本发明涉及树木整枝伐树机器人领域，特别是一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人。
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，工作柔性低，工作空间小，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，工作空间小，柔性更小；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，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，灵活改变构型和位姿以适应不同任务和场合，柔性低。
目前，尚未见有一种能够可编程化伺服控制，全方位调节位姿，并能实现两种构态变换，其兼具大工作空间、高精度、低成本和养护简单、高动态稳定性特征，又能具有树木整枝、伐树和分段截取功能的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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大空间两构态变胞式整枝伐树机器人，它能够可编程化伺服控制，全方位调节位姿，并能实现两种构态变换，在大工作空间、高精度、高动态稳定性状态下对树木进行整枝、伐树和分段截取。
本发明的技术方案是：一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人，包括倾斜调节液压缸、伺服电机、整枝伐树截木锯组件、履带式行走系统、底盘、机架、驱动连杆、传动连杆、输出连杆、销轴、液压缸和虎克铰，其特征在于，具体结构和连接关系为：
所述倾斜调节液压缸包括第一倾斜调节液压缸和第二倾斜调节液压缸，所述第一倾斜调节液压缸一端通过第十六销轴与底盘连接，另一端通过第十七销轴与机架连接，所述第二倾斜调节液压缸一端通过第十八销轴与底盘连接，另一端通过第十九销轴与机架连接，通过两个倾斜调节液压缸的相互作用，即第一倾斜调节液压缸伸展，第二倾斜调节液压缸压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机的三维空间内的全方位调节；
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、第二伺服电机和第三伺服电机均安装在机架上；
所述整枝伐树截木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，所述刀锯机构在整枝伐树截木锯组件的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述整枝伐树截木锯组件通过转动副与虎克铰连接，整枝伐树截木锯组件通过第二球副机构与液压缸连接；
所述履带式行走系统通过转动副与底盘连接；
所述底盘一端通过第十四销轴与机架连接，另一端通过第十五销轴与机架连接；
所述驱动连杆包括第五连杆、第三连杆和第一连杆，所述第五连杆一端通过第十二销轴与机架连接，另一端通过第十一销轴与第六连杆连接，所述第三连杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与第四连杆连接，所述第一连杆一端通过第五销轴与机架连接，另一端通过第三销轴与第七连杆连接；
所述传动连杆包括第六连杆、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销轴与第五连杆连接，另一端通过第九销轴与第八连杆连接，所述第四连杆一端通过第四销轴与第三连杆连接，另一端通过第一销轴与输出连杆连接，所述第二连杆一端通过第三销轴与第一连杆连接，另一端通过第二销轴与第七连杆连接，所述第八连杆一端通过第七销轴与机架连接，中部通过第九销轴与第六连杆连接，另一端通过第八销轴与第七连杆连接，所述第七连杆一端通过第二销轴与第二连杆连接，中部通过第八销轴与第八连杆连接，另一端通过第十销轴与输出连杆连接；
所述输出连杆一端通过第一销轴与第四连杆连接，中部通过第十销轴与第七连杆连接，另一端通过第十三销轴与虎克铰连接，输出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、第十六销轴、第十七销轴、第十八销轴和第十九销轴。
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。
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、第四伺服电机、电机支座、丝杆和第五伺服电机，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四伺服电机连接，所述电机支座和第四伺服电机固定连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第五伺服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截木锯组件上，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，原动机与整枝伐树截木锯组件固定连接，原动机设置于整枝伐树截木锯组件内部，整枝伐树截木锯组件有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树截木锯组件两侧。
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截木锯组件上部，与整枝伐树截木锯组件固定连接。
所述驱动连杆为第五连杆时，第二销轴和第四销轴处于重叠位置，实现八连杆单自由度运动；驱动连杆全部运动时，实现十连杆两自由度运动；驱动连杆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。
本发明的突出优点在于：
1.能够实现可编程全伺服驱动控制，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可在其复杂状况下柔性灵活作业。
2.机身通过两倾斜调节液压缸的相互作用全方位倾斜作业，调整机身不同位姿，有利于适应不同作业环境；并且能够在两个构态间灵活变换，机器人共由十个连杆构成，可灵活变胞，灵活改变工作空间，在两自由度构态工作时，可以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.驱动控制电机均可安装在机架上，减少了因电机装在杆件上而造成的构件负载，动态稳定性高；并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，可在环境恶劣、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。
附图说明
图1为本发明所述的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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大空间两构态变胞式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大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人的整机倾斜十连杆两自由度时高处树木整枝的结构状态图。
图10为本发明所述的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人的整机倾斜七连杆两自由度时高处树木整枝的结构状态图。
图11为本发明所述的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人的整枝伐树截木锯组件的第一结构示意图。
图12为本发明所述的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式整枝伐树机器人的整枝伐树截木锯组件的第二结构示意图。
图13为本发明所述的一种可倾式伺服驱动大空间两构态变胞式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大空间两构态变胞式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、第四连杆；3、第二销轴；4、第七连杆；5、第二连杆；6、第三销轴；7、第一连杆；8、第四销轴；9、第三连杆；10、第五销轴；11、第六销轴；12、第八连杆；13、第七销轴；14、第八销轴；15、输出连杆；16、第九销轴；17、第六连杆；18、第十销轴；19、第十一销轴；20、第五连杆；21、第十二销轴；22、机架；23、履带式行走系统；24、第一球副机构；25、液压缸；26、第二球副机构；27、整枝伐树截木锯组件；28、虎克铰；29、第十三销轴；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、第四伺服电机；307、电机支座；308、丝杆；309、第五伺服电机；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；38、第十四销轴；39、第十五销轴；40、第十六销轴；41、第一倾斜调节液压缸；42、第十七销轴；43、第十八销轴；44、第二倾斜调节液压缸；45、第十九销轴；46、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6、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大空间两构态变胞式整枝伐树机器人，包括倾斜调节液压缸、伺服电机、整枝伐树截木锯组件27、履带式行走系统23、底盘46、机架22、驱动连杆、传动连杆、输出连杆15、销轴、液压缸25和虎克铰28，具体结构和连接关系为：
