一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别是一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人。

背景技术：

中国专利201610396453.x公布了一种伐木机器人，通过四个驱动轮的移动，实现切割的定位，工作精度和柔性低，运动空间小，只能实现伐木任务；中国专利201610419380.1公开了一种用于伐木机的全液压自动伐木装置，此伐木装置由全液压元件组成，其液压元件精度要求高，液压系统制造成本高，工作寿命不长，易漏油，也只能实现伐木任务；中国专利201210335835.3公开了一种伐树截木一体机，此伐树截木机，仅用于伐树截木，不能用于树木整枝、修剪，且此伐木机只能与工程机械配合使用；中国专利201310427637.4公开了一种电动植物整枝机，此植物整枝机，仅用于植物整枝，不能用于伐木、截木。因此有必要设计一种稳定输出，柔性化，运动空间大，制造成本低，工作寿命长，维护保养简单，兼具树木整枝、伐树和木材截取功能的树木整枝伐树机器人。

将变胞机构应用于树木整枝伐树机器人的设计，将产生一类新型的变胞机构式树木整枝伐树机器人。

目前，尚未见到一种能够在180°工作空间内任一方位调节，柔性伺服驱动控制，并兼具稳定输出和柔性化作业、运动空间大、工作精度高、制造成本低维护保养简单特点，又能够完成树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取功能的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的创新发明设计。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人，它能够在180°工作空间内任一方位调节，柔性伺服驱动控制，并兼具稳定输出和柔性化作业、运动空间大、工作精度高、制造成本低维护保养简单特点，又能够完成树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取功能。

本发明的技术方案是：一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人，包括伺服电机、举升液压缸、伐木头组合机构、行走装置、底盘、机架、驱动连杆、传动连杆、执行连杆、销轴、液压缸和虎克铰，具体结构和连接关系为：

所述伺服电机，包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，第一伺服电机和机架固性连接，第二伺服电机和机架固性连接，第三伺服电机和机架固性连接；

所述举升液压缸包括第一举升液压缸和第二举升液压缸，所述第一举升液压缸一端通过第十三销轴与底盘连接，另一端通过第十四销轴与机架连接，所述第二举升液压缸一端通过第十五销轴与底盘连接，另一端通过第十六销轴与机架连接，通过两个举升液压缸的相互作用，即第一举升液压缸伸展，第二举升液压缸压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机器人的180°工作空间内的任一方位调节；

所述伐木头组合机构包括刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀；

所述刀锯机构包括刀锯、滑块、导杆、第三连杆、第四连杆、曲柄、第一小型电机、电机支座、丝杆和第二小型电机，所述刀锯和滑块固性连接，滑块和导杆通过圆柱副连接，所述第三连杆一端通过转动副和滑块连接，另一端通过转动副和第四连杆连接，所述曲柄一端通过转动副和第四连杆连接，另一端通过转动副和第一小型电机连接，所述电机支座和第一小型电机固性连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第二小型电机通过转动副和丝杆连接；

所述下夹抱机构包括螺杆、固定支座、第一连杆、活动支座、螺母和第二连杆，所述固定支座固定于伐木头组合机构上，固定支座和活动支座通过螺杆连接，螺杆的一端连接螺母，所述第一连杆一端通过转动副和固定支座连接，另一端通过转动副和第二连杆连接，所述第二连杆一端通过转动副和第一连杆连接，中部通过转动副和活动支座连接；

所述滚轮末端与原动机输出轴连接，原动机与伐木头组合机构固定连接，原动机设置于伐木头组合机构内部，伐木头组合机构有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与伐木头组合机构两侧；

所述上夹抱机构和下夹抱机构结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同；

所述打枝刀设置于伐木头组合机构上部，与伐木头组合机构固定连接；

所述行走装置通过转动副与底盘连接，所述底盘一端通过第十一销轴与机架连接，另一端通过第十二销轴与机架连接；

所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第九销轴与机架连接，另一端通过第五销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第四销轴与机架连接，另一端通过第七销轴与中连杆连接，所述后摇杆一端通过第八销轴与机架连接，另一端通过第三销轴与曲杆连接；

