本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，特別是一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人。

背景技術(shù)：

中國專利201610396453.x公布了一種伐木機器人，通過四個驅(qū)動輪的移動，實現(xiàn)切割的定位，工作精度和柔性低，運動空間小，且電機驅(qū)動噪音大，只能實現(xiàn)伐木任務(wù)；中國專利201610419380.1公開了一種用于伐木機的全液壓自動伐木裝置，但只能實現(xiàn)伐木任務(wù)；中國專利201210335835.3公開了一種伐樹截木一體機，此伐樹截木機，僅用于伐樹截木，不能用于樹木整枝、修剪，且此伐木機只能與工程機械配合使用；中國專利201310427637.4公開了一種電動植物整枝機，此植物整枝機，僅用于植物整枝，不能用于伐木、截木。現(xiàn)有有關(guān)伐樹機器人的設(shè)計，均功能單一，工作空間小，穩(wěn)定性不足，精度低，噪音大，承載能力小，不能根據(jù)功能需求或者環(huán)境的變化，靈活改變構(gòu)型以適應(yīng)不同任務(wù)和場合，柔性低。

目前，尚未見到一種液壓驅(qū)動控制并能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，靈活實現(xiàn)三種不同構(gòu)態(tài)，兼具運動平穩(wěn)、質(zhì)量輕承載能力大且噪音小和大工作空間特征，并且電機均安裝在機架上，減少各構(gòu)件負載，使其運動高動態(tài)穩(wěn)定性，又具有樹木整枝、伐樹和木材分段截取功能的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的創(chuàng)新發(fā)明設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人，它能靈活實現(xiàn)三種不同構(gòu)態(tài)，兼具運動平穩(wěn)、質(zhì)量輕承載能力大且噪音小和大工作空間特征，并且電機均安裝在機架上，減少各構(gòu)件負載，使其運動高動態(tài)穩(wěn)定性，又具有樹木整枝、伐樹和木材分段截取功能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人，包括液壓馬達、鋸頭裝置、行走裝置、機架、連桿機構(gòu)、銷軸、液壓缸和虎克鉸，具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述液壓馬達，包括第一液壓馬達、第二液壓馬達、第三液壓馬達、第四液壓馬達和第五液壓馬達，第一液壓馬達和機架固定連接，第二液壓馬達和機架固定連接，第三液壓馬達和機架固定連接，第四液壓馬達與電機支座固定連接，第五液壓馬達通過轉(zhuǎn)動副和絲桿連接；

所述鋸頭裝置包括刀鋸機構(gòu)、下夾抱機構(gòu)、滾輪、上夾抱機構(gòu)和打枝刀，所述刀鋸機構(gòu)包括刀鋸、滑塊、導(dǎo)桿、第三連桿、第四連桿、曲柄、第四液壓馬達、電機支座、絲桿和第五液壓馬達，所述刀鋸和滑塊固定連接，滑塊和導(dǎo)桿通過圓柱副連接，所述第三連桿一端通過轉(zhuǎn)動副和滑塊連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿連接，所述曲柄一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第四液壓馬達連接，所述電機支座和第四液壓馬達固定連接，電機支座通過螺旋副和絲桿連接，所述第五液壓馬達通過轉(zhuǎn)動副和絲桿連接；所述下夾抱機構(gòu)包括螺桿、固定支座、第一連桿、活動支座、螺母和第二連桿，所述固定支座固定于鋸頭裝置上，固定支座和活動支座通過螺桿連接，螺桿的一端連接螺母，所述第一連桿一端通過轉(zhuǎn)動副和固定支座連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第二連桿連接，所述第二連桿一端通過轉(zhuǎn)動副和第一連桿連接，中部通過轉(zhuǎn)動副和活動支座連接；所述滾輪末端與原動機輸出軸連接，原動機與鋸頭裝置固定連接，原動機設(shè)置于鋸頭裝置內(nèi)部，鋸頭裝置有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與鋸頭裝置兩側(cè)；所述上夾抱機構(gòu)和下夾抱機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，其零部件和零部件之間的連接關(guān)系均相同；所述打枝刀設(shè)置于鋸頭裝置上部，與鋸頭裝置固定連接；

