本發明涉及機器人領域，特別是一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人。

背景技術：

中國專利201610396453.x公布了一種伐木機器人，如文獻(cn106003071a)所述，該專利是通過四個驅動輪的移動，實現切割的定位，工作精度和柔性低，運動空間小，只能實現伐木任務；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，此伐木裝置由全液壓元件組成，其液壓元件精度要求高，液壓系統制造成本高，工作壽命不長，易漏油，也只能實現伐木任務；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?，F有有關伐樹機器人的設計，均功能單一，能夠控性能不高，工作空間小，穩定性不足，精度低，不能根據功能需求或者環境的變化，靈活改變構型以適應不同任務和場合，柔性低。

目前，尚未見到一種能夠能夠編程伺服控制并且能夠實現兩構態變換，兼具穩定輸出，柔性化，運動空間大，制造成本低，工作壽命長，維護保養簡單，臂重較輕，工作效率高特點，且能夠實現樹木整枝修整、整棵樹木伐鋸和木材分段截取功能的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的創新發明設計。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，它能夠可編程伺服控制并且能夠實現兩構態變換，兼具穩定輸出，柔性化，運動空間大，制造成本低，工作壽命長，維護保養簡單，臂重較輕，工作效率高特點，且能夠實現樹木整枝修整、整棵樹木伐鋸和木材分段截取功能。

本發明的技術方案是：一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，包括伺服電機、整枝伐樹鋸組件、履帶式行走裝置、機架、驅動臂、傳動臂、工作臂、鉸鏈、液壓缸和虎克鉸，其特征在于，具體結構和連接關系為：

所述伺服電機，包括第一伺服電機、第二伺服電機和第三伺服電機，第一伺服電機和機架固定連接，第二伺服電機和機架固定連接，第三伺服電機和機架固定連接；

所述整枝伐樹鋸組件包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀；所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導桿、第十一連桿、第十二連桿、曲柄、第一小型電機、電機支座、絲桿和第二小型電機，所述刀鋸和滑塊固定連接，滑塊和導桿通過圓柱副連接，所述第十一連桿一端通過轉動副和滑塊連接，另一端通過轉動副和第十二連桿連接，所述曲柄一端通過轉動副和第十二連桿連接，另一端通過轉動副和第一小型電機連接，所述電機支座和第一小型電機固定連接，電機支座通過螺旋副和絲桿連接，所述第二小型電機通過轉動副和絲桿連接；所述下夾抱機構包括螺桿、固定支座、第九連桿、活動支座、螺母和第十連桿，所述固定支座固定于整枝伐樹鋸組件上，固定支座和活動支座通過螺桿連接，螺桿的一端連接螺母，所述第九連桿一端通過轉動副和固定支座連接，另一端通過轉動副和第十連桿連接，所述第十連桿一端通過轉動副和第九連桿連接，中部通過轉動副和活動支座連接；所述滾輪末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐樹鋸組件固定連接，原動機設置于整枝伐樹鋸組件內部，整枝伐樹鋸組件有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹鋸組件兩側；所述上夾抱機構和下夾抱機構結構相同，其零部件和零部件之間的連接關系均相同；所述打枝刀設置于整枝伐樹鋸組件上部，與整枝伐樹鋸組件固定連接；

所述履帶式行走裝置通過轉動副與機架連接；

所述驅動臂包括第五連桿、第三連桿和第一連桿，所述第五連桿一端通過第十二鉸鏈與機架連接，另一端通過第十一鉸鏈與第六連桿連接，所述第三連桿一端通過第六鉸鏈與機架連接，另一端通過第四鉸鏈與第四連桿連接，所述第一連桿一端通過第五鉸鏈與機架連接，另一端通過第三鉸鏈與第七連桿連接；

所述傳動臂包括第六連桿、第四連桿、第二連桿、第八連桿和第七連桿，所述第六連桿一端通過第十一鉸鏈與第五連桿連接，另一端通過第九鉸鏈與第八連桿連接，所述第四連桿一端通過第四鉸鏈與第三連桿連接，另一端通過第一鉸鏈與工作臂連接，所述第二連桿一端通過第三鉸鏈與第一連桿連接，另一端通過第二鉸鏈與第七連桿連接，所述第八連桿一端通過第七鉸鏈與機架連接，中部通過第九鉸鏈與第六連桿連接，另一端通過第八鉸鏈與第七連桿連接，所述第七連桿一端通過第二鉸鏈與第二連桿連接，中部通過第八鉸鏈與第八連桿連接，另一端通過第十鉸鏈與工作臂連接；