所述传动连杆包括前连杆、中连杆和曲杆，所述前连杆一端通过第五销轴与前摇杆连接，另一端通过第二销轴与曲杆连接，所述中连杆一端通过第七销轴与中摇杆连接，另一端通过第一销轴与执行连杆连接，所述曲杆一端通过第三销轴与后摇杆连接，中部通过第二销轴与前连杆连接，另一端通过第六销轴与执行连杆连接；

所述执行连杆一端通过第一销轴与中连杆连接，中部通过第六销轴与曲杆连接，另一端通过第十销轴与虎克铰连接，执行连杆通过第一球副机构与液压缸连接；

所述销轴包括第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、第五销轴、第六销轴、第七销轴、第八销轴、第九销轴、第十销轴、第十一销轴、第十二销轴、第十三销轴、第十四销轴、第十五销轴和第十六销轴。

所述伐木头组合机构通过转动副与虎克铰连接，伐木头组合机构通过第二球副机构与液压缸连接。

所述刀锯机构在伐木头组合机构的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀。

所述后摇杆、中摇杆和前摇杆分别由第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机驱动，且第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机驱动均安装在所述的机架上。

所述驱动连杆全部运动时，实现八连杆两自由度运动；驱动连杆为前摇杆运动时，所述中摇杆一端与后摇杆一端连接，实现四连杆单自由度运动；驱动连杆全部制动时，所述中摇杆一端与后摇杆一端连接，前摇杆两端均与机架连接，实现零自由度运动。

本发明的突出优点在于：

1.能够灵活变胞，改变其运动空间，通过运动空间的叠加，实现在大运动空间内的作业，并可通过两举升液压缸的相互作用，实现其180°工作空间内任意一方位倾斜作业，且驱动运动副在机架上，动态稳定性能好，工作效率高。

2.通过伺服电机驱动，能够实现伺服驱动，柔性化程度高，林场作业时，因树木生长形态复杂多变，该树木整枝伐树机器人可在其复杂状况下柔性灵活作业。

3.能够实现在面对树木整枝和伐树任务下的三种构态变换，柔性化程度高，可完成复杂树木整枝伐树动作；另外，机构由全杆件组成，制造成本低，工作寿命长，机构维护保养简单。

4.能够实现在环境恶劣、地势崎岖的森林里进行树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取作业动作。

附图说明

图1为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的第一结构示意图。

图2为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的第二结构示意图。

图3为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的零自由度时第一结构状态图。

图4为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的零自由度时第二结构状态图。

图5为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的单自由度时第一结构状态图。

图6为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的单自由度时第二结构状态图。

图7为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的两自由度时第一结构状态图。

图8为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的两自由度时第二结构状态图。

图9为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的整机倾斜两自由度时高处树木整枝第一结构状态图。

图10为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的整机倾斜两自由度时高处树木整枝第二结构状态图。

图11为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的伐木头组合机构的第一结构示意图。

图12为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的伐木头组合机构的第二结构示意图。

图13为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的下夹抱机构的结构示意图。

图14为本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人的刀锯机构的结构示意图。

图中标记为：1、第一销轴；2、中连杆；3、第二销轴；4、前连杆；5、曲杆；6、第三销轴；7、后摇杆；8、中摇杆；9、第一伺服电机；10、第四销轴；11、第五销轴；12、前摇杆；13、第三伺服电机；14、机架；15、行走装置；16、执行连杆；17、第六销轴；18、第一球副机构；19、液压缸；20、虎克铰；21、伐木头组合机构；22、滚轮；23、下夹抱机构；231、螺杆；232、固定支座；233、第一连杆；234、活动支座；235、螺母；236、第二连杆；24、刀锯机构；241、滑块；242、导杆；243、第三连杆；244、第四连杆；245、曲柄；246、第一小型电机；247、电机支座；248、丝杆；249、第二小型电机；2410、刀锯；25、上夹抱机构；26、打枝刀；27、第七销轴；28、第八销轴；29、第二伺服电机；30、第二球副机构；31、第九销轴；32、第十销轴；33、第十一销轴；34、第十二销轴；35、第十三销轴；36、第一举升液压缸；37、第十四销轴；38、第十五销轴；39、第二举升液压缸；40、第十六销轴；41、底盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1、图2、图3、图11、图12、图13和图14所示，本发明所述的一种可倾式伺服驱动三构态变胞式树木整枝伐树机器人，包括伺服电机、举升液压缸、伐木头组合机构21、行走装置15、底盘41、机架14、驱动连杆、传动连杆、执行连杆16、销轴、液压缸19和虎克铰20，具体结构和连接关系为：

