一种伺服驱动大空间两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，特别是一种伺服驱动大空间两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，如文献(cn106003071a)所述，该专利是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。现有有关伐树机器人的设计，均功能单一，能够控性能不高，工作空间小，稳定性不足，精度低，不能根据功能需求或者环境的变化，灵活改变构型以适应不同任务和场合，柔性低。

目前，尚未见到一种能够能够编程伺服控制并且能够实现两构态变换，兼具稳定输出，柔性化，运动空间大，制造成本低，工作寿命长，维护保养简单，臂重较轻，工作效率高特点，且能够实现树木整枝修整、整棵树木伐锯和木材分段截取功能的一种伺服驱动大空间两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伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人，它能够可编程伺服控制并且能够实现两构态变换，兼具稳定输出，柔性化，运动空间大，制造成本低，工作寿命长，维护保养简单，臂重较轻，工作效率高特点，且能够实现树木整枝修整、整棵树木伐锯和木材分段截取功能。

本发明的技术方案是：一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人，包括伺服电机、整枝伐树锯组件、履带式行走装置、机架、驱动臂、传动臂、工作臂、铰链、液压缸和虎克铰，其特征在于，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定连接，第二伺服电机和机架固定连接，第三伺服电机和机架固定连接；

所述整枝伐树锯组件包括刀锯机构、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、第十一连杆、第十二连杆、曲柄、第一小型电机、电机支座、丝杆和第二小型电机，所述刀锯和滑块固定连接，滑块和导杆通过圆柱副连接，所述第十一连杆一端通过转动副和滑块连接，另一端通过转动副和第十二连杆连接，所述曲柄一端通过转动副和第十二连杆连接，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定连接，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、第九连杆、活动支座、螺母和第十连杆，所述固定支座固定于整枝伐树锯组件上，固定支座和活动支座通过螺杆连接，螺杆的一端连接螺母，所述第九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十连杆连接，所述第十连杆一端通过转动副和第九连杆连接，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，原动机与整枝伐树锯组件固定连接，原动机设置于整枝伐树锯组件内部，整枝伐树锯组件有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树锯组件两侧；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；所述打枝刀设置于整枝伐树锯组件上部，与整枝伐树锯组件固定连接；

所述履带式行走装置通过转动副与机架连接；

所述驱动臂包括第五连杆、第三连杆和第一连杆，所述第五连杆一端通过第十二铰链与机架连接，另一端通过第十一铰链与第六连杆连接，所述第三连杆一端通过第六铰链与机架连接，另一端通过第四铰链与第四连杆连接，所述第一连杆一端通过第五铰链与机架连接，另一端通过第三铰链与第七连杆连接；

所述传动臂包括第六连杆、第四连杆、第二连杆、第八连杆和第七连杆，所述第六连杆一端通过第十一铰链与第五连杆连接，另一端通过第九铰链与第八连杆连接，所述第四连杆一端通过第四铰链与第三连杆连接，另一端通过第一铰链与工作臂连接，所述第二连杆一端通过第三铰链与第一连杆连接，另一端通过第二铰链与第七连杆连接，所述第八连杆一端通过第七铰链与机架连接，中部通过第九铰链与第六连杆连接，另一端通过第八铰链与第七连杆连接，所述第七连杆一端通过第二铰链与第二连杆连接，中部通过第八铰链与第八连杆连接，另一端通过第十铰链与工作臂连接；

所述工作臂一端通过第一铰链与第四连杆连接，中部通过第十铰链与第七连杆连接，另一端通过第十三铰链与虎克铰连接，工作臂通过第一球副机构与液压缸连接；

所述铰链包括第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链、第七铰链、第八铰链、第九铰链、第十铰链、第十一铰链、第十二铰链和第十三铰链。

所述整枝伐树锯组件通过转动副与虎克铰连接，整枝伐树锯组件通过第二球副机构与液压缸连接。

所述刀锯机构在整枝伐树锯组件的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀。

所述第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机输出轴分别与所述第一连杆、第三连杆和第五连杆一端连接。

所述第一连杆、第三连杆和第五连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。

所述驱动臂为第五连杆时，第二铰链和第四铰链处于重叠位置，实现八连杆单自由度运动；驱动臂全部运动时，实现十连杆两自由度运动；驱动臂为第三连杆和第一连杆时，第五连杆两端均与机架连接，实现七连杆两自由度运动，此状态为机构两自由度构态时的特殊状态。

本发明的优点在于：

1.在工作过程中，能够实现两种构态变换，驱动臂全部通过伺服电机驱动，能够实现可编程伺服驱动控制，便于程序化控制以获得不同柔性输出，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能够在其复杂状况下柔性灵活作业。

2.该机器人共由十个连杆构成，能够灵活变胞，灵活改变工作空间，在两自由度构态工作时，能够实现七连杆两自由度和十连杆两自由度工作，有效地增大了其工作空间。

3.采用闭链可控连杆机构，所有电机安装在机架上，动态稳定性好，有效降低了杆臂的重量，提高树木整枝伐树机器人的效率，且机构由全杆件组成，制造成本低，工作寿命长，机构维护保养简单。

