連杆；16、第九鉸鏈；17、第六連杆；18、第十鉸鏈；19、第十一鉸鏈；20、第五連杆；21、第十二鉸鏈；22、機架；23、行走裝置；24、第一球副機構；25、液壓缸；26、第二球副機構；27、整枝伐木鋸組件；28、虎克鉸；29、第十三鉸鏈；30、刀鋸機構；301、滑塊；302、導杆；303、第十一連杆；304、第十二連杆；305、曲柄；306、第四液壓馬達；307、馬達支座；308、絲杆；309、第五液壓馬達；3010、刀鋸；31、下夾抱機構；311、螺杆；312、固定支座；313、第九連杆；314、活動支座；315、螺母；316、第十連杆；32、滾輪；33、上夾抱機構；34、打枝刀；35、第一液壓馬達；36、第二液壓馬達；37、第三液壓馬達；38、第十四鉸鏈；39、第十五鉸鏈；40、第十六鉸鏈；41、第一舉升液壓缸；42、第十七鉸鏈；43、第十八鉸鏈；44、第二舉升液壓缸；45、第十九鉸鏈；46、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液壓驅動大空間兩構態變胞式整枝伐樹機器人，包括舉升液壓缸、液壓馬達、行走裝置23、底盤46、機架22、連杆機構、鉸鏈、液壓缸25、虎克鉸28和整枝伐木鋸組件27，具體結構和連接關係為：

所述舉升液壓缸包括第一舉升液壓缸41和第二舉升液壓缸44，所述第一舉升液壓缸41一端通過第十六鉸鏈40與底盤46連接，另一端通過第十七鉸鏈42與機架22連接，所述第二舉升液壓缸44一端通過第十八鉸鏈43與底盤46連接，另一端通過第十九鉸鏈45與機架22連接，通過兩個舉升液壓缸的相互作用，即第一舉升液壓缸41伸展，第二舉升液壓缸44壓縮，或者相反，達到整機傾斜狀態，實現樹木整枝伐樹機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35、第二液壓馬達36、第三液壓馬達37、第四液壓馬達306和第五液壓馬達309，第一液壓馬達35和機架22固定連接，第二液壓馬達36和機架22固定連接，第三液壓馬達37和機架22固定連接，第四液壓馬達306與馬達支座307固定連接，第五液壓馬達309通過轉動副和絲杆308連接；

所述行走裝置23通過轉動副與底盤46連接；

所述底盤46一端通過第十四鉸鏈38與機架22連接，另一端通過第十五鉸鏈39與機架22連接；

所述連杆機構包括驅動連杆、傳動連杆和執行連杆15；所述驅動連杆包括第五連杆20、第三連杆9和第一連杆7，所述第五連杆20一端通過第十二鉸鏈21與機架22連接，另一端通過第十一鉸鏈19與第六連杆17連接，所述第三連杆9一端通過第六鉸鏈11與機架22連接，另一端通過第四鉸鏈8與第四連杆2連接，所述第一連杆7一端通過第五鉸鏈10與機架22連接，另一端通過第三鉸鏈6與第七連杆4連接；所述傳動連杆包括第六連杆17、第四連杆2、第二連杆5、第八連杆12和第七連杆4，所述第六連杆17一端通過第十一鉸鏈19與第五連杆20連接，另一端通過第九鉸鏈16與第八連杆12連接，所述第四連杆2一端通過第四鉸鏈8與第三連杆9連接，另一端通過第一鉸鏈1與執行連杆15連接，所述第二連杆5一端通過第三鉸鏈6與第一連杆7連接，另一端通過第二鉸鏈3與第七連杆4連接，所述第八連杆12一端通過第七鉸鏈13與機架22連接，中部通過第九鉸鏈16與第六連杆17連接，另一端通過第八鉸鏈14與第七連杆4連接，所述第七連杆4一端通過第二鉸鏈3與第二連杆5連接，中部通過第八鉸鏈14與第八連杆12連接，另一端通過第十鉸鏈18與執行連杆15連接；所述執行連杆15一端通過第一鉸鏈1與第四連杆2連接，中部通過第十鉸鏈18與第七連杆4連接，另一端通過第十三鉸鏈29與虎克鉸28連接，執行連杆15通過第一球副機構24與液壓缸25連接；

所述整枝伐木鋸組件27包括刀鋸機構30、下夾抱機構31、滾輪32、上夾抱機構33和打枝刀34；

所述刀鋸機構30包括刀鋸3010、滑塊301、導杆302、第十一連杆303、第十二連杆304、曲柄305、第四液壓馬達306、馬達支座307、絲杆308和第五液壓馬達309，所述刀鋸3010和滑塊301固定連接，滑塊301和導杆302通過圓柱副連接，所述第十一連杆303一端通過轉動副和滑塊301連接，另一端通過轉動副和第十二連杆304連接，所述曲柄305一端通過轉動副和第十二連杆304連接，另一端通過轉動副和第四液壓馬達306連接，所述馬達支座307和第四液壓馬達306固定連接，馬達支座307通過螺旋副和絲杆308連接，所述第五液壓馬達309通過轉動副和絲杆308連接；