所述工作臂一端通過第一鉸鏈與第四連桿連接，中部通過第十鉸鏈與第七連桿連接，另一端通過第十三鉸鏈與虎克鉸連接，工作臂通過第一球副機構與液壓缸連接；

所述鉸鏈包括第一鉸鏈、第二鉸鏈、第三鉸鏈、第四鉸鏈、第五鉸鏈、第六鉸鏈、第七鉸鏈、第八鉸鏈、第九鉸鏈、第十鉸鏈、第十一鉸鏈、第十二鉸鏈和第十三鉸鏈。

所述整枝伐樹鋸組件通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐樹鋸組件通過第二球副機構與液壓缸連接。

所述刀鋸機構在整枝伐樹鋸組件的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀。

所述第一伺服電機、第二伺服電機和第三伺服電機輸出軸分別與所述第一連桿、第三連桿和第五連桿一端連接。

所述第一連桿、第三連桿和第五連桿分別由第一伺服電機、第二伺服電機和第三伺服電機驅動，且第一伺服電機、第二伺服電機和第三伺服電機驅動均安裝在所述的機架上。

所述驅動臂為第五連桿時，第二鉸鏈和第四鉸鏈處于重疊位置，實現八連桿單自由度運動；驅動臂全部運動時，實現十連桿兩自由度運動；驅動臂為第三連桿和第一連桿時，第五連桿兩端均與機架連接，實現七連桿兩自由度運動，此狀態為機構兩自由度構態時的特殊狀態。

本發明的優點在于：

1.在工作過程中，能夠實現兩種構態變換，驅動臂全部通過伺服電機驅動，能夠實現可編程伺服驅動控制，便于程序化控制以獲得不同柔性輸出，柔性化程度高，林場作業時，因樹木生長形態復雜多變，該樹木整枝伐樹機器人能夠在其復雜狀況下柔性靈活作業。

2.該機器人共由十個連桿構成，能夠靈活變胞，靈活改變工作空間，在兩自由度構態工作時，能夠實現七連桿兩自由度和十連桿兩自由度工作，有效地增大了其工作空間。

3.采用閉鏈可控連桿機構，所有電機安裝在機架上，動態穩定性好，有效降低了桿臂的重量，提高樹木整枝伐樹機器人的效率，且機構由全桿件組成，制造成本低，工作壽命長，機構維護保養簡單。

4.能實現復雜動作，能夠在環境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪，伐樹和截木一體化作業。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的第一結構示意圖。

圖2為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的第二結構示意圖。

圖3為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的八連桿單自由度時的第一結構狀態圖。

圖4為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的八連桿單自由度時的第二結構狀態圖。

圖5為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時的第一結構狀態圖。

圖6為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時的第二結構狀態圖。

圖7為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的七連桿兩自由度時的第一結構狀態圖。

圖8為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的七連桿兩自由度時的第二結構狀態圖。

圖9為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時高處樹木整枝結構狀態圖。

圖10為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的七連桿兩自由度時高處樹木整枝結構狀態圖。

圖11為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的整枝伐樹鋸組件的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的整枝伐樹鋸組件的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的下夾抱機構的結構示意圖。

圖14為本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的刀鋸機構的結構示意圖。

圖中標記為：1、第一鉸鏈；2、第四連桿；3、第二鉸鏈；4、第七連桿；5、第二連桿；6、第三鉸鏈；7、第一連桿；8、第四鉸鏈；9、第三連桿；10、第五鉸鏈；11、第六鉸鏈；12、第八連桿；13、第七鉸鏈；14、第八鉸鏈；15、工作臂；16、第九鉸鏈；17、第六連桿；18、第十鉸鏈；19、第十一鉸鏈；20、第五連桿；21、第十二鉸鏈；22、機架；23、履帶式行走裝置；24、第一球副機構；25、液壓缸；26、第二球副機構；27、整枝伐樹鋸組件；28、虎克鉸；29、第十三鉸鏈；30、刀鋸機構；301、滑塊；302、導桿；303、第十一連桿；304、第十二連桿；305、曲柄；306、第一小型電機；307、電機支座；308、絲桿；309、第二小型電機；3010、刀鋸；31、下夾抱機構；311、螺桿；312、固定支座；313、第九連桿；314、活動支座；315、螺母；316、第十連桿；32、滾輪；33、上夾抱機構；34、打枝刀；35、第一伺服電機；36、第二伺服電機；37、第三伺服電機。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施方式對本發明的技術方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖6、圖11、圖12、圖13和圖14所示，本發明所述的一種伺服驅動大空間兩構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，包括伺服電機、整枝伐樹鋸組件27、履帶式行走裝置23、機架22、驅動臂、傳動臂、工作臂15、鉸鏈、液壓缸25和虎克鉸28，具體結構和連接關系為：