4.能实现复杂动作，能够在环境恶劣、地势崎岖的森林里进行树木整枝、修剪，伐树和截木一体化作业。

附图说明

图1为本发明所述的一种伺服驱动大空间两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伺服驱动大空间两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伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的八连杆单自由度时的第一结构状态图。

图4为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的八连杆单自由度时的第二结构状态图。

图5为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的十连杆两自由度时的第一结构状态图。

图6为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的十连杆两自由度时的第二结构状态图。

图7为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的七连杆两自由度时的第一结构状态图。

图8为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的七连杆两自由度时的第二结构状态图。

图9为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的十连杆两自由度时高处树木整枝结构状态图。

图10为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的七连杆两自由度时高处树木整枝结构状态图。

图11为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的整枝伐树锯组件的第一结构示意图。

图12为本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人的整枝伐树锯组件的第二结构示意图。

图13为本发明所述的一种伺服驱动大空间两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伺服驱动大空间两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、第一铰链；2、第四连杆；3、第二铰链；4、第七连杆；5、第二连杆；6、第三铰链；7、第一连杆；8、第四铰链；9、第三连杆；10、第五铰链；11、第六铰链；12、第八连杆；13、第七铰链；14、第八铰链；15、工作臂；16、第九铰链；17、第六连杆；18、第十铰链；19、第十一铰链；20、第五连杆；21、第十二铰链；22、机架；23、履带式行走装置；24、第一球副机构；25、液压缸；26、第二球副机构；27、整枝伐树锯组件；28、虎克铰；29、第十三铰链；30、刀锯机构；301、滑块；302、导杆；303、第十一连杆；304、第十二连杆；305、曲柄；306、第一小型电机；307、电机支座；308、丝杆；309、第二小型电机；3010、刀锯；31、下夹抱机构；311、螺杆；312、固定支座；313、第九连杆；314、活动支座；315、螺母；316、第十连杆；32、滚轮；33、上夹抱机构；34、打枝刀；35、第一伺服电机；36、第二伺服电机；37、第三伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1、图2、图6、图11、图12、图13和图14所示，本发明所述的一种伺服驱动大空间两构态变胞式树木整枝伐树机器人，包括伺服电机、整枝伐树锯组件27、履带式行走装置23、机架22、驱动臂、传动臂、工作臂15、铰链、液压缸25和虎克铰28，具体结构和连接关系为：

所述伺服电机包括第一伺服电机35、第二伺服电机36和第三伺服电机37，第一伺服电机35和机架22固定连接，第二伺服电机36和机架22固定连接，第三伺服电机37和机架22固定连接；

所述整枝伐树锯组件27包括刀锯机构30、下夹抱机构31、滚轮32、上夹抱机构33和打枝刀34；所述刀锯机构30包括刀锯3010、滑块301、导杆302、第十一连杆303、第十二连杆304、曲柄305、第一小型电机306、电机支座307、丝杆308和第二小型电机309，所述刀锯3010和滑块301固定连接，滑块301和导杆302通过圆柱副连接，所述第十一连杆303一端通过转动副和滑块301连接，另一端通过转动副和第十二连杆304连接，所述曲柄305一端通过转动副和第十二连杆304连接，另一端通过转动副和第一小型电机306连接，所述电机支座307和第一小型电机306固定连接，电机支座307通过螺旋副和丝杆308连接，所述第二小型电机309通过转动副和丝杆308连接；所述下夹抱机构31包括螺杆311、固定支座312、第九连杆313、活动支座315、螺母315和第十连杆316，所述固定支座312固定于整枝伐树锯组件27上，固定支座312和活动支座314通过螺杆311连接，螺杆311的一端连接螺母315，所述第九连杆313一端通过转动副和固定支座312连接，另一端通过转动副和第十连杆316连接，所述第十连杆316一端通过转动副和第九连杆313连接，中部通过转动副和活动支座314连接；所述滚轮32末端与原动机输出轴连接，原动机与整枝伐树锯组件27固定连接，原动机设置于整枝伐树锯组件27内部，整枝伐树锯组件27有两个滚轮32，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树锯组件27两侧；所述上夹抱机构33和下夹抱机构31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34设置于整枝伐树锯组件27上部，与整枝伐树锯组件27固定连接；

所述履带式行走装置23通过转动副与机架22连接；

所述驱动臂包括第五连杆20、第三连杆9和第一连杆7，所述第五连杆20一端通过第十二铰链21与机架22连接，另一端通过第十一铰链19与第六连杆17连接，所述第三连杆9一端通过第六铰链11与机架22连接，另一端通过第四铰链8与第四连杆2连接，所述第一连杆7一端通过第五铰链10与机架22连接，另一端通过第三铰链6与第七连杆4连接；

