技术领域
[0001] 本
发明属于林业机械领域，尤其是涉及一种速生林螺旋爬树修枝机器人，用于速生树木的快速螺旋爬升并同时完成侧枝
修剪工作。技术背景
[0002] 速生林是轮伐周期短的人工林，在工业造纸领域需求较大，由于其速生优势，材质好，造林成活率高等优良特性，因而有很好的经济价值。合理的修枝可以促进树木的生长，提高树木的通直度、圆度、抗弯强度及木材的韧性，改善林木的生长环境和林木防火条件,增强上部光合作用。我国速生林种植面积不断扩大，但速生林的修枝方式落后，很多地区存在修枝方法不当甚至不修枝等现象，其主要原因是速生林区
剪枝机器相对比较落后，现有修枝器存在安全性差、劳动强度大、修枝效率低下、修枝
质量差、修枝高度达不到要求等问题。
[0003] 针对速生林修枝机械存在的安全性差、劳动强度大、修枝高度达不到要求等问题，发明一种可操作性良好、自动化程度高、成本较低、安全性良好的速生林修枝维护机器人，以完成速生林修枝维护工作，对于速生林产业发展有重要推动作用。
发明内容
[0004] 本发明为了解决速生林侧枝修剪问题，提供了一种速生林螺旋爬树修枝机器人，以实现速生树木的自动化快速攀爬和修枝工作。
[0005] 一种速生林螺旋爬树修枝机器人，包括：夹紧爬行装置、动
力传动装置、锯头切割装置和控制系统。
[0006] 所述的夹紧爬行装置包括：主
机架、爬行轮
支撑轴承、爬行轮胎、爬行轮轴、爬行轮驱动
链轮、电动
推杆下支撑、机架导孔一、机架导孔二、夹紧机架、夹紧轮轴、夹紧轮胎、电动推杆下
螺栓、电动推杆上螺栓、电动推杆、电动推杆上支撑、
弹簧、销钉孔和销钉。
[0007] 所述的主机架由机架上部梁、机架下部梁、机架
侧梁一、机架侧梁二固结而成；四个所述的爬行轮支撑轴承分别对称安装在机架上部梁和机架下部梁两侧；四个所述的爬行轮轴一端分别对应安装在四个爬行轮支撑轴承上；四个所述的爬行轮胎分别安装在四个爬行轮轴的远轴承端上；四个所述的爬行轮驱动链轮分别安装在四根爬行轮轴中间；所述的电动推杆下支撑与机架上部梁形成不大于45度的夹
角，固接在主机架上；所述的机架导孔一、机架导孔二分别分布在电动推杆下支撑两侧；所述的夹紧机架由夹紧轮轮梁、滑动导杆一、滑动导杆二组成，夹紧轮轮梁两端分别由滑动导杆一、滑动导杆二固接于机架导孔一和机架导孔二；两根所述的夹紧轮轴分别固接于夹紧轮轮梁上；所述的夹紧轮胎为两个直径相等的
充气轮胎，两个夹紧轮胎分别安装在两根夹紧轮轴上，并可以绕夹紧轮轴转动；所述的滑动导杆一、滑动导杆二的一端分别固接于夹紧轮轮梁两端，滑动导杆一和滑动导杆二的另一端分别设有多个销钉孔，滑动导杆一、滑动导杆二通过销钉孔分别与机架导孔一和机架导孔二可活动连接，通过连接不同销孔设定不同连接
位置，使两个夹紧轮胎与四个爬行轮胎形成一个封闭夹紧区域；所述的电动推杆一端通过电动推杆下螺栓连接在电动推杆下支撑上，电动推杆另一端通过电动推杆上螺栓连接于电动推杆上支撑上；所述的电动推杆上支撑两侧开有两个滑杆导孔，电动推杆上支撑两侧通过两个滑杆导孔分别套装在滑动导杆一和滑动导杆二上；电动推杆上支撑两侧上方安装有弹簧；两个所述的弹簧分别套装在滑动导杆一与滑动导杆二上；所述的销钉安装在滑动导杆一、滑动导杆二上的销钉孔中，用于固定弹簧，防止弹簧滑脱。
[0008] 所述的动力传动装置包括：
发动机支架、发动机、油箱、
离合器、离合器
输出轴、锯切动力链轮、减速器支架、减速器、减速器输出轴、爬行装置带传动总成、爬行装置链传动总成、锯切动力链轮、锯切转动系统支架、锯切
传动轴承、锯切传动轴、锯切从动链轮、锯切传动链条、锯切
