一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人 |
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| 申请号 | CN201710182209.8 | 申请日 | 2017-03-24 | 公开(公告)号 | CN107116619A | 公开(公告)日 | 2017-09-01 |
| 申请人 | 广西大学; | 发明人 | 王汝贵; 孙家兴; 袁吉伟; 黄慕华; 陈辉庆; | ||||
| 摘要 | 一种双两和单 自由度 变换的变胞式自动化整枝伐树 机器人 ，由 传感器 、驱动 电机 、 履带 式行走系统、 机架 、驱动 连杆 、 传动连杆 、三 角 架、输出连杆、销轴、 液压缸 、虎克铰和整枝伐木装置组成。传感器包括 角位移 传感器、距离传感器和位移传感器，通过传感器和可控 驱动电机 ，实现自动化信息采集及控制，结合 机身 不同构态的两个两自由度和一个单自由度灵活变胞，获得三种不同构态，可以在复杂环境下灵活地完成树木整枝、 修剪 、伐树或者木材定量分段截取自动化作业，工作效率较高。该 发明 还具有动态 稳定性 高、制造成本低、轻便灵活等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人，包括传感器、驱动电机、履带式行走系统、机架、驱动连杆、传动连杆、三角架、输出连杆、销轴、液压缸、虎克铰和整枝伐木装置，其特征在于，具体结构和连接关系为： |
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| 说明书全文 | 一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人技术领域[0001] 本发明涉及机器人领域，特别是一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人。 背景技术[0002] 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。 [0003] 变胞机构是近年来学者提出的重要概念，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征，可根据功能需求或环境等变化，适应不同任务，灵活应用于不同场合。将变胞机构应用于树木整枝伐树机器人设计，将产生一类新型的变胞机构式树木整枝伐树机器人，使树木整枝伐树机器人更大发挥其功能。 [0004] 目前，尚未见到一种能全自动化作业，并能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，兼具灵活实现三种不同构态，大工作空间特征，并且电机均安装在机架上，减少各构件负载，使其运动高动态稳定性，又具有自动化树木整枝、伐树和木材分段截取功能的双两和单自由度变换变胞式自动化整枝伐树机器人的创新发明设计。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人，它能全自动化作业，并能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，兼具灵活实现三种不同构态，大工作空间特征，并且电机均安装在机架上，减少各构件负载，使其运动高动态稳定性，又具有自动化树木整枝、伐树和木材分段截取功能。 [0006] 本发明的技术方案是：一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人，包括传感器、驱动电机、履带式行走系统、机架、驱动连杆、传动连杆、三角架、输出连杆、销轴、液压缸、虎克铰和整枝伐木装置，具体结构和连接关系为： [0007] 所述传感器包括角位移传感器、距离传感器和位移传感器，所述角位移传感器包括第一角位移传感器、第二角位移传感器和第三角位移传感器，第一角位移传感器与后摇杆下端固定连接，第二角位移传感器与中摇杆下端固定连接，第三角位移传感器与前摇杆下端固定连接；所述距离传感器与整枝伐木装置下端固定连接；所述位移传感器与整枝伐木装置固定连接； [0008] 所述驱动电机包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机和第五驱动电机，第一驱动电机和机架固定连接，驱动后摇杆，第二驱动电机和机架固定连接，驱动中摇杆，第三驱动电机和机架固定连接，驱动前摇杆，第四驱动电机和电机支座固定连接，驱动曲柄，第五驱动电机和整枝伐木装置固定连接，驱动丝杆； [0009] 所述履带式行走系统通过转动副与机架连接； [0010] 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，另一端通过第十三销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第七销轴与机架连接，另一端通过第五销轴与中连杆、三角架连接，所述后摇杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与后连杆连接； [0011] 所述传动连杆包括前连杆、支架杆、中连杆、后连杆和长杆，所述前连杆一端通过第十三销轴与前摇杆连接，另一端通过第十一销轴与支架杆连接，所述支架杆一端通过第八销轴与机架连接，中部通过第十一销轴与前连杆连接，另一端通过第十销轴与长杆连接，所述中连杆一端通过第五销轴与中摇杆、三角架连接，中部通过第二销轴与三角架连接，另一端通过第一销轴与输出连杆连接，所述后连杆一端通过第四销轴与后摇杆连接，另一端通过第三销轴与长杆连接，所述长杆一端通过第三销轴与后连杆连接，中部通过第十销轴与支架杆连接，另一端通过第十二销轴与输出连杆连接； [0012] 