一种步进式变胞爬树机器人机构的制作方法

本发明涉及机器人机构设计领域，特别是一种步进式变胞爬树机器人机构。

背景技术：

随着机器人机构技术水平的不断提高，仿生机器人机构的应用渐为广泛，其中仿生爬树机器人机构的应用在树木整枝、病害防治、虫害防治、果实采摘、野外探测监控等方面也日益增多，现有爬树机器人机构主要有仿蛇形缠绕机器人，上下伸缩式机器人，翻转式机器人等，现有爬树机器人存在驱动元件众多，运动速度慢，负载能力小，而且对不同直径树木通用性差等问题，不能很好实现爬树及工作任务。

中国专利zl2012103468033公开了一种四足攀爬机器人，该机器人利用自重自锁，而且每个抱紧臂都安装三个电机，驱动较复杂，总体运动速度也较慢，不具适用性；中国专利cn105963931a公布了一种新型自动化爬树设备，该专利利用液压缸收缩履带实现爬动，利用弧形杆件实现抱紧，在实际作业时，只适用于等截面直挺树木，树木粗细变化时不能完成抱紧，应用非常局限。其他公开的有关爬树机器人机构的专利基本与上述两类专利类似。

目前，未见有驱动简单、爬树可靠安全又能适应不同粗细，不同形状的树木的爬树机器人机构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种步进式变胞爬树机器人机构，它能克服现有爬树机器人机构的不足，驱动摇杆单独驱动时，便能实现复杂爬树抱树运动，驱动简单；机械腿与树干有倾斜角度，利用驱动力的反作用力便可实现锁死，爬树工作安全可靠；机器人爬树过程中，转换自由度，可以改变抱紧角度，实现机器人灵活适应树木直径的变化，模拟动物身体构造，使爬树机器人机构灵活适应不同形状树木。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种步进式变胞爬树机器人机构，包括机械腿装置和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置，所述第一机械腿装置包括驱动摇杆、从动摇杆、连杆、连接架、滑套、滑套驱动液压缸、机械腿驱动液压缸、机械腿、固定爪、弧形限位滑槽、滚动轴承和可控限位铰链，驱动摇杆一端与连杆铰接，另一端与第一杆铰接，从动摇杆一端与连杆铰接，另一端与第一杆铰接，连接架既与连杆铰接，又与滑套通过圆柱副连接，还与机械腿驱动液压缸连接，所述滑套与滑套驱动液压缸通过螺纹连接，所述机械腿驱动液压缸与机械腿通过螺纹连接，所述滑套驱动液压缸与第一杆铰接，所述固定爪与连接架固连，所述从动摇杆下方安装了滚动轴承，滚动轴承在弧形限位滑槽内运动，弧形限位滑槽固定在第一杆下方，所述可控限位铰链，包括可控抱紧限位滑块、弹簧、销轴，所述弹簧一端与连杆固连，另一端与可控抱紧限位滑块固连，可控抱紧滑块在连杆下方滑动，所述销轴与连杆固连，第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置与第一机械腿装置结构及连接关系相同；

所述机架杆组件包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆、第六杆、第七杆和第八杆，第一杆与第二杆通过第一虎克铰连接，第二杆和第三杆通过第一铰链连接，第三杆与第四杆通过第二虎克铰连接，第四杆与第五杆通过第二铰链连接，第五杆与第六杆通过第三虎克铰连接，第六杆与第七杆通过第三铰链连接，第七杆与第八杆通过第四虎克铰连接，第八杆与第一杆通过第四铰链连接，第一杆与驱动摇杆铰接，通过驱动所述第一虎克铰、第三虎克铰，能够实现左右转向，向上弯腰的动作，通过驱动第二虎克铰、第四虎克铰可以实现改变重心等动作，灵活应对爬树时各种工况。

所述弧形限位滑槽圆弧对应角度为100-105°。

所述机械腿与连接架安装角度为45-50°。

本发明的突出优点在于：

1.步进式爬树机器人机构在爬树过程中，机械腿可以实现两自由度和单自由度的转变，属于变自由度变胞结构，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化特征，使机械腿在爬树过程中完成复杂的动作。爬树过程中，根据步态要求不同，单自由度工作时可以实现相对树干向上抱紧或者向上放松等运动，两个自由度工作时，可以使机械腿在机器人机构向上运动时保持抱紧，又能改变抱紧角度，适应不同直径树木。