万向节、爬行装置带传动总成、爬行装置链传动总成。
[0009] 所述的发动机支架和减速器支架均分别固接在所述的机架侧梁一和机架侧梁二上；所述的发动机安装在发动机支架上；所述的油箱安装在减速器支架上；所述的离合器安装在发动机动力输出端；所述的减速器安装在减速器支架上；减速器输入端通过离合器输出轴与离合器相连，减速器输出端通过减速器输出轴与所述的爬行装置带传动总成相连，并将动力传递给爬行装置带传动总成；所述的爬行装置带传动总成将动力传送给爬行装置链传动总成；所述的爬行装置链传动总成将动力传送给四个爬行轮驱动链轮；所述锯切动力链轮固接在离合器输出轴中部；所述的锯切
传动系统支架固接在主机架上；所述的锯切传动轴承安装在锯切传动系统支架上；所述的锯切传动轴安装在锯切传动轴承上，锯切传动轴另一端安装有锯切从动链轮；所述的锯切从动链轮通过锯切传动链条与锯切动力链轮相连，并从锯切动力链轮处获得动力；所述锯切万向节一端安装在锯切传动轴另一端。
[0010] 所述的锯头切割装置包括剪枝锯悬臂、剪枝锯导筒、剪枝锯滑
块、剪枝锯弹簧、剪枝锯限位轮、剪枝锯锯头和剪枝锯动力
输入轴；
[0011] 所述的剪枝锯悬臂固接在机架上部梁上；所述的剪枝锯导筒固接在剪枝锯悬臂上；所述的剪枝锯滑块安装在剪枝锯导筒内部；所述的剪枝锯弹簧一端与剪枝锯导筒固接，一端与剪枝锯滑块固接，用于限制剪枝锯滑块在剪枝锯导筒内的移动；所述的剪枝锯限位轮安装在剪枝锯滑块上并能够自由转动；所述的剪枝锯锯头安装在剪枝锯滑块上，剪枝锯锯头带有剪枝锯动力输入轴；所述的剪枝锯动力输入轴与锯切万向节另一端相连。
[0012] 所述的控制系统包括电源、执行机构、控制盒、
单片机系统、无线通讯模块、驱动模块和控制终端。
[0013] 所述的电源安装在主机架上，所述电源优先选用24V直流电源；所述的执行机构包括
油门舵机、电动推杆；所述的油门舵机安装在发动机支架上，与发动机油门相连接，用于改变油门大小；所述的电动推杆两端分别安装在电动推杆下支撑和电动推杆上支撑上；所述的控制盒安装在主机架上；所述的单片机系统、无线通讯模块、驱动模块安装在控制盒内并通过
信号线相连；所述的无线通讯模块可以是蓝牙模块、WIFI模块或数传模块等，并与控制终端无线连接；所述的驱动模块由信号线与执行机构相连，接收
控制信号并驱动执行机构动作；所述控制终端可以是带有无线通讯功能的智能手机、遥控器或电脑等；所述的控制系统由单片机系统作为主要控制核心，通过接收控制终端的无线信号，驱动油门舵机、电动推杆、继电器等执行装置，实现对夹紧爬行装置、动力传动装置、锯头切割装置的控制。
[0014] 本发明一种速生林螺旋爬树修枝机器人的控制过程如下：
[0015] (1)将速生林螺旋爬树修枝机器人安放于待修剪树木上，打开电源，速生林螺旋爬树修枝
机器人控制系统初始化；
[0016] (2)使用控制终端发出的夹紧控制信号，无线通讯模块接收到控制信号并将
信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制电动推杆，整机实现夹紧树干的动作；
[0017] (3)使用控制终端发出攀爬信号，由无线通讯模块接收，无线通讯模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制油门舵机，整机实现攀爬与锯切的同时动作；
[0018] (4)速生林螺旋爬树修枝机器人爬升到一定高度后，完成侧枝锯切工作，使用控制终端发出的放松控制信号，无线通讯模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制电动推杆，整机实现放松树干的动作，整机靠重力作用逐渐下滑到树干根部，关闭电源，完成一颗树木的侧枝修剪工作。