所述伺服电机包括第一伺服电机9、第二伺服电机29和第三伺服电机13，第一伺服电机13和机架14固性连接，第二伺服电机29和机架14固性连接，第三伺服电机13和机架14固性连接；

所述举升液压缸包括第一举升液压缸36和第二举升液压缸39，所述第一举升液压缸36一端通过第十三销轴35与底盘41连接，另一端通过第十四销轴37与机架14连接，所述第二举升液压缸39一端通过第十五销轴38与底盘41连接，另一端通过第十六销轴40与机架14连接，通过两个举升液压缸的相互作用，即第一举升液压缸36伸展，第二举升液压缸39压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机器人的180°工作空间内的任一方位调节；

所述伐木头组合机构21包括刀锯机构24、下夹抱机构23、滚轮22、上夹抱机构25和打枝刀26；

所述刀锯机构24包括刀锯2410、滑块241、导杆242、第三连杆243、第四连杆244、曲柄245、第一小型电机246、电机支座247、丝杆248和第二小型电机249，所述刀锯2410和滑块241固性连接，滑块241和导杆242通过圆柱副连接，所述第三连杆243一端通过转动副和滑块241连接，另一端通过转动副和第四连杆244连接，所述曲柄245一端通过转动副和第四连杆244连接，另一端通过转动副和第一小型电机246连接，所述电机支座247和第一小型电机246固性连接，电机支座247通过螺旋副和丝杆248连接，所述第二小型电机249通过转动副和丝杆248连接；

所述下夹抱机构23和上夹抱机构25为相同机构，下夹抱机构23包括螺杆231、固定支座232、第一连杆233、活动支座234、螺母235和第二连杆236，所述固定支座232固定于伐木头组合机构21上，固定支座232和活动支座234通过螺杆231连接，螺杆231的一端连接螺母235，所述第一连杆233一端通过转动副和固定支座232连接，另一端通过转动副和第二连杆236连接，所述第二连杆236一端通过转动副和第一连杆233连接，中部通过转动副和活动支座234连接；

所述滚轮22末端与原动机输出轴连接，原动机与伐木头组合机构21固定连接，原动机设置于伐木头组合机构21内部，伐木头组合机构21有两个滚轮22，沿竖直中心线对称分布与伐木头组合机构21两侧；

所述上夹抱机构25和下夹抱机构23结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同；

所述打枝刀26设置于伐木头组合机构21上部，与伐木头组合机构21固定连接；

所述行走装置15通过转动副与底盘41连接，所述底盘41一端通过第十一销轴33与机架14连接，另一端通过第十二销轴34与机架14连接；

所述驱动连杆包括前摇杆12、中摇杆8和后摇杆7，所述前摇杆12一端通过第九销轴31与机架14连接，另一端通过第五销轴11与前连杆4连接，所述中摇杆8一端通过第四销轴10与机架14连接，另一端通过第七销轴27与中连杆2连接，所述后摇杆7一端通过第八销轴28与机架14连接，另一端通过第三销轴6与曲杆5连接；

所述传动连杆包括前连杆4、中连杆2和曲杆5，所述前连杆4一端通过第五销轴11与前摇杆12连接，另一端通过第二销轴3与曲杆5连接，所述中连杆2一端通过第七销轴27与中摇杆8连接，另一端通过第一销轴1与执行连杆16连接，所述曲杆5一端通过第三销轴6与后摇杆7连接，中部通过第二销轴3与前连杆4连接，另一端通过第六销轴17与执行连杆16连接；