所述伺服電機包括第一伺服電機35、第二伺服電機36和第三伺服電機37，第一伺服電機35和機架22固定連接，第二伺服電機36和機架22固定連接，第三伺服電機37和機架22固定連接；

所述整枝伐樹鋸組件27包括刀鋸機構30、下夾抱機構31、滾輪32、上夾抱機構33和打枝刀34；所述刀鋸機構30包括刀鋸3010、滑塊301、導桿302、第十一連桿303、第十二連桿304、曲柄305、第一小型電機306、電機支座307、絲桿308和第二小型電機309，所述刀鋸3010和滑塊301固定連接，滑塊301和導桿302通過圓柱副連接，所述第十一連桿303一端通過轉動副和滑塊301連接，另一端通過轉動副和第十二連桿304連接，所述曲柄305一端通過轉動副和第十二連桿304連接，另一端通過轉動副和第一小型電機306連接，所述電機支座307和第一小型電機306固定連接，電機支座307通過螺旋副和絲桿308連接，所述第二小型電機309通過轉動副和絲桿308連接；所述下夾抱機構31包括螺桿311、固定支座312、第九連桿313、活動支座315、螺母315和第十連桿316，所述固定支座312固定于整枝伐樹鋸組件27上，固定支座312和活動支座314通過螺桿311連接，螺桿311的一端連接螺母315，所述第九連桿313一端通過轉動副和固定支座312連接，另一端通過轉動副和第十連桿316連接，所述第十連桿316一端通過轉動副和第九連桿313連接，中部通過轉動副和活動支座314連接；所述滾輪32末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐樹鋸組件27固定連接，原動機設置于整枝伐樹鋸組件27內部，整枝伐樹鋸組件27有兩個滾輪32，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹鋸組件27兩側；所述上夾抱機構33和下夾抱機構31結構相同，其零部件和零部件之間的連接關系均相同；所述打枝刀34設置于整枝伐樹鋸組件27上部，與整枝伐樹鋸組件27固定連接；

所述履帶式行走裝置23通過轉動副與機架22連接；

所述驅動臂包括第五連桿20、第三連桿9和第一連桿7，所述第五連桿20一端通過第十二鉸鏈21與機架22連接，另一端通過第十一鉸鏈19與第六連桿17連接，所述第三連桿9一端通過第六鉸鏈11與機架22連接，另一端通過第四鉸鏈8與第四連桿2連接，所述第一連桿7一端通過第五鉸鏈10與機架22連接，另一端通過第三鉸鏈6與第七連桿4連接；

所述傳動臂包括第六連桿17、第四連桿2、第二連桿5、第八連桿12和第七連桿4，所述第六連桿17一端通過第十一鉸鏈19與第五連桿20連接，另一端通過第九鉸鏈16與第八連桿12連接，所述第四連桿2一端通過第四鉸鏈8與第三連桿9連接，另一端通過第一鉸鏈1與工作臂15連接，所述第二連桿5一端通過第三鉸鏈6與第一連桿7連接，另一端通過第二鉸鏈3與第七連桿4連接，所述第八連桿12一端通過第七鉸鏈13與機架22連接，中部通過第九鉸鏈16與第六連桿17連接，另一端通過第八鉸鏈14與第七連桿4連接，所述第七連桿4一端通過第二鉸鏈3與第二連桿5連接，中部通過第八鉸鏈14與第八連桿12連接，另一端通過第十鉸鏈18與工作臂15連接；

所述工作臂15一端通過第一鉸鏈1與第四連桿2連接，中部通過第十鉸鏈18與第七連桿4連接，另一端通過第十三鉸鏈29與虎克鉸28連接，工作臂15通過第一球副機構24與液壓缸25連接；