所述倾斜调节液压缸包括第一倾斜调节液压缸41和第二倾斜调节液压缸44，所述第一倾斜调节液压缸41一端通过第十六销轴40与底盘46连接，另一端通过第十七销轴42与机架22连接，所述第二倾斜调节液压缸44一端通过第十八销轴43与底盘46连接，另一端通过第十九销轴45与机架22连接，通过两个倾斜调节液压缸的相互作用，即第一倾斜调节液压缸41伸展，第二倾斜调节液压缸44压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机的三维空间内的全方位调节；
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；
所述整枝伐树截木锯组件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在整枝伐树截木锯组件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，所述整枝伐树截木锯组件27通过转动副与虎克铰28连接，整枝伐树截木锯组件27通过第二球副机构26与液压缸25连接；
所述履带式行走系统23通过转动副与底盘46连接；
所述底盘46一端通过第十四销轴38与机架22连接，另一端通过第十五销轴39与机架22连接；
所述驱动连杆包括第五连杆20、第三连杆9和第一连杆7，所述第五连杆20一端通过第十二销轴21与机架22连接，另一端通过第十一销轴19与第六连杆17连接，所述第三连杆9一端通过第六销轴11与机架22连接，另一端通过第四销轴8与第四连杆2连接，所述第一连杆7一端通过第五销轴10与机架22连接，另一端通过第三销轴6与第七连杆4连接；
所述传动连杆包括第六连杆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17一端通过第十一销轴19与第五连杆20连接，另一端通过第九销轴16与第八连杆12连接，所述第四连杆2一端通过第四销轴8与第三连杆9连接，另一端通过第一销轴1与输出连杆15连接，所述第二连杆5一端通过第三销轴6与第一连杆7连接，另一端通过第二销轴3与第七连杆4连接，所述第八连杆12一端通过第七销轴13与机架22连接，中部通过第九销轴16与第六连杆17连接，另一端通过第八销轴14与第七连杆4连接，所述第七连杆4一端通过第二销轴3与第二连杆5连接，中部通过第八销轴14与第八连杆12连接，另一端通过第十销轴18与输出连杆15连接；
所述输出连杆15一端通过第一销轴1与第四连杆2连接，中部通过第十销轴18与第七连杆4连接，另一端通过第十三销轴29与虎克铰28连接，输出连杆15通过第一球副机构24与液压缸25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8、第五销轴10、第六销轴11、第七销轴13、第八销轴14、第九销轴16、第十销轴18、第十一销轴19、第十二销轴21、第十三销轴29、第十四销轴38、第十五销轴39、第十六销轴40、第十七销轴42、第十八销轴43和第十九销轴45。
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、第四伺服电机306、电机支座307、丝杆308和第五伺服电机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四伺服电机306连接，所述电机支座307和第四伺服电机306固定连接，电机支座307通过螺旋副和丝杆308连接，所述第五伺服电机309通过转动副和丝杆308连接。
所述下夹抱机构31和上夹抱机构33为相同机构，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固定于整枝伐树截木锯组件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，原动机与整枝伐树截木锯组件27固定连接，原动机设置于整枝伐树截木锯组件27内部，整枝伐树截木锯组件27有两个滚轮32，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树截木锯组件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37设置于整枝伐树截木锯组件27上部，与整枝伐树截木锯组件27固定连接。
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，第二销轴3和第四销轴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可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可看成开链式四连杆机构，由于第七连杆4和第四连杆2通过第二销轴3连接，第四连杆2和输出连杆15通过第一销轴1连接，输出连杆15和第七连杆4通过第十销轴18连接，因此第七连杆4、第四连杆2和输出连杆15可看成一根杆，第五连杆20绕着第十二销轴21转动，由于第五连杆20和第六连杆17通过第十一销轴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通过第九销轴16连接，进而带动第八连杆12绕着第七销轴13转动，第八连杆12和第七连杆4通过第八销轴14连接，进而使输出连杆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绕着第十二销轴21转动，由于第五连杆20和第六连杆17通过第十一销轴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通过第九销轴16连接，进而带动第八连杆12绕着第七销轴13转动，第三连杆9绕着第六销轴11转动，由于第三连杆9和第四连杆2通过第四销轴8连接，进而带动第四连杆2转动，第一连杆7绕着第五销轴10转动，由于第一连杆7和第二连杆5通过第三销轴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通过第二销轴3连接，第八连杆12和第七连杆4通过第八销轴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和输出连杆15通过第一销轴1连接，第七连杆4和输出连杆15通过第十销轴18连接，进而使输出连杆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绕着第六销轴11转动，由于第三连杆9和第四连杆2通过第四销轴8连接，进而带动第四连杆2转动，第一连杆7绕着第五销轴10转动，由于第一连杆7和第二连杆5通过第三销轴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通过第二销轴3连接，第八连杆12和第七连杆4通过第八销轴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和输出连杆15通过第一销轴1连接，第七连杆4和输出连杆15通过第十销轴18连接，进而使输出连杆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和整枝伐树截木锯组件27之间的转动副转动，实现整枝伐树截木锯组件27的整体转动。
如图9和图10所示，第二倾斜调节液压缸44处于伸展状态，第一倾斜调节液压缸41处于压缩状态，机架22和底盘46通过第十四销轴38和第十五销轴39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2、图4、图6和图8所示，整枝伐树截木锯组件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，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，整枝伐树截木锯组件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，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。