所述传动臂包括第六连杆17、第四连杆2、第二连杆5、第八连杆12和第七连杆4，所述第六连杆17一端通过第十一铰链19与第五连杆20连接，另一端通过第九铰链16与第八连杆12连接，所述第四连杆2一端通过第四铰链8与第三连杆9连接，另一端通过第一铰链1与工作臂15连接，所述第二连杆5一端通过第三铰链6与第一连杆7连接，另一端通过第二铰链3与第七连杆4连接，所述第八连杆12一端通过第七铰链13与机架22连接，中部通过第九铰链16与第六连杆17连接，另一端通过第八铰链14与第七连杆4连接，所述第七连杆4一端通过第二铰链3与第二连杆5连接，中部通过第八铰链14与第八连杆12连接，另一端通过第十铰链18与工作臂15连接；

所述工作臂15一端通过第一铰链1与第四连杆2连接，中部通过第十铰链18与第七连杆4连接，另一端通过第十三铰链29与虎克铰28连接，工作臂15通过第一球副机构24与液压缸25连接；

所述铰链包括第一铰链1、第二铰链3、第三铰链6、第四铰链8、第五铰链10、第六铰链11、第七铰链13、第八铰链14、第九铰链16、第十铰链18、第十一铰链19、第十二铰链21和第十三铰链29。

所述刀锯机构30在整枝伐树锯组件27的最下方，往上依次是下夹抱机构31、滚轮32、上夹抱机构33和打枝刀34。

所述整枝伐树锯组件27通过转动副与虎克铰28连接，整枝伐树锯组件27通过第二球副机构26与液压缸25连接。

工作原理及过程：

如图3和图4所示，机构为八连杆单自由度时，第二铰链3和第四铰链8处于重叠位置时，第一连杆7、第二连杆5、第三连杆9和机架22能够看成平面四连杆机构，第三连杆9、第七连杆4、第八连杆12和机架22能够看成开链式四连杆机构，由于第七连杆4和第四连杆2通过第二铰链3连接，第四连杆2和工作臂15通过第一铰链1连接，工作臂15和第七连杆4通过第十铰链18连接，因此第七连杆4、第四连杆2和工作臂15能够看成一根杆，第五连杆20绕着第十二铰链21转动，由于第五连杆20和第六连杆17通过第十一铰链19连接，进而带动第六连杆17转动，第八连杆12和第六连杆17通过第九铰链16连接，进而带动第八连杆12绕着第七铰链13转动，第八连杆12和第七连杆4通过第八铰链14连接，进而使工作臂15作单自由度运动。

如图5和图6所示，机构为十连杆两自由度时，第五连杆20绕着第十二铰链21转动，由于第五连杆20和第六连杆17通过第十一铰链19连接，进而带动第六连杆17转动，第八连杆12和第六连杆17通过第九铰链16连接，进而带动第八连杆12绕着第七铰链13转动，第三连杆9绕着第六铰链11转动，由于第三连杆9和第四连杆2通过第四铰链8连接，进而带动第四连杆2转动，第一连杆7绕着第五铰链10转动，由于第一连杆7和第二连杆5通过第三铰链6连接，进而带动第二连杆5转动，由于第二连杆5和第七连杆4通过第二铰链3连接，第八连杆12和第七连杆4通过第八铰链14连接，进而带动第七连杆4作两自由度运动，由于第四连杆2和工作臂15通过第一铰链1连接，第七连杆4和工作臂15通过第十铰链18连接，进而使工作臂15作两自由度运动。

如图7和图8所示，机构为七连杆两自由度时，此状态为机构两自由度构态时的特殊状态，即远距离作业时状态。第五连杆20两端均与机架22连接，此时第五连杆20、第六连杆17和第八连杆12处于固定状态，第三连杆9绕着第六铰链11转动，由于第三连杆9和第四连杆2通过第四铰链8连接，进而带动第四连杆2转动，第一连杆7绕着第五铰链10转动，由于第一连杆7和第二连杆5通过第三铰链6连接，进而带动第二连杆5转动，由于第二连杆5和第七连杆4通过第二铰链3连接，第八连杆12和第七连杆4通过第八铰链14连接，进而带动第七连杆4作单自由度运动，由于第四连杆2和工作臂15通过第一铰链1连接，第七连杆4和工作臂15通过第十铰链18连接，进而使工作臂15作两自由度运动。

如图3、图4、图11和图12所示，通过驱动液压缸25，使液压缸25伸长，进而带动虎克铰28和整枝伐树锯组件27之间的转动副转动，实现整枝伐树锯组件27的整体转动。

如图2、图4、图6和图8所示，整枝伐树锯组件27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，能够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，整枝伐树锯组件27处于水平状态，树木整枝伐树机器人在较低位置进行作业，能够实现木材分段截取功能；在较高位置工作时，能够实现树木的整枝修整功能。