高枝修剪机械动态配重装置及控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种高枝修剪机械动态配重装置及控制方法，包括：动态配重机械模块、传感器模块、动态配重控制模块；动态配重机械模块包括配重臂、配重臂拉杆、配重机构底板、直线导轨、轴承、滑块、配重块、配重电机、联轴器、丝杆、丝杆螺母；传感器模块为配重块测距传感器；所述配重块测距传感器固定于配重机构底板上；动态配重控制模块包括电源、动态配重控制器和输入输出接口；配重块测距传感器和配重电机通过输入输出接口连接至动态配重控制器；本发明能够实时监测高枝修剪机械臂架系统所产生的倾翻力矩，能够在高枝修剪机械工作过程中实现对臂架系统的实时调平。
【专利说明】
高枝修剪机械动态配重装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种园林机械，尤其涉及一种高枝修剪机械动态配重装置及控制方 法。
【背景技术】
[0002] 高枝修剪机械是一种应用于园林高大树木的修枝机械，能够方便有效的修剪高大 树木侧枝，并在修枝同时进行修枝茬口的养护。上述功能在本专利
【申请人】已申请的专利中 已有论述。具体专利信息如下，专利号：ZL201210194078.2,名称:一种高空剪枝机械手；专 利号ZL201410048553.4,名称:一种导向卡锁式高枝修剪护茬锯。但是在高枝修剪机械使用 过程中由于臂架系统的工作姿态不断变化，会产生较大的且实时变化的倾翻力矩，缩短了 整机的使用寿命甚至发生倾翻危险。针对以上问题，高枝修剪机械动态配重装置成为研究 的重点。
[0003] 下面对高枝修剪机械做简要说明包括底盘、升降系统、回转支承系统、臂架系统和 修枝护茬锯。其中底盘带有行走轮系、支撑腿等装置，工作状态下支撑腿打开，保证整机平 稳性;升降系统位于底盘上，用于提高整机工作高度；回转支承系统位于升降系统顶端，连 接升降系统和臂架系统底座，使臂架系统有水平面内旋转自由度;臂架系统包括臂架系统 底座、三节主机械臂和一节辅助臂，用于增大修枝护茬锯工作空间，相邻机械臂间由伺服电 动缸驱动;修枝护茬锯位于辅助臂末端，用于修枝树枝并实时养护修枝茬口。
[0004] 经过现有技术文献的检索发现，专利公告号：CN202415030U，名称：一种自动配重 塔吊。它包括配重块、配重臂齿轮、齿轮摆杆、弹簧等。它通过塔吊起重臂的载荷变化带动弹 簧伸缩，弹簧带动齿轮摆杆进而带动齿轮转动，齿轮转动来实现配重块的左右移动。这种配 重方法比较适用于塔吊，简单有效。但是其控制原理简单，而且塔吊结构与高枝修剪机械差 别较大，这种动态配重系统不适合于高枝修剪机械。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种高枝修剪机械动态配重装置及 控制方法，能够在高枝修剪机械工作过程中实现对臂架系统的实时调平。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种高枝修剪机械动态配重装置，包括:动态配重机械模块、传感器模块、动态配 重控制模块。
[0008] 所述动态配重机械模块，包括配重臂、配重臂拉杆、配重机构底板、直线导轨、轴 承、滑块、配重块、配重电机、联轴器、丝杆、丝杆螺母。
[0009] 所述配重臂一端垂直固接臂架系统底座下部；所述配重臂拉杆一端固接于配重 臂，另一端固接于臂架系统底座上部;所述配重机构底板固接于配重臂上;两根直线导轨对 称平行安装在配重机构底板上部前后两侧；两个轴承分别安装于配重机构底板上左右两 侧，轴承端面与直线导轨轴向方向垂直。所述丝杆两端分别安装于两侧轴承上，丝杆轴向与 直线导轨轴向平行;所述配重电机通过电机架安装在配重臂上;所述联轴器连接电机输出 轴与丝杆;所述滑块包括四个同样的滑块，四个滑块对称安装在两根直线导轨上，每根直线 导轨上分别安装两个滑块;所述配重块安装在四个滑块上部;所述丝杆螺母安装在丝杆上， 丝杆螺母侧面与配重块固接。