[0019] 本发明的有益效果是：1、本发明设计的爬树修枝机器人的控制系统，可将系统控制
软件安装在具有无线通讯功能的控制终端直接对机器进行控制，有较高的移植性，操作简单，自动化程度高。2、本发明采用采用无线通讯模块接收信号，修枝高度可达十米以上、效率高、安全性高。3、本发明采用锯头滑块机构可使锯板与树干保持定距，能保证修枝树茬高度。4、本发明结构简单、体积小、制造加工成本低、适合在速生林间进行修枝作业。
附图说明
[0020] 图1为速生林螺旋爬树修枝机器人夹紧爬行装置的俯视图；
[0021] 图2为速生林螺旋爬树修枝机器人夹紧爬行装置的正视图；
[0022] 图3为速生林螺旋爬树修枝机器人
正面结构示意图
[0023] 图4为速生林螺旋爬树修枝机器人背面结构示意图；
[0024] 图5为速生林螺旋爬树修枝机器人锯头切割装置结构图；
[0025] 图6为速生林螺旋爬树修枝机器人控制系统的原理
框图；
[0026] 机架上部梁1、机架下部梁2、机架侧梁一3、机架侧梁二4、爬行轮支撑轴承5、爬行轮胎6、爬行轮轴7、爬行轮驱动链轮8、电动推杆下支撑9、机架导孔一10、机架导孔二11、夹紧轮轮梁12、滑动导杆一13、滑动导杆二14、夹紧轮轴15、夹紧轮胎16、电动推杆下螺栓17、电动推杆上螺栓18、电动推杆19、电动推杆上支撑20、弹簧21、销钉孔22、销钉23、发动机支架24、发动机25、油箱26、离合器27、离合器输出轴28、锯切动力链轮29、减速器支架30、减速器31、减速器输出轴32、锯切转动系统支架33、锯切传动轴承34、锯切传动轴35、锯切从动链轮36、锯切传动链条37、锯切万向节38、剪枝锯悬臂39、剪枝锯导筒40、剪枝锯滑块41、剪枝锯弹簧42、剪枝锯限位轮43、剪枝锯锯头44、剪枝锯动力输入轴45、电源46、油门舵机47、控制盒48。具体实施方式：
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0028] 如图1～5所示，本发明所采用的技术方案是：一种速生林螺旋爬树修枝机器人，包括：夹紧爬行装置、动力传动装置、锯头切割装置和控制系统。
[0029] 所述的夹紧爬行装置包括：主机架、机架上部梁1、机架下部梁2、机架侧梁一3、机架侧梁二4、爬行轮支撑轴承5、爬行轮胎6、爬行轮轴7、爬行轮驱动链轮8、电动推杆下支撑9、机架导孔一10、机架导孔二11、夹紧机架、夹紧轮轮梁12、滑动导杆一13、滑动导杆二14、夹紧轮轴15、夹紧轮胎16、电动推杆下螺栓17、电动推杆上螺栓18、电动推杆19、电动推杆上支撑20、弹簧21、销钉孔22、销钉23。
[0030] 所述的主机架由机架上部梁1、机架下部梁2、机架侧梁一3、机架侧梁二4固结而成，形成一个四边形机架用于固定主要零部件；所述的爬行轮支撑轴承5包括四个同样的轴承、分别安装在主机架上部梁1和主机架下部梁2两侧；所述的爬行轮轴7包括四根同样的轮胎轴，四根爬行轮轴7的一端分别安装在四个爬行轮支撑轴承5上，并可以绕爬行轮支撑轴承5转动；所述的爬行轮胎6包括四个同样的充气轮胎，分别安装在四根爬行轮轴7的远轴承端上；爬行轮驱动链轮8包括四个同样的链轮，分别安装在四根爬行轮轴7中间，爬行轮驱动链轮8用于接收动力与传动系统传送的动力；所述的电动推杆下支撑9与机架上部梁1形成一定角度固接在主机架上，以便于形成攀爬