所述行走裝置通過轉(zhuǎn)動副與機架連接；

所述連桿機構(gòu)包括驅(qū)動連桿、傳動連桿、三角架和輸出連桿；所述驅(qū)動連桿包括前搖桿、中搖桿和后搖桿，所述前搖桿一端通過第九銷軸與機架連接，另一端通過第十三銷軸與前連桿連接，所述中搖桿一端通過第七銷軸與機架連接，另一端通過第五銷軸與中連桿、三角架連接，所述后搖桿一端通過第六銷軸與機架連接，另一端通過第四銷軸與后連桿連接；所述傳動連桿包括前連桿、支架桿、中連桿、后連桿和長桿，所述前連桿一端通過第十三銷軸與前搖桿連接，另一端通過第十一銷軸與支架桿連接，所述支架桿一端通過第八銷軸與機架連接，中部通過第十一銷軸與前連桿連接，另一端通過第十銷軸與長桿連接，所述中連桿一端通過第五銷軸與中搖桿、三角架連接，中部通過第二銷軸與三角架連接，另一端通過第一銷軸與輸出連桿連接，所述后連桿一端通過第四銷軸與后搖桿連接，另一端通過第三銷軸與長桿連接，所述長桿一端通過第三銷軸與后連桿連接，中部通過第十銷軸與支架桿連接，另一端通過第十二銷軸與輸出連桿連接；所述三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二銷軸與中連桿連接；所述輸出連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接，中部通過第十二銷軸與長桿連接，另一端通過第十四銷軸與虎克鉸連接，輸出連桿通過第一球副機構(gòu)與液壓缸連接；

所述銷軸包括第一銷軸、第二銷軸、第三銷軸、第四銷軸、第五銷軸、第六銷軸、第七銷軸、第八銷軸、第九銷軸、第十銷軸、第十一銷軸、第十二銷軸、第十三銷軸和第十四銷軸。

所述鋸頭裝置通過轉(zhuǎn)動副與虎克鉸連接，鋸頭裝置通過第二球副機構(gòu)與液壓缸連接。

所述刀鋸機構(gòu)在鋸頭裝置的最下方，往上依次是下夾抱機構(gòu)、滾輪、上夾抱機構(gòu)和打枝刀。

所述后搖桿、中搖桿、前搖桿、曲柄和絲桿分別由第一液壓馬達、第二液壓馬達、第三液壓馬達、第四液壓馬達和第五液壓馬達驅(qū)動，且第一液壓馬達、第二液壓馬達和第三液壓馬達均安裝在機架上。

所述驅(qū)動連桿全部運動時，三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二銷軸與中連桿連接，實現(xiàn)十連桿兩自由度運動；驅(qū)動連桿全部運動時，三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端第二銷軸與第三銷軸處于重疊位置時，實現(xiàn)十一連桿兩自由度運動；驅(qū)動連桿為前搖桿時，第三銷軸與第五銷軸處于重疊位置時，實現(xiàn)十連桿單自由度運動。

本發(fā)明的突出優(yōu)點在于：

1.全部采用可控液壓馬達驅(qū)動，且安裝在機架上，運動平穩(wěn)，質(zhì)量輕、承載能力大且噪音小。

2.在工作過程中，能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，靈活實現(xiàn)三種不同構(gòu)態(tài)，樹木整枝伐樹機在兩種兩自由度構(gòu)型時，機構(gòu)均具有柔性化的特點，更有效地進一步增大了工作空間，并均可實現(xiàn)工作端高精確定位，機構(gòu)單自由度時，機構(gòu)穩(wěn)定性較高。高柔性化程度，使整枝伐樹機器人林場作業(yè)時，能夠適應(yīng)樹木生長形態(tài)復(fù)雜多變的任意狀況，柔性靈活作業(yè)。

3.驅(qū)動控制電機均可安裝在機架上，減少了因電機裝在桿件上而造成的構(gòu)件負載，動態(tài)穩(wěn)定性高，并且機構(gòu)由全桿件組成，制造成本低，工作壽命長，機構(gòu)維護保養(yǎng)簡單。