[0010]所述传感器模块为配重块测距传感器;所述配重块测距传感器固定于配重机构底 板上。
[0011] 所述动态配重控制模块，包括电源、动态配重控制器和输入输出接口。
[0012] 所述电源优先选用12伏或24伏直流电源;所述动态配重控制器优先选用STM32型 单片机;输入输出接口包括光电隔离、信号放大以及数字10驱动电路;所述的配重块测距传 感器通过所述输入输出接口连接至动态配重控制器;所述的配重电机通过所述的输入输出 接口与动态配重控制器相连，动态配重控制器通过输入输出接口控制配重电机启停。
[0013] 本发明一种高枝修剪机械动态配重装置的具体控制过程如下：
[0014] (1)动态配重控制模块和传感器初始化；
[0015] (2)高枝修剪机械开始作业。伺服电动缸开始工作并将实时伸缩状态反馈给动态 配重控制器；同时，配重块测距传感器测得当前配重块位置并将信号传送到动态配重控制 器；
[0016] (3)动态配重控制器接收到三个伺服电动缸反馈信号和配重块位置的实时信号， 当程序判断出臂架系统倾翻力矩超出安全范围时，动态配重控制器通过输入输出接口驱动 配重电机转动，进而带动配重块移动，使臂架系统倾翻力矩一直处于安全范围内。
[0017] 本发明中信号处理流程如下：
[0018] 1)伺服电动缸伸长状态信号U转换为相邻机械臂之间夹角θ1:
[0019] 0i = f(Li) 1 = 1,2,3--------------(1)
[0020] 2)相邻机械臂之间夹角Θ,转换为臂架系统倾翻力矩T:
[0021] T = g(9i) i = l,2,3--------------(2)
[0022] 3)倾翻力矩T计算出配重块理论位置X;
[0024]式中To为配重臂、直线导轨等固定构件所产生的平衡力矩;G为配重块所受重力。 [0025] 4)计算出配重块理论位移ΔΧ;
[0026] ΔΧ=Χ-Χ〇--------------(4)
[0027] 式中Χο为配重块测距传感器测得的配重块实时位置信号Χο;
[0028] 5)设定倾翻力矩安全阈值，并求出配重块位置偏差安全阈值Xs，并将ΔΧ与Xs对比。 [0029] 如果| ΔΧ| <Χδ，配重电机不动作，配重块不运动，否则配重电机带动配重块运动 ΔΧ〇
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] 1、能够实时监测高枝修剪机械臂架系统所产生的倾翻力矩。2、能够实时调整配重 块位置，使臂架系统所产生的倾翻力矩在安全范围内，安全阈值的设定有效防止了配重块 的频繁运动，也提高了高枝修剪机械的稳定性。
【附图说明】
[0032] 图1为高枝修剪机械示意图。
[0033] 图2为高枝修剪机械动态配重装置示意图。
[0034] 图3为高枝修剪机械动态配重装置控制过程流程图。
[0035] 图4为高枝修剪机械臂架系统尺寸关系示意图一。
[0036] 图5为高枝修剪机械臂架系统尺寸关系示意图二。
[0037] 图中：1底盘、2升降系统、3配重臂、4臂架系统底座、5配重臂拉杆、6伺服电动缸、7 修枝护茬锯、8臂架系统、9回转支承系统、10配重机构底板、11配重电机、12联轴器、13配重 块、14丝杆螺母、15滑块、16直线导轨、17丝杆、18轴承、19配重块测距传感器
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0039] 本发明可以适用于现有的常见的折臂式作业机械，比如本实施例中所涉及的高枝 修剪机械。首先对本实施例所涉及的高枝修剪机械做简要说明，其结构如图2所示:其包括 底盘1、升降系统2、回转支承系统9、臂架系统8和修枝护茬锯7。其中底盘1带有行走轮系、支 撑腿等装置，工作状态下支撑腿打开，保证整机平稳性;升降系统2位于底盘1上，用于提高 整机工作高度；回转支承系统9位于升降系统2顶端，连接升降系统2和臂架系统底座4,使臂 架系统8有水平面内旋转自由度;臂架系统8包括臂架系统底座4、三节主机械臂和一节辅助 臂，用于增大修枝护茬锯7工作空间，相邻机械臂间由伺服电动缸6驱动;修枝护茬锯7位于 辅助臂末端，用于修枝树枝并实时养护修枝荏口。