2.步进式爬树机器人机构，驱动简单，驱动摇杆单独驱动时，便能灵活模仿动物爬动作，机械腿能实现相对树干由抱紧到向上放松，再到向上抱紧树干的复杂动作，同时依靠驱动力的反作用力实现机械腿在树干上的锁死，爬树工作安全可靠。

3.机架杆组件中的四个虎克铰及四个普通铰链，在实际爬树时，更好模拟动物身体结构，实现多方位转向、避障，能适应不同形状的树木。

4.爬树机器人机构，通过控制可限位铰链的抱紧锁死，从而实现了爬树机器人机构，爬树抱树运动和在路面上运动，两种工作模式的自动切换。

附图说明

图1为本发明所述的步进式爬树机器人机构的结构示意图。

图2为本发明所述的驱动摇杆与第一杆垂直时状态示意图。

图3为本发明所述的机械腿相对第一杆向上运动的极限状态示意图。

图4为本发明所述的机械腿相对第一杆向下运动的极限状态示意图。

图5为本发明所述的机械腿向上爬树时末端运动轨迹的示意图。

图6为本发明所述的步进式变胞爬树机器人机构的第一步爬树步态示意图。

图7为本发明所述的步进式变胞爬树机器人机构的第二步爬树步态示意图。

图8为本发明所述的连接架示意图。

图9为本发明所述的弧形限位滑槽示意图。

图10为本发明所述的可控限位铰链爆炸图。

附图中各标记所代表的含义：

1：第四铰链；2：第八杆；3：第四虎克铰；4：第七杆；5：第三铰链；6：第六杆；7：第三虎克铰；8：第五杆；9：第二铰链；10：第四杆；11：第二虎克铰；12：第三杆；13：第一铰链；14：第二杆；15：第一虎克铰；16：第一杆；17：机械腿；18：机械腿驱动液压缸；19：滑套；20：固定爪；21：弧形限位滑槽；22：滚动轴承；23：驱动摇杆；24：连杆；25：从动摇杆；26：连接架；27：滑套驱动液压缸；28：可控限位铰链；281：销轴；282：弹簧；283：可控抱紧限位滑块；29：树木。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

对照图1、图2、图8、图9和图10，本发明所述的步进式变胞爬树机器人机构，包括机械腿装置和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置，所述第一机械腿装置包括驱动摇杆23、从动摇杆25、连杆24、连接架26、滑套19、滑套驱动液压缸27、机械腿驱动液压缸18、机械腿17、固定爪20、弧形限位滑槽21、滚动轴承22和可控限位铰链28，驱动摇杆23一端与连杆24铰接，另一端与第一杆16铰接，从动摇杆25一端与连杆24铰接，另一端与第一杆16铰接，连接架26既与连杆24铰接，又与滑套19通过圆柱副连接，还与机械腿驱动液压缸18连接，所述滑套19与滑套驱动液压缸27通过螺纹连接，所述机械腿驱动液压缸18与机械腿17通过螺纹连接，所述滑套驱动液压缸27与第一杆16铰接，所述固定爪20与连接架26固连，所述从动摇杆25下方安装了滚动轴承22，滚动轴承22在弧形限位滑槽21内运动，弧形限位滑槽21固定在第一杆16下方，所述可控限位铰链28，包括可控抱紧限位滑块283、弹簧282、销轴281，所述弹簧282一端与连杆24固连，另一端与可控抱紧限位滑块283固连，可控抱紧滑块283在连杆24下方滑动，所述销轴与连杆24固连，第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置与第一机械腿装置结构及连接关系相同；

所述机架杆组件包括第一杆16、第二杆14、第三杆12、第四杆10、第五杆8、第六杆6、第七杆4和第八杆2，第一杆16与第二杆14通过第一虎克铰15连接，第二杆14第三杆12通过第一铰链13连接，第三杆12与第四杆10通过第二虎克铰11连接，第四杆10与第五杆8通过第二铰链9连接，第五杆8与第六杆6通过第三虎克铰7连接，第六杆6与第七杆4通过第三铰链5连接，第七杆4与第八杆2通过第四虎克铰3连接，第八杆2与第一杆16通过第四铰链1连接。