4.能實現(xiàn)復(fù)雜動作，可在環(huán)境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪，伐樹和分段截木作業(yè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的第一結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的第二結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十連桿單自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖4為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十連桿單自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖5為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖6為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖7為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖8為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖9為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時高處樹木整枝結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖10為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時高處樹木整枝結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖11為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的鋸頭裝置的第一結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的鋸頭裝置的第二結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的下夾抱機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人的刀鋸機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記為：1、第一銷軸；2、中連桿；3、第二銷軸；4、第三銷軸；5、長桿；6、后連桿；7、三角架；8、第四銷軸；9、第五銷軸；10、后搖桿；11、中搖桿；12、第六銷軸；13、第七銷軸；14、機架；15、行走裝置；16、支架桿；17、第八銷軸；18、第九銷軸；19、輸出連桿；20、第十銷軸；21第十一銷軸；22、第十二銷軸；23、第一球副機構(gòu)；24、液壓桿；25、鋸頭裝置；26、虎克鉸；27、第十三銷軸；28、前連桿；29、前搖桿；30、第二球副機構(gòu)；31、第十四銷軸；32、刀鋸機構(gòu)；321、滑塊；322、導(dǎo)桿；323、第三連桿；324、第四連桿；325、曲柄；326、第四液壓馬達；327、電機支座；328、絲桿；329、第五液壓馬達；3210、刀鋸；33、下夾抱機構(gòu)；331、螺桿；332、固定支座；333、第一連桿；334、活動支座；335、螺母；336、第二連桿；34、滾輪；35、上夾抱機構(gòu)；36打枝刀；37、第一液壓馬達；38、第二液壓馬達；39、第三液壓馬達。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖6、圖11、圖12、圖13和圖14所示，本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換液壓驅(qū)動變胞式整枝伐樹機器人，包括液壓馬達、鋸頭裝置25、行走裝置15、機架14、連桿機構(gòu)、銷軸、液壓缸24和虎克鉸26，具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述液壓馬達，包括第一液壓馬達37、第二液壓馬達38、第三液壓馬達39、第四液壓馬達326和第五液壓馬達329，第一液壓馬達37和機架14固定連接，第二液壓馬達38和機架14固定連接，第三液壓馬達39和機架14固定連接，第四液壓馬達326與電機支座327固定連接，第五液壓馬達329通過轉(zhuǎn)動副和絲桿328連接；

所述鋸頭裝置25包括刀鋸機構(gòu)32、下夾抱機構(gòu)33、滾輪34、上夾抱機構(gòu)35和打枝刀36，所述刀鋸機構(gòu)32包括刀鋸3210、滑塊321、導(dǎo)桿322、第三連桿323、第四連桿324、曲柄325、第四液壓馬達326、電機支座327、絲桿328和第五液壓馬達329，所述刀鋸3210和滑塊321固定連接，滑塊321和導(dǎo)桿322通過圓柱副連接，所述第三連桿323一端通過轉(zhuǎn)動副和滑塊321連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿324連接，所述曲柄325一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿324連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第四液壓馬達326連接，所述電機支座327和第四液壓馬達326固定連接，電機支座327通過螺旋副和絲桿328連接，所述第五液壓馬達329通過轉(zhuǎn)動副和絲桿328連接；所述下夾抱機構(gòu)33包括螺桿331、固定支座332、第一連桿333、活動支座335、螺母335和第二連桿336，所述固定支座332固定于鋸頭裝置25上，固定支座332和活動支座334通過螺桿331連接，螺桿331的一端連接螺母335，所述第一連桿333一端通過轉(zhuǎn)動副和固定支座332連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第二連桿336連接，所述第二連桿336一端通過轉(zhuǎn)動副和第一連桿333連接，中部通過轉(zhuǎn)動副和活動支座334連接；所述滾輪34末端與原動機輸出軸連接，原動機與鋸頭裝置25固定連接，原動機設(shè)置于鋸頭裝置25內(nèi)部，鋸頭裝置25有兩個滾輪34，沿豎直中心線對稱分布與鋸頭裝置25兩側(cè)；所述上夾抱機構(gòu)35和下夾抱機構(gòu)33結(jié)構(gòu)相同，其零部件和零部件之間的連接關(guān)系均相同；所述打枝刀36設(shè)置于鋸頭裝置25上部，與鋸頭裝置25固定連接；

所述行走裝置通過轉(zhuǎn)動副與機架連接；

所述連桿機構(gòu)包括驅(qū)動連桿、傳動連桿、三角架4和輸出連桿19；所述驅(qū)動連桿包括前搖桿29、中搖桿11和后搖桿10，所述前搖桿29一端通過第九銷軸18與機架14連接，另一端通過第十三銷軸27與前連桿28連接，所述中搖桿11一端通過第七銷軸13與機架14連接，另一端通過第五銷軸9與中連桿2、三角架7連接，所述后搖桿10一端通過第六銷軸12與機架14連接，另一端通過第四銷軸8與后連桿6連接；所述傳動連桿包括前連桿28、支架桿16、中連桿2、后連桿6和長桿5，所述前連桿28一端通過第十三銷軸27與前搖桿29連接，另一端通過第十一銷軸21與支架桿16連接，所述支架桿16一端通過第八銷軸17與機架14連接，中部通過第十一銷軸21與前連桿28連接，另一端通過第十銷軸20與長桿5連接，所述中連桿2一端通過第五銷軸9與中搖桿11、三角架7連接，中部通過第二銷軸3與三角架7連接，另一端通過第一銷軸1與輸出連桿19連接，所述后連桿6一端通過第四銷軸8與后搖桿10連接，另一端通過第三銷軸4與長桿5連接，所述長桿5一端通過第三銷軸4與后連桿6連接，中部通過第十銷軸20與支架桿16連接，另一端通過第十二銷軸22與輸出連桿19連接；所述三角架4一端通過第五銷軸9與中搖桿11、中連桿2連接，另一端通過第二銷軸3與中連桿2連接；所述輸出連桿19一端通過第一銷軸1與中連桿2連接，中部通過第十二銷軸22與長桿5連接，另一端通過第十四銷軸31與虎克鉸26連接，輸出連桿19通過第一球副機構(gòu)23與液壓缸24連接；