所述执行连杆16一端通过第一销轴1与中连杆2连接，中部通过第六销轴17与曲杆5连接，另一端通过第十销轴32与虎克铰20连接，执行连杆16通过第一球副机构18与液压缸19连接。

所述销轴包括第一销轴1、第二销轴3、第三销轴6、第四销轴10、第五销轴11、第六销轴17、第七销轴27、第八销轴28、第九销轴31、第十销轴32、第十一销轴33、第十二销轴34、第十三销轴35、第十四销轴37、第十五销轴38和第十六销轴40。

所述伐木头组合机构21通过转动副与虎克铰20连接，伐木头组合机构21通过第二球副机构30与液压缸19连接。

所述刀锯机构24在伐木头组合机构21的最下方，往上依次是下夹抱机构23、滚轮22、上夹抱机构25和打枝刀26。

工作原理及过程：

如图1和图2所示，前摇杆12绕着第九销轴31转动，由于前摇杆12和前连杆4通过第五销轴11连接，进而带动前连杆4转动，中摇杆8绕着第四销轴10转动，由于中摇杆8和中连杆2通过第七销轴27连接，进而带动中连杆2转动，后摇杆7绕着第八销轴28转动，由于后摇杆7和曲杆5通过第三销轴6连接，前连杆4和曲杆5通过第二销轴3连接，进而使曲杆5作平面运动，中连杆2与执行连杆16通过第一销轴1连接，曲杆5与执行连杆16通过第六销轴17连接，进而使执行连杆17作两自由度运动。

如图5和图6所示，第三销轴6和第七销轴17处于重叠位置时，中摇杆8和后摇杆7停止转动，前摇杆12绕着第九销轴31转动，由于前摇杆12和前连杆4通过第五销轴11连接，进而带动前连杆4转动，前连杆4和曲杆5通过第二销轴3连接，进而带动曲杆5转动，而此时曲杆5、中连杆2和执行连杆16可看做一根杆，即认为执行连杆16作单自由度运动。

如图3和4所示，第三销轴6和第七销轴17处于重叠位置时，中摇杆8和后摇杆7停止转动，前摇杆12回转至与机架14连接，前摇杆12停止转动，即实现执行连杆16零自由度运动。

如图13所示，由于驱动螺杆231转动，由于螺杆231和固定支座232和活动支座234通过螺旋副连接，进而带动活动支座234的平动，由于固定支座232和第一连杆233通过转动副连接，第二连杆236一端通过转动副和第一连杆233连接，中部通过转动副和活动支座234连接，进而带动第二连杆236的转动。

如图14所示，第二小型电机249驱动丝杆248转动，由于丝杆248和电机支座247通过螺旋副连接，进而带动电机支座247的平动，第一小型电机246驱动曲柄245转动，由于曲柄245和第四连杆244通过转动副连接，第三连杆243一端通过转动副和第四连杆244连接，一端通过转动副和滑块241连接，滑块241和导杆242通过圆柱副连接，进而带动滑块241在导杆242上的移动，由于滑块241和刀锯2410固性连接，进而带动刀锯2410的移动。

如图9和图10所示，第二举升液压缸39处于伸展状态，第一举升液压缸36处于压缩状态，机架14和底盘41通过第十一销轴33和第十二销轴34连接，产生相对转动，整机处于倾斜状态，完成三维空间内的树木整枝、修剪等工作。

如图3、图4、图11和图12所示，通过驱动液压缸19，使液压缸19伸长，进而带动虎克铰20和伐木头组合机构21之间的转动副转动，实现伐木头组合机构21的整体转动。

如图2、图4、图6和图8所示，伐木头组合机构21处于竖直状态时，树木整枝伐树机器人在较低位置进行作业，可实现整棵树木伐锯功能。

如图1、图3、图5、图7、图9和图10所示，伐木头组合机构21处于水平状态，树木整枝伐树机器人在较低位置进行作业，可实现木材分段截取功能；在较高位置工作时，可实现树木的整枝修整功能。