[0040] 本发明所述的一种高枝修剪机械动态配重装置，包括:动态配重机械模块、传感器 模块、动态配重控制模块。
[0041] 所述动态配重机械模块，包括配重臂3、配重臂拉杆5、配重机构底板10、直线导轨 16、轴承18、滑块15、配重块13、配重电机11、联轴器12、丝杆17、丝杆螺母14。
[0042] 所述配重臂3-端垂直固接臂架系统底座4下部;所述配重臂拉杆5-端固接于配 重臂3,另一端固接于臂架系统底座4上部;所述配重机构底板10固接于配重臂3上，用于安 装动态配重装置各部件;所述直线导轨16水平安装于配重机构底板10上部，两根直线导轨 对称安装;所述轴承18包括两个轴承，分别安装于配重机构底板10上，轴承端面与直线导轨 16轴向方向垂直。所述丝杆17两端安装于轴承18上，丝杆17轴向与直线导轨16轴向平行;所 述配重电机11通过电机架安装在配重臂3上;所述联轴器12链接配重电机输出轴与丝杆17; 所述滑块15包括四个同样的滑块，两根直线导轨16上分别安装两个滑块15,滑块15可以沿 直线导轨16滑动;所述配重块13安装在四个滑块上;所述丝杆螺母14安装在丝杆17上，丝杆 螺母14侧面与配重块13固接。
[0043] 所述传感器模块包括配重块测距传感器19,所述测距传感器采用市面常见测距传 感器即可，如超声波测距传感器。配重块测距传感器19固定于配重机构底板10上，用于测量 配重块13位置。
[0044] 所述动态配重控制模块，包括电源、动态配重控制器和输入输出接口。
[0045] 所述电源优先选用12伏或24伏直流电源，所述电源为配重电机与供电；所述动态 配重控制器优先选用STM32型单片机;所述输入输出接口包括光电隔离、信号放大以及数字 10驱动电路;所述的配重块测距传感器通过所述输入输出接口连接至动态配重控制器;所 述的配重电机通过的输入输出接口与动态配重控制器相连，动态配重控制器通过输入输出 接口控制配重电机启停。
[0046]本发明一种高枝修剪机械动态配重装置，具体控制过程如下：
[0047] (1)动态配重控制模块和配重块测距传感器初始化；
[0048] (2)高枝修剪机械开始作业。伺服电动缸6开始工作并将实时伸缩状态反馈给动态 配重控制器；同时，配重块测距传感器19测得当前配重块13位置并将信号传送到动态配重 控制器；
[0049] (3)动态配重控制器接收到三个伺服电动缸反馈信号和配重块位置的实时信号， 当程序判断出倾翻力矩超出安全范围时，动态配重控制器通过输入输出接口驱动配重电机 11转动，进而带动配重块13移动，使臂架系统8倾翻力矩一直处于安全范围内。
[0050] 本发明一种高枝修剪机械动态配重装置，信号处理流程如下：
[0051] 1)伺服电动缸伸长状态信号U转换为相邻机械臂之间夹角θ1:
[0052] 0i = f(Li) 1 = 1,2,3--------------(1)
[0053] 结合图4以第一节臂与底座之间的变幅机构为例，11与01之间的函数对应关系如 下：
[0055] 式中A、B、C、D、E分别代表五个点，^口^~^^为机械机构中的常量。
[0056] 0203与I213之间的关系也用这种方式求得。
[0057] 2)相邻机械臂之间夹角转换为臂架系统倾翻力矩Τ:
[0058] T = g(9i) i = l,2,3--------------(2)
[0059] 结合图5,函数(2)的详细对应关系如下：
[0060] T=GiDi+G2D2+G3D3
[0061] =GiLi,〇 · sin9i+G2[Li · sin9i-L2,i · sin(0i+02)]+G3[Li · sin9i-L2,i · sin(0i+02) ±L3,2 · sinOi+Qs+Qs)]