螺旋角；所述的机架导孔一10、机架导孔二11分别分布在电动推杆下支撑9两侧；所述的夹紧机架由夹紧轮轮梁12、滑动导杆一13、滑动导杆二14组成；所述的夹紧轮轴15包括同样的两根轮胎轴，分别固接于夹紧轮轮梁12上；所述的夹紧轮胎16包括两个同样的充气轮胎，分别安装在两根夹紧轮轴15上，并可以绕夹紧轮轴15转动；所述的滑动导杆一13、滑动导杆二14的一端分别固接于夹紧轮轮梁12两端，滑动导杆一13和滑动导杆二14的另一端分别开有多个销钉孔22，以便于安装销钉23，滑动导杆一13、滑动导杆二14开有销钉孔22的一端分别穿过机架导孔一10、机架导孔二11，使两个夹紧轮胎16与四个爬行轮胎6形成一个封闭夹紧区域，使待修枝树木穿过封闭夹紧区实现夹紧；所述的电动推杆19一端通过电动推杆下螺栓17连接在电动推杆下支撑上9，电动推杆19另一端通过电动推杆上螺栓18连接到电动推杆上支撑20上；所述的电动推杆上支撑20两侧开有两个滑杆导孔，并通过两个滑杆导孔分别套装在滑动导杆一13和滑动导杆二14上；所述的弹簧21包括两个同样的弹簧，分别套装在滑动导杆一13与滑动导杆二14上，弹簧21提供的预紧力可以实现轮胎跨跃树疤等障碍时不必频繁调节电动推杆19；所述的销钉23包括两个同样的销钉，分别安装在滑动导杆一13、滑动导杆二14上的销钉孔22中，防止弹簧21滑脱。
[0031] 所述的动力传动装置包括：发动机支架24、发动机25、油箱26、离合器27、离合器输出轴28、锯切动力链轮29、减速器支架30、减速器31、减速器输出轴32、锯切传动系统支架33、锯切传动轴承34、锯切传动轴35、锯切从动链轮36、锯切传动链条37、锯切万向节38、爬行装置带传动总成、爬行装置链传动总成
[0032] 所述的发动机支架24固接在主机架的机架侧梁一3、机架侧梁二4上；所述的发动机25安装在发动机支架24上；所述的油箱26安装在减速器支架30上；所述的离合器27安装在发动机25动力输出端；所述的减速器支架30安装在主机架的机架侧梁一3、机架侧梁二4上；所述的减速器31安装在减速器支架30上，减速器31输入端通过离合器输出轴28与离合器27相连，减速器31输出端通过减速器输出轴32与所述的爬行装置带传动总成相连，并将动力传递给爬行装置带传动总成；所述的爬行装置带传动总成将动力传送给爬行装置链传动总成；所述的爬行装置链传动总成将动力传送给四个爬行轮驱动链轮8，进而驱动爬行轮胎6转动；所述的锯切动力链轮29固接在离合器输出轴28中部；所述的锯切传动系统支架33固接在主机架上；所述的锯切传动轴承34安装在锯切传动系统支架33上；所述的锯切传动轴35安装在锯切传动轴承34上，一端安装有锯切从动链轮36；所述的锯切从动链轮36通过锯切传动链条37与锯切动力链轮29相连，并从锯切动力链轮29处获得动力；所述锯切万向节38一端安装在锯切传动轴35另一端。
[0033] 锯头切割装置包括：剪枝锯悬臂39、剪枝锯导筒40、剪枝锯滑块41、剪枝锯弹簧42、剪枝锯限位轮43、剪枝锯锯头44、剪枝锯动力输入轴45。
[0034] 所述的剪枝锯悬臂39固接在机架上部梁1上；所述的剪枝锯导筒40固接在剪枝锯悬臂39上，所述的剪枝锯滑块41安装在剪枝锯导筒40内部；所述的剪枝锯弹簧42一端与剪枝锯导筒40固接，一端与剪枝锯滑块41固接，用于限制剪枝锯滑块41在剪枝锯导筒40内的移动；所述的剪枝锯限位轮43安装在剪枝锯滑块41上并能够自由转动，修枝过程中修枝锯限位轮43紧贴树干进而控制修枝留茬高度；所述的剪枝锯锯头44安装在剪枝锯滑块41上，剪枝锯锯头44带有剪枝锯动力输入轴45；所述的剪枝锯动力输入轴45与锯切万向节38另一端相连。