所述下夾抱機構31包括螺杆311、固定支座312、第九連杆313、活動支座315、螺母315和第十連杆316，所述固定支座312固定於整枝伐木鋸組件27上，固定支座312和活動支座314通過螺杆311連接，螺杆311的一端連接螺母315，所述第九連杆313一端通過轉動副和固定支座312連接，另一端通過轉動副和第十連杆316連接，所述第十連杆316一端通過轉動副和第九連杆313連接，中部通過轉動副和活動支座314連接；

所述滾輪32末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐木鋸組件27固定連接，原動機設置於整枝伐木鋸組件27內部，整枝伐木鋸組件27有兩個滾輪32，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐木鋸組件27兩側；

所述上夾抱機構33和下夾抱機構31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34設置於整枝伐木鋸組件27上部，與整枝伐木鋸組件27固定連接。

所述鉸鏈包括第一鉸鏈1、第二鉸鏈3、第三鉸鏈6、第四鉸鏈8、第五鉸鏈10、第六鉸鏈11、第七鉸鏈13、第八鉸鏈14、第九鉸鏈16、第十鉸鏈18、第十一鉸鏈19、第十二鉸鏈21、第十三鉸鏈29、第十四鉸鏈38、第十五鉸鏈39、第十六鉸鏈40、第十七鉸鏈42、第十八鉸鏈43和第十九鉸鏈45。

所述整枝伐木鋸組件27通過轉動副與虎克鉸28連接，整枝伐木鋸組件27通過第二球副機構26與液壓缸25連接。

所述刀鋸機構30在整枝伐木鋸組件27的最下方，往上依次是下夾抱機構31、滾輪32、上夾抱機構33和打枝刀34。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構為八連杆單自由度時，第二鉸鏈3和第四鉸鏈8處於重疊位置時，第一連杆7、第二連杆5、第三連杆9和機架22可看成平面四連杆機構，第三連杆9、第七連杆4、第八連杆12和機架22可看成開鏈式四連杆機構，由於第七連杆4和第四連杆2通過第二鉸鏈3連接，第四連杆2和執行連杆15通過第一鉸鏈1連接，執行連杆15和第七連杆4通過第十鉸鏈18連接，因此第七連杆4、第四連杆2和執行連杆15可看成一根杆，第五連杆20繞著第十二鉸鏈21轉動，由於第五連杆20和第六連杆17通過第十一鉸鏈19連接，進而帶動第六連杆17轉動，第八連杆12和第六連杆17通過第九鉸鏈16連接，進而帶動第八連杆12繞著第七鉸鏈13轉動，第八連杆12和第七連杆4通過第八鉸鏈14連接，進而使執行連杆15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時，第五連杆20繞著第十二鉸鏈21轉動，由於第五連杆20和第六連杆17通過第十一鉸鏈19連接，進而帶動第六連杆17轉動，第八連杆12和第六連杆17通過第九鉸鏈16連接，進而帶動第八連杆12繞著第七鉸鏈13轉動，第三連杆9繞著第六鉸鏈11轉動，由於第三連杆9和第四連杆2通過第四鉸鏈8連接，進而帶動第四連杆2轉動，第一連杆7繞著第五鉸鏈10轉動，由於第一連杆7和第二連杆5通過第三鉸鏈6連接，進而帶動第二連杆5轉動，由於第二連杆5和第七連杆4通過第二鉸鏈3連接，第八連杆12和第七連杆4通過第八鉸鏈14連接，進而帶動第七連杆4作兩自由度運動，由於第四連杆2和執行連杆15通過第一鉸鏈1連接，第七連杆4和執行連杆15通過第十鉸鏈18連接，進而使執行連杆15作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構為七連杆兩自由度時，此狀態為機構兩自由度構態時的特殊狀態，即遠距離作業時狀態。第五連杆20兩端均與機架22連接，此時第五連杆20、第六連杆17和第八連杆12處於固定狀態，第三連杆9繞著第六鉸鏈11轉動，由於第三連杆9和第四連杆2通過第四鉸鏈8連接，進而帶動第四連杆2轉動，第一連杆7繞著第五鉸鏈10轉動，由於第一連杆7和第二連杆5通過第三鉸鏈6連接，進而帶動第二連杆5轉動，由於第二連杆5和第七連杆4通過第二鉸鏈3連接，第八連杆12和第七連杆4通過第八鉸鏈14連接，進而帶動第七連杆4作單自由度運動，由於第四連杆2和執行連杆15通過第一鉸鏈1連接，第七連杆4和執行連杆15通過第十鉸鏈18連接，進而使執行連杆15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25，使液壓缸25伸長，進而帶動虎克鉸28和整枝伐木鋸組件27之間的轉動副轉動，實現整枝伐木鋸組件27的整體轉動。

如圖9和圖10所示，第二舉升液壓缸44處於伸展狀態，第一舉升液壓缸41處於壓縮狀態，機架22和底盤46通過第十四鉸鏈38和第十五鉸鏈39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2、圖4、圖6和圖8所示，整枝伐木鋸組件27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1、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，整枝伐木鋸組件27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。