所述銷軸包括第一銷軸1、第二銷軸3、第三銷軸4、第四銷軸8、第五銷軸9、第六銷軸12、第七銷軸13、第八銷軸17、第九銷軸18、第十銷軸20、第十一銷軸21、第十二銷軸22、第十三銷軸27和第十四銷軸31。

所述鋸頭裝置25通過轉(zhuǎn)動副與虎克鉸26連接，鋸頭裝置25通過第二球副機構(gòu)30與液壓缸24連接。

所述刀鋸機構(gòu)32在鋸頭裝置25的最下方，往上依次是下夾抱機構(gòu)33、滾輪34、上夾抱機構(gòu)35和打枝刀36。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構(gòu)為十連桿單自由度時，第三銷軸4和第五銷軸9處于重疊位置，后搖桿10、后連桿6和中搖桿11可看成平面四連桿機構(gòu)，長桿5和中連桿2通過第五銷軸9連接，中連桿2和輸出連桿19通過第一銷軸1連接，輸出連桿19和長桿5通過第十二銷軸22連接，因此長桿5、中連桿2和輸出連桿19可看成一根桿，前搖桿29繞著第九銷軸18轉(zhuǎn)動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉(zhuǎn)動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉(zhuǎn)動，長桿5和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使輸出連桿19作單自由度運動。

如圖5和圖6所示，機構(gòu)為十連桿兩自由度運動時，前搖桿29繞著第九銷軸18轉(zhuǎn)動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉(zhuǎn)動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉(zhuǎn)動，中搖桿11繞著第七銷軸13轉(zhuǎn)動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五銷軸9連接，三角架7兩端均與中連桿2連接，此時可將三角架7和中連桿2看成一根桿，進而帶動中連桿2轉(zhuǎn)動，后搖桿10繞著第六銷軸12轉(zhuǎn)動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四銷軸8連接，進而帶動后連桿6轉(zhuǎn)動，長桿5和后連桿6通過第三銷軸4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使長桿5實現(xiàn)平面運動，輸出連桿19和中連桿2通過第一銷軸1連接，輸出連桿19中部和長桿5通過第十二銷軸22連接，進而使輸出連桿19作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構(gòu)為十一連桿兩自由度運動時，前搖桿29繞著第九銷軸18轉(zhuǎn)動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉(zhuǎn)動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉(zhuǎn)動，中搖桿11繞著第七銷軸13轉(zhuǎn)動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五銷軸9連接，進而帶動中連桿2轉(zhuǎn)動，由于三角架7和中搖桿11通過第五銷軸9連接，進而帶動三角架7轉(zhuǎn)動，后搖桿10繞著第六銷軸12轉(zhuǎn)動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四銷軸8連接，進而帶動后連桿6轉(zhuǎn)動，第二銷軸3和第三銷軸4處于重疊位置，此時后搖桿10、后連桿6、三角架7和中搖桿11構(gòu)成平面五連桿機構(gòu)，長桿5和后連桿6通過第三銷軸4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使長桿5實現(xiàn)平面運動，輸出連桿19和中連桿2通過第一銷軸1連接，輸出連桿19中部和長桿5通過第十二銷軸22連接，進而使輸出連桿19作兩自由度運動。

如圖3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅(qū)動液壓缸24，使液壓缸24伸長，進而帶動虎克鉸26和鋸頭裝置25之間的轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鋸頭裝置25的整體轉(zhuǎn)動。

如圖2、圖4、圖6和圖8所示，鋸頭裝置25處于豎直狀態(tài)時，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業(yè)，可實現(xiàn)整棵樹木伐鋸功能。

如圖1、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，鋸頭裝置25處于水平狀態(tài)，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業(yè)，可實現(xiàn)木材分段截取功能；在較高位置工作時，可實現(xiàn)樹木的整枝修整功能。