所述弧形限位滑槽21圆弧对应角度为100-105°，所述机械腿17与连接架26安装角度为45-50。。

工作原理及过程：

对照图2、图3、图4和图5，驱动摇杆23与连杆16垂直，滑套19滑动到连接架26的中间；驱动摇杆23单独作用时，如作用效果由图2所示状态转变为图3所示状态，可以实现机械腿17相对第一杆16向上同时抱紧树干的运动，如作用效果由图4所示状态转变为图2所示状态，可以实现机械腿17相对第一杆16向上同时放松树干的运动，即作用效果由图4转变为图2再转变为图3所示状态时，机械腿17相对于第一杆16，由抱紧做向上放松运动再做向上抱紧运动，反之作用效果由图3所示转变为图2再转变为图4所示状态，实现了机械腿17相对于第一杆16由抱紧状态到向下放松再到向下抱紧的运动，也是机械腿17带动爬树机器人机构向上运动的过程，而滑套驱动液压缸27参与如图3所示转变为图2再转变为图4所示的过程，保证机器人机构向上运动时，机械腿17一直保持对树干的抱紧，滑套驱动液压缸27的驱动过程为，由图3所示状态转变为图2所示状态时，滑套驱动液压缸27逐渐伸出，并在图2所示状态时至最大行程，由图2所示状态转变为图4所示状态时，滑套驱动液压缸27逐渐回缩，并在图4所示状态时缩至原始状态，这一过程中驱动摇杆23与滑套驱动液压缸27相互配合，实现一个自由度与两个自由度的自动转换，实现机器人机构在向上运动的过程中，机械腿17一直保持抱紧。

对照图5，机械腿17向上运动时，在驱动摇杆23的单独作用下可以实现爬树抱紧的一系列运动，模仿动物爬树过程腿部动作，即机械腿17由抱紧树干，到向上逐渐放松，再到向上逐渐抱紧的过程，如图5中θ1、θ2数值反映了机械腿与树木29抱紧程度。

对照图2、图3、图4和图5，机械腿17与固定爪20构成了一个脚爬工具，且与树干倾斜一定角度，因此驱动摇杆23不仅能实现机械腿17向上爬树同时抱紧树干的运动，还能实现机械腿17对树干的锁死，满足可靠稳定的爬树要求，同时机械腿17与机械腿驱动液压缸18连接，可以自动根据树干直径调节机械腿驱动液压缸18的伸缩长度，实现普遍适用功能。

对照图6、图7、和图8，机械腿17与第三机械腿装置中的机械腿动作相同，并且与第二机械腿装置中的机械腿相反，第二机械腿装置中的机械腿与第四机械腿装置中的机械腿动作相同，因此在爬树过程中，第一步，如图6所示，机械腿17和第三机械腿装置中的机械腿相对机体向上运动，而第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿相对机体向下运动，即第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿，带动机器人机构主体向上运动，第二步与第一步相同，第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿相对机体向上运动，机械腿17和第三机械腿装置中的机械腿相对机体向下运动，即机械腿17和第三机械腿装置中的机械腿带动机器人机构主体向上运动，这两个步骤依次进行便实现了爬树机器人机构快速爬树。

当爬树机器人机构需要在树干上保持静止，以完成如整枝、监控、病虫防治等工作时，从动摇杆23所连滚动轴承22在弧形限位滑槽21内运动到上极限位置被锁死，只由滑套驱动液压缸27驱动，实现对树干的完全抱紧，第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置中的机械腿与机械腿17状态完全相同，此时爬树机器人机构便牢牢抱紧在树干上。

通过驱动第一虎克铰15、第三虎克铰7，能够实现左右转向，向上弯腰等动作，通过驱动第二虎克铰11、第四虎克铰3可以实现改变重心等动作，灵活应对爬树时各种工况。

可控抱紧限位滑块283可以克服弹簧282拉力，实现对连接架26的抱死，从而实现机械腿17只能相对机架杆组件前后运动，通过控制从而实现了爬树机器人机构既可以爬树抱树运动，又可以在路面上运动。