[0062] 式中Li为第i节机械臂的长度;Li, i-i为第i节机械臂质心到第i节机械臂与i-1节机 械臂铰点关节处的长度。
[0063] 3)倾翻力矩T计算出配重块理论位置X;
[0065]式中To为配重臂、直线导轨、等固定构件所产生的平衡力矩;G为配重块所受重力。 [0066] 4)计算出配重块理论位移ΔΧ;
[0067] ΔΧ=Χ-Χ〇--------------(4)
[0068] 式中Χο为配重块测距传感器测得的配重块实时位置信号Χο;
[0069] 5)设定倾翻力矩安全阈值，并求出配重块位置偏差安全阈值XS，并将Δ X与XS对比。
[0070] 如果I ΔΧ| <Xs，配重电机不动作，配重块不运动，否则配重电机带动配重块运动 ΔΧ〇
【主权项】
1. 一种高枝修剪机械动态配重装置，其特征在于包括：动态配重机械模块、传感器模 块、动态配重控制模块； 所述动态配重机械模块，包括配重臂、配重臂拉杆、配重机构底板、直线导轨、轴承、滑 块、配重块、配重电机、联轴器、丝杆和丝杆螺母； 所述配重臂一端垂直固接臂架系统底座下部;所述配重臂拉杆一端固接于配重臂，另 一端固接于臂架系统底座上部;所述配重机构底板固接于配重臂上;两根直线导轨对称平 行安装在配重机构底板上部前后两侧;两个轴承分别安装于配重机构底板上左右两侧，轴 承端面与直线导轨轴向方向垂直;所述丝杆两端分别安装于两侧轴承上，丝杆轴向与直线 导轨轴向平行;所述配重电机通过电机架安装在配重臂上;所述联轴器连接电机输出轴与 丝杆;所述滑块包括四个同样的滑块，四个滑块对称安装在两根直线导轨上，每根直线导轨 上分别安装两个滑块;所述配重块安装在四个滑块上部;所述丝杆螺母安装在丝杆上，丝杆 螺母侧面与配重块固接； 所述传感器模块为配重块测距传感器；所述配重块测距传感器固定于配重机构底板 上； 所述动态配重控制模块，包括电源、动态配重控制器和输入输出接口； 所述电源为12伏或24伏直流电源;所述动态配重控制器为STM32型单片机;输入输出接 口包括光电隔离、信号放大W及数字10驱动电路;所述的配重块测距传感器通过所述输入 输出接口连接至动态配重控制器;所述的配重电机通过所述的输入输出接口与动态配重控 制器相连，动态配重控制器通过输入输出接口控制配重电机启停。2. 如权利要求1所述的一种高枝修剪机械动态配重装置的控制方法： (1) 动态配重控制模块和传感器初始化； (2) 高枝修剪机械开始作业;伺服电动缸开始工作并将实时伸缩状态反馈给动态配重 控制器;同时，配重块测距传感器测得当前配重块位置并将信号传送到动态配重控制器； (3) 动态配重控制器接收到Ξ个伺服电动缸反馈信号和配重块位置的实时信号，当程 序判断出臂架系统倾翻力矩超出安全范围时，动态配重控制器通过输入输出接口驱动配重 电机转动，进而带动配重块移动，使臂架系统倾翻力矩一直处于安全范围内； 本发明中信号处理流程如下： 1) 伺服电动缸伸长状态信号k转换为相邻机械臂之间夹角9i: 白 i = f(Li) 1 = 1,2,3 (1) 2) 相邻机械臂之间夹角θι转换为臂架系统倾翻力矩T: T = g(0i) 1 = 1,2,3--------------口） 3) 倾翻力矩T计算出配重块理论位置X;______________(3) 式中To为配重臂、直线导轨等固定构件所产生的平衡力矩;G为配重块所受重力； 4) 计算出配重块理论位移ΔΧ; ΔΧ=Χ-Χ〇--------------(4) 式中姑为配重块测距传感器测得的配重块实时位置信号Χο; 5) 设定倾翻力矩安全阔值，并求出配重块位置偏差安全阔值Xs，并将ΔΧ与Xs对比； 如果I ΔΧ| ^姑，配重电机不动作，配重块不运动，否则配重电机带动配重块运动ΔΧ。
【文档编号】A01G3/08GK105830755SQ201610152269
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】苑进, 李杨, 张海淑, 陈延甫, 赵新学, 刘雪美
【申请人】山东农业大学