所述三角架一端通过第五销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端通过第二销轴与中连杆连接； [0013] 所述输出连杆一端通过第一销轴与中连杆连接，中部通过第十二销轴与长杆连接，另一端通过第十四销轴与虎克铰连接，输出连杆通过第一球副机构与液压缸连接；所述整枝伐木装置通过转动副与虎克铰连接，整枝伐木装置通过第二球副机构与液压缸连接； [0014] 所述整枝伐木装置包括刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述整枝伐木装置通过转动副与虎克铰连接，整枝伐木装置通过第二球副机构与液压缸连接，所述刀锯机构在整枝伐木装置的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀。 [0015] 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、第十三销轴和第十四销轴。 [0016] 所述中摇杆和中连杆为双杆，其他连杆均为单杆。 [0017] 所述三角架为两个。 [0018] 所述刀锯机构包括刀锯、滑块、导杆、第三连杆、第四连杆、曲柄、第四驱动电机、电机支座、丝杆和第五驱动电机，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四驱动电机连接，所述电机支座和第四驱动电机固性连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第五驱动电机通过转动副和丝杆连接； [0019] 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整枝伐木装置上，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； [0021] 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； [0022] 所述打枝刀设置于整枝伐木装置上部，与整枝伐木装置固定连接。 [0023] 所述驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第五销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端通过第二销轴与中连杆连接，实现十连杆两自由度运动；驱动连杆全部运动时，三角架一端通过第五销轴与中摇杆、中连杆连接，另一端第二销轴与第三销轴处于重叠位置时，实现十一连杆两自由度运动；驱动连杆为前摇杆时，第三销轴与第五销轴处于重叠位置时，实现十连杆单自由度运动。 [0024] 本发明的突出优点在于： [0025] 1.通过传感器和可控驱动电机，实现自动化信息采集及控制，实现树木整枝、修剪、伐树或者木材定量分段截取自动化作业，工作效率较高。 [0026] 2.在工作过程中，能够在两个两自由度和一个单自由度间灵活变换，灵活实现三种不同构态，树木整枝伐树机在两种两自由度构型时，均具有柔性化的特点，更有效地进一步增大了工作空间，并均可实现工作端高精确定位，机构单自由度时，机构稳定性较高。高柔性化程度，使整枝伐树机器人林场作业时，能够适应树木生长形态复杂多变的任意状况，柔性灵活作业。 [0027] 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。 [0029] 图1为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的第一结构示意图。 [0030] 图2为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的第二结构示意图。 [0031] 图3为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十连杆单自由度时第一结构状态图。 [0032] 图4为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十连杆单自由度时第二结构状态图。 [0033] 图5为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十连杆两自由度时第一结构状态图。 [0034] 图6为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十连杆两自由度时第二结构状态图。 [0035] 图7为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十一连杆两自由度时第一结构状态图。 [0036] 图8为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十一连杆两自由度时第二结构状态图。 [0037] 图9为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化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。 [0038] 图10为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的十一连杆两自由度时高处树木整枝结构状态图。 [0039] 图11为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的整枝伐木装置的第一结构示意图。 [0040] 图12为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的整枝伐木装置的第二结构示意图。 [0041] 图13为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的下夹抱机构的结构示意图。 [0042] 图14为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的刀锯机构的结构示意图。 [0043] 图15为本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人的后摇杆的结构示意图。 [0044] 图中标记为：1、第一销轴；2、中连杆；3、第二销轴；4、第三销轴；5、长杆；6、后连杆；7、三角架；8、第四销轴；9、第五销轴；10、后摇杆；11、中摇杆；12、第六销轴；13、第七销轴； 14、机架；15、履带式行走系统；16、支架杆；17、第八销轴；18、第九销轴；19、输出连杆；20、第十销轴；21第十一销轴；22、第十二销轴；23、第一球副机构；24、液压杆；25、整枝伐木装置； 26、虎克铰；27、第十三销轴；28、前连杆；29、前摇杆；30、第二球副机构；31、第十四销轴；32、刀锯机构；321、滑块；322、导杆；323、第三连杆；324、第四连杆；325、曲柄；326、第四驱动电机；327、电机支座；328、丝杆；329、第五驱动电机；3210、刀锯；33、下夹抱机构；331、螺杆； 332、固定支座；333、第一连杆；334、活动支座；335、螺母；336、第二连杆；34、滚轮；35、上夹抱机构；36打枝刀；37、第一驱动电机；38、第二驱动电机；39、第三驱动电机；40、第一角位移传感器；41、第二角位移传感器；42、第三角位移传感器；43、距离传感器；44、位移传感器。 具体实施方式[0045] 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。 [0046] 如图1、图2、图4、图6、图11、图12、图13、图14和图15所示，本发明所述的一种双两和单自由度变换的变胞式自动化整枝伐树机器人，包括传感器、驱动电机、履带式行走系统15、机架14、驱动连杆、传动连杆、三角架7、输出连杆19、销轴、液压缸24、虎克铰26和整枝伐木装置25，具体结构和连接关系为： [0047] 所述传感器包括角位移传感器、距离传感器43和位移传感器44，所述角位移传感器包括第一角位移传感器40、第二角位移传感器41和第三角位移传感器42，第一角位移传感器40与后摇杆10下端固定连接，第二角位移传感器41与中摇杆11下端固定连接，第三角位移传感器42与前摇杆29下端固定连接；所述距离传感器43与整枝伐木装置25下端固定连接；所述位移传感器44与整枝伐木装置25固定连接； [0048] 所述驱动电机包括第一驱动电机37、第二驱动电机38、第三驱动电机39、第四驱动电机326和第五驱动电机329，第一驱动电机37和机架14固定连接，驱动后摇杆10，第二驱动电机38和机架14固定连接，驱动中摇杆11，第三驱动电机39和机架14固定连接，驱动前摇杆29，第四驱动电机326和电机支座327固定连接，驱动曲柄325，第五驱动电机329和整枝伐木装置25固定连接，驱动丝杆328； [0049] 所述履带式行走系统15通过转动副与机架14连接； [0050] 所述驱动连杆包括前摇杆29、中摇杆11和后摇杆10，所述前摇杆29一端通过第九销轴18与机架14连接，另一端通过第十三销轴27与前连杆28连接，所述中摇杆11一端通过第七销轴13与机架14连接，另一端通过第五销轴9与中连杆2、三角架7连接，所述后摇杆10一端通过第六销轴12与机架14连接，另一端通过第四销轴8与后连杆6连接； [0051] 所述传动连杆包括前连杆28、支架杆16、中连杆2、后连杆6和长杆5，所述前连杆28一端通过第十三销轴27与前摇杆29连接，另一端通过第十一销轴21与支架杆16连接，所述支架杆16一端通过第八销轴17与机架14连接，中部通过第十一销轴21与前连杆28连接，另一端通过第十销轴20与长杆5连接，所述中连杆2一端通过第五销轴9与中摇杆11、三角架7连接，中部通过第二销轴3与三角架7连接，另一端通过第一销轴1与输出连杆19连接，所述后连杆6一端通过第四销轴8与后摇杆10连接，另一端通过第三销轴4与长杆5连接，所述长杆5一端通过第三销轴4与后连杆6连接，中部通过第十销轴20与支架杆16连接，另一端通过第十二销轴22与输出连杆19连接； [0052] 所述三角架4一端通过第五销轴9与中摇杆11、中连杆2连接，另一端通过第二销轴3与中连杆2连接； [0053] 所述输出连杆19一端通过第一销轴1与中连杆2连接，中部通过第十二销轴22与长杆5连接，另一端通过第十四销轴31与虎克铰26连接，输出连杆19通过第一球副机构23与液压缸24连接； [0054] 所述整枝伐木装置25包括刀锯机构32、下夹抱机构33、滚轮34、上夹抱机构35和打枝刀36，所述整枝伐木装置25通过转动副与虎克铰26连接，整枝伐木装置25通过第二球副机构30与液压缸24连接，所述刀锯机构32在整枝伐木装置25的最下方，往上依次是下夹抱机构33、滚轮34、上夹抱机构35和打枝刀36； [0055] 所述销轴包括第一销轴1、第二销轴3、第三销轴4、第四销轴8、第五销轴9、第六销轴12、第七销轴13、第八销轴17、第九销轴18、第十销轴20、第十一销轴21、第十二销轴22、第十三销轴27和第十四销轴31。 [0056] 所述刀锯机构32包括刀锯3210、滑块321、导杆322、第三连杆323、第四连杆324、曲柄325、第四驱动电机326、电机支座327、丝杆328和第五驱动电机329，所述刀锯3210和滑块321固定连接，滑块321和导杆322通过圆柱副连接，所述第三连杆323一端通过转动副和滑块321连接，另一端通过转动副和第四连杆324连接，所述曲柄325一端通过转动副和第四连杆324连接，另一端通过转动副和第四驱动电机326连接，所述电机支座327和第四驱动电机 326固定连接，电机支座327通过螺旋副和丝杆328连接，所述第五驱动电机329通过转动副和丝杆328连接。 [0057] 所述下夹抱机构33包括螺杆331、固定支座332、第一连杆333、活动支座335、螺母335和第二连杆336，所述固定支座332固定于整枝伐木装置25上，固定支座332和活动支座 334通过螺杆331连接，螺杆331的一端连接螺母335，所述第一连杆333一端通过转动副和固定支座332连接，另一端通过转动副和第二连杆336连接，所述第二连杆336一端通过转动副和第一连杆333连接，中部通过转动副和活动支座334连接。 [0058] 所述滚轮34末端与原动机输出轴连接，原动机与整枝伐木装置25固定连接，原动机设置于整枝伐木装置25内部，整枝伐木装置25有两个滚轮34，沿竖直中心线对称分布与整枝伐木装置25两侧。 [0059] 所述上夹抱机构35和下夹抱机构33结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同。 [0060] 所述打枝刀36设置于整枝伐木装置25上部，与整枝伐木装置25固定连接。 [0061] 工作原理及过程： [0062] 如图3和图4所示，机构为十连杆单自由度时，第三销轴4和第五销轴9处于重叠位置，后摇杆10、后连杆6和中摇杆11可看成平面四连杆机构，长杆5和中连杆2通过第五销轴9连接，中连杆2和输出连杆19通过第一销轴1连接，输出连杆19和长杆5通过第十二销轴22连接，因此长杆5、中连杆2和输出连杆19可看成一根杆，前摇杆29绕着第九销轴18转动，由于前连杆28和前摇杆29通过第十三销轴27连接，进而带动前连杆28转动，支架杆16和前连杆28通过第十一销轴21连接，进而带动支架杆16绕着第八销轴17转动，长杆5和支架杆16通过第十销轴20连接，进而使输出连杆19作单自由度运动。 [0063] 如图5和图6所示，机构为十连杆两自由度运动时，前摇杆29绕着第九销轴18转动，由于前连杆28和前摇杆29通过第十三销轴27连接，进而带动前连杆28转动，支架杆16和前连杆28通过第十一销轴21连接，进而带动支架杆16绕着第八销轴17转动，中摇杆11绕着第七销轴13转动，由于中连杆2和中摇杆11通过第五销轴9连接，三角架7两端均与中连杆2连接，此时可将三角架7和中连杆2看成一根杆，进而带动中连杆2转动，后摇杆10绕着第六销轴12转动，由于后连杆6和后摇杆10通过第四销轴8连接，进而带动后连杆6转动，长杆5和后连杆6通过第三销轴4连接，长杆5中部和支架杆16通过第十销轴20连接，进而使长杆5实现平面运动，输出连杆19和中连杆2通过第一销轴1连接，输出连杆19中部和长杆5通过第十二销轴22连接，进而使输出连杆19作两自由度运动。 [0064] 如图7和图8所示，机构为十一连杆两自由度运动时，前摇杆29绕着第九销轴18转动，由于前连杆28和前摇杆29通过第十三销轴27连接，进而带动前连杆28转动，支架杆16和前连杆28通过第十一销轴21连接，进而带动支架杆16绕着第八销轴17转动，中摇杆11绕着第七销轴13转动，由于中连杆2和中摇杆11通过第五销轴9连接，进而带动中连杆2转动，由于三角架7和中摇杆11通过第五销轴9连接，进而带动三角架7转动，后摇杆10绕着第六销轴12转动，由于后连杆6和后摇杆10通过第四销轴8连接，进而带动后连杆6转动，第二销轴3和第三销轴4处于重叠位置，此时后摇杆10、后连杆6、三角架7和中摇杆11构成平面五连杆机构，长杆5和后连杆6通过第三销轴4连接，长杆5中部和支架杆16通过第十销轴20连接，进而使长杆5实现平面运动，输出连杆19和中连杆2通过第一销轴1连接，输出连杆19中部和长杆 5通过第十二销轴22连接，进而使输出连杆19作两自由度运动。 [0065] 如图3、图4、图11和图12所示，通过驱动液压缸24，使液压缸24伸长，进而带动虎克铰26和整枝伐木装置25之间的转动副转动，实现整枝伐木装置25的整体转动。 [0066] 如图2、图4、图6和图8所示，整枝伐木装置25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。 [0067] 如图1、图3、图5、图7、图9和图10所示，整枝伐木装置25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。 [0068] 如图4所示，第一角位移传感器40、第二角位移传感器41和第三角位移传感器42分别安装于后摇杆10、中摇杆11和前摇杆29上，第一角位移传感器40通过调控后摇杆10的转动角度，实现对后摇杆10的控制，第二角位移传感器41通过调控中摇杆11的转动角度，实现对中摇杆11的控制，第三角位移传感器42通过调控前摇杆29的转动角度，实现对前摇杆29的控制；距离传感器43安装于整枝伐木装置21，通过测量与树木的距离，来实现对树木的夹抱和伐锯；位移传感器44安装于整枝伐木装置25，整枝伐木装置25夹抱树木，通过树木在整枝伐木装置25上移动的位移，来实现对木材分段截取；通过各传感器的相互配合，实现树木整枝伐树机器人的自动化。 |
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