所述鉸鏈包括第一鉸鏈1、第二鉸鏈3、第三鉸鏈6、第四鉸鏈8、第五鉸鏈10、第六鉸鏈11、第七鉸鏈13、第八鉸鏈14、第九鉸鏈16、第十鉸鏈18、第十一鉸鏈19、第十二鉸鏈21和第十三鉸鏈29。

所述刀鋸機構30在整枝伐樹鋸組件27的最下方，往上依次是下夾抱機構31、滾輪32、上夾抱機構33和打枝刀34。

所述整枝伐樹鋸組件27通過轉動副與虎克鉸28連接，整枝伐樹鋸組件27通過第二球副機構26與液壓缸25連接。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構為八連桿單自由度時，第二鉸鏈3和第四鉸鏈8處于重疊位置時，第一連桿7、第二連桿5、第三連桿9和機架22能夠看成平面四連桿機構，第三連桿9、第七連桿4、第八連桿12和機架22能夠看成開鏈式四連桿機構，由于第七連桿4和第四連桿2通過第二鉸鏈3連接，第四連桿2和工作臂15通過第一鉸鏈1連接，工作臂15和第七連桿4通過第十鉸鏈18連接，因此第七連桿4、第四連桿2和工作臂15能夠看成一根桿，第五連桿20繞著第十二鉸鏈21轉動，由于第五連桿20和第六連桿17通過第十一鉸鏈19連接，進而帶動第六連桿17轉動，第八連桿12和第六連桿17通過第九鉸鏈16連接，進而帶動第八連桿12繞著第七鉸鏈13轉動，第八連桿12和第七連桿4通過第八鉸鏈14連接，進而使工作臂15作單自由度運動。

如圖5和圖6所示，機構為十連桿兩自由度時，第五連桿20繞著第十二鉸鏈21轉動，由于第五連桿20和第六連桿17通過第十一鉸鏈19連接，進而帶動第六連桿17轉動，第八連桿12和第六連桿17通過第九鉸鏈16連接，進而帶動第八連桿12繞著第七鉸鏈13轉動，第三連桿9繞著第六鉸鏈11轉動，由于第三連桿9和第四連桿2通過第四鉸鏈8連接，進而帶動第四連桿2轉動，第一連桿7繞著第五鉸鏈10轉動，由于第一連桿7和第二連桿5通過第三鉸鏈6連接，進而帶動第二連桿5轉動，由于第二連桿5和第七連桿4通過第二鉸鏈3連接，第八連桿12和第七連桿4通過第八鉸鏈14連接，進而帶動第七連桿4作兩自由度運動，由于第四連桿2和工作臂15通過第一鉸鏈1連接，第七連桿4和工作臂15通過第十鉸鏈18連接，進而使工作臂15作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構為七連桿兩自由度時，此狀態為機構兩自由度構態時的特殊狀態，即遠距離作業時狀態。第五連桿20兩端均與機架22連接，此時第五連桿20、第六連桿17和第八連桿12處于固定狀態，第三連桿9繞著第六鉸鏈11轉動，由于第三連桿9和第四連桿2通過第四鉸鏈8連接，進而帶動第四連桿2轉動，第一連桿7繞著第五鉸鏈10轉動，由于第一連桿7和第二連桿5通過第三鉸鏈6連接，進而帶動第二連桿5轉動，由于第二連桿5和第七連桿4通過第二鉸鏈3連接，第八連桿12和第七連桿4通過第八鉸鏈14連接，進而帶動第七連桿4作單自由度運動，由于第四連桿2和工作臂15通過第一鉸鏈1連接，第七連桿4和工作臂15通過第十鉸鏈18連接，進而使工作臂15作兩自由度運動。

如圖3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅動液壓缸25，使液壓缸25伸長，進而帶動虎克鉸28和整枝伐樹鋸組件27之間的轉動副轉動，實現整枝伐樹鋸組件27的整體轉動。

如圖2、圖4、圖6和圖8所示，整枝伐樹鋸組件27處于豎直狀態時，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業，能夠實現整棵樹木伐鋸功能。

如圖1、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，整枝伐樹鋸組件27處于水平狀態，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業，能夠實現木材分段截取功能；在較高位置工作時，能夠實現樹木的整枝修整功能。