[0035] 所述的控制系统包括电源46、执行机构、控制盒48、单片机系统、无线通讯模块、驱动模块和控制终端。
[0036] 所述的电源46安装在主机架上，所述的电源46优先选用24V直流电源；所述的执行机构包括油门舵机47、电动推杆19；所述的油门舵机47安装在发动机支架24上，所述的控制盒48安装在主机架上，所述的控制盒外侧有三个外接插口分别连接电源引出线插头、油门舵机47引出线插头和电动推杆19引出线插头；所述的无线通讯模块可以是蓝牙模块、WIFI模块、数传模块等，可以与控制终端建立无线连接；所述的单片机、无线通讯模块、驱动模块安装在控制盒内并通过电气控制
电路相连；本发明所述的控制终端可以采用带有无线通讯功能的智能手机、遥控器或电脑等；本
实施例以控制终端使用智能手机为例，通过现有软件开发技术可以编写手机APP软件，实现对电动推杆的伸缩量和油门舵机的大小进行控制。所述的手机APP软件安装在智能手机上，通过
人机交互控制APP软件通过智能手机发出无线控制信号，该信号由无线通讯模块接收并将该控制信号传递给单片机，然后单片机解析该信号并通过驱动模块驱动电动推杆19和油门舵机47动作，从而能实现对油门大小和电动推杆19的伸缩量加以精确控制。所述的控制终端也可选用带有比例和
开关量通道的遥控器，如两通道以上的航模遥控器。
[0037] 本发明一种速生林螺旋爬树修枝机器人控制过程如下：
[0038] (1)将速生林螺旋爬树修枝机器人安放于待修剪树木上，打开电源，速生林螺旋爬树修枝机器人控制系统初始化；
[0039] (2)使用控制终端发出的夹紧控制信号，无线通讯模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制电动推杆，整机实现夹紧树干的动作；
[0040] (3)使用控制终端发出攀爬信号，由无线通讯模块接收，无线通讯模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制油门舵机，整机实现攀爬与锯切的同时动作；
[0041] (4)速生林螺旋爬树修枝机器人爬升到一定高度后，完成侧枝锯切工作，使用控制终端发出的放松控制信号，无线通讯模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过驱动模块控制电动推杆，整机实现放松树干的动作，整机靠重力作用逐渐下滑到树干根部，关闭电源，完成一颗树木的侧枝修剪工作。
[0042] 本发明的一种速生林螺旋爬树修枝机器人修剪侧枝方法：
[0043] 准备安装阶段：将修枝机器人部分拆装后运送至速生林树木
指定位置，先将主机架顺着树干轴向安放好，机器人的安放高度可根据现实需要进行调整，然后将夹紧机架的两个滑动导杆插入到主机架上的两个对应的机架导孔内，再依次安装电动推杆上支撑20、弹簧21和销钉23，安装过程完毕；
[0044] 爬行修枝阶段：对控制盒48进行通电，打开手机对应的APP，启动电动推杆19使机器人对树木进行初步夹紧，启动发动机25，整机进入工作状态同时剪枝锯锯头44高速运转；根据实际情况通过手机APP控制油门大小，机器人开始往上螺旋式爬行，爬行过程中当树干直径变小时可适当调节手机APP使电动推杆确保机器人能夹紧树干，当上升到一定程度剪枝锯锯头44碰到树干侧枝后会对侧枝进行自动切割；
[0045] 下落完成阶段：侧枝切割完成后将发动机的油门放到待机状态，此时机器人停止攀爬，控制手机APP使电动推杆动作实现修枝机器人夹紧松开并开始往下滑落，部分拆装机器人，修枝工作完成。
