本發明涉及樹木整枝伐樹機領域，特別是一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機。

背景技術：

中國專利201610396453.x公布了一種伐木機器人，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。現有有關伐樹機的設計，均功能單一，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，尚未見有一種能夠全方位調節，并能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換變胞，其兼具大工作空間、高精度、低成本和養護簡單特征，并且其驅動控制電機均安裝在機架上，減少各構件負載，使其運動高動態穩定性，又能具有樹木整枝、伐樹和分段截取功能的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的創新發明設計。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機，它能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換變胞，具有工作空間、高精度和養護簡單特征，驅動控制電機均安裝在機架上，減少各構件負載，具有運動高動態穩定性，又具有樹木整枝、伐樹和分段截取功能。

本發明的技術方案是：一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機，包括舉升液壓缸、整枝伐樹鋸部件、履帶式行走系統、底盤、機架、驅動臂、傳動臂、三角架、工作臂、鉸鏈、液壓缸和虎克鉸，具體結構和連接關系為：

所述舉升液壓缸包括第一舉升液壓缸和第二舉升液壓缸，所述第一舉升液壓缸一端通過第十七鉸鏈與底盤連接，另一端通過第十八鉸鏈與機架連接，所述第二舉升液壓缸一端通過第十九鉸鏈與底盤連接，另一端通過第二十鉸鏈與機架連接；

所述整枝伐樹鋸部件包括刀鋸機構、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、第三連桿、第四連桿、曲柄、第一小型電機、電機支座、絲桿和第二小型電機，所述刀鋸和滑塊固性連接，滑塊和導桿通過圓柱副連接，所述第三連桿一端通過轉動副和滑塊連接，另一端通過轉動副和第四連桿連接，所述曲柄一端通過轉動副和第四連桿連接，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性連接，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、第一連桿、活動支座、螺母和第二連桿，所述固定支座固定于整枝伐樹鋸部件上，固定支座和活動支座通過螺桿連接，螺桿的一端連接螺母，所述第一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二連桿連接，所述第二連桿一端通過轉動副和第一連桿連接，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部件固定連接，原動機設置于整枝伐樹鋸部件內部，整枝伐樹鋸部件有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹鋸部件兩側；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部件上部，與整枝伐樹鋸部件固定連接；

所述履帶式行走系統通過轉動副與底盤連接，所述底盤一端通過第十五鉸鏈與機架連接，另一端通過第十六鉸鏈與機架連接；

所述驅動臂包括前搖桿、中搖桿和后搖桿，所述前搖桿一端通過第九鉸鏈與機架連接，另一端通過第十三鉸鏈與前連桿連接，所述中搖桿一端通過第七鉸鏈與機架連接，另一端通過第五鉸鏈與中連桿、三角架連接，所述后搖桿一端通過第六鉸鏈與機架連接，另一端通過第四鉸鏈與后連桿連接；

所述傳動臂包括前連桿、支架桿、中連桿、后連桿和長桿，所述前連桿一端通過第十三鉸鏈與前搖桿連接，另一端通過第十一鉸鏈與支架桿連接，所述支架桿一端通過第八鉸鏈與機架連接，中部通過第十一鉸鏈與前連桿連接，另一端通過第十鉸鏈與長桿連接，所述中連桿一端通過第五鉸鏈與中搖桿、三角架連接，中部通過第二鉸鏈與三角架連接，另一端通過第一鉸鏈與工作臂連接，所述后連桿一端通過第四鉸鏈與后搖桿連接，另一端通過第三鉸鏈與長桿連接，所述長桿一端通過第三鉸鏈與后連桿連接，中部通過第十鉸鏈與支架桿連接，另一端通過第十二鉸鏈與工作臂連接；

所述三角架一端通過第五鉸鏈與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二鉸鏈與中連桿連接；

所述工作臂一端通過第一鉸鏈與中連桿連接，中部通過第十二鉸鏈與長桿連接，另一端通過第十四鉸鏈與虎克鉸連接，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、第十三鉸鏈、第十四鉸鏈、第十五鉸鏈、第十六鉸鏈、第十七鉸鏈、第十八鉸鏈、第十九鉸鏈和第二十鉸鏈。

所述整枝伐樹鋸部件通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐樹鋸部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部件的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀。

所述驅動臂全部運動時，三角架一端通過第五鉸鏈與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二鉸鏈與中連桿連接，實現十連桿兩自由度運動；驅動臂全部運動時，三角架一端通過第五鉸鏈與中搖桿、中連桿連接，另一端第二鉸鏈與第三鉸鏈處于重疊位置時，實現十一連桿兩自由度運動；驅動臂為前搖桿時，第三鉸鏈與第五鉸鏈處于重疊位置時，實現十連桿單自由度運動。

本發明的突出優點在于：

1.在工作過程中，整枝伐樹機機身可整體前后或左右傾斜，實現全方位傾斜作業，有利于適應不同作業環境；并且能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，靈活實現三種不同構態，機構在兩種兩自由度構態時，機構均具有柔性化的特點，更有效地增大了工作空間，并均可實現工作端高精確定位，機構單自由度時，機構穩定性較高，便于控制。

2.驅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件負載，動態穩定性高，并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。

3.能實現復雜動作，可在環境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪，伐樹和木材分段截取作業。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的第一結構示意圖。

圖2為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的第二結構示意圖。

圖3為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十連桿單自由度時第一結構狀態圖。

圖4為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十連桿單自由度時第二結構狀態圖。

圖5為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十連桿兩自由度時第一結構狀態圖。

圖6為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十連桿兩自由度時第二結構狀態圖。

圖7為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十一連桿兩自由度時第一結構狀態圖。

圖8為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的十一連桿兩自由度時第二結構狀態圖。

圖9為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的整機傾斜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可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的整機傾斜十一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可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的整枝伐樹鋸部件的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的整枝伐樹鋸部件的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的下夾抱機構的結構示意圖。

圖14為本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機的刀鋸機構的結構示意圖。

圖中標記為：1、第一鉸鏈；2、中連桿；3、第二鉸鏈；4、第三鉸鏈；5、長桿；6、后連桿；7、三角架；8、第四鉸鏈；9、第五鉸鏈；10、后搖桿；11、中搖桿；12、第六鉸鏈；13、第七鉸鏈；14、機架；15、履帶式行走系統；16、支架桿；17、第八鉸鏈；18、第九鉸鏈；19、工作臂；20、第十鉸鏈；21第十一鉸鏈；22、第十二鉸鏈；23、第一球副機構；24、液壓桿；25、整枝伐樹鋸部件；26、虎克鉸；27、第十三鉸鏈；28、前連桿；29、前搖桿；30、第二球副機構；31、第十四鉸鏈；32、刀鋸機構；321、滑塊；322、導桿；323、第三連桿；324、第四連桿；325、曲柄；326、第一小型電機；327、電機支座；328、絲桿；329、第二小型電機；3210、刀鋸；33、下夾抱機構；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；36打枝刀；37、第十五鉸鏈；38、第十六鉸鏈；39、第十七鉸鏈；40、第一舉升液壓缸；41、第十八鉸鏈；42、第十九鉸鏈；43、第二舉升液壓缸；44、第二十鉸鏈；45、底盤。

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，本發明所述的一種可傾式雙兩和單自由度變換變胞式樹木整枝伐樹機器人機構，包括舉升液壓缸、整枝伐樹鋸部件25、履帶式行走系統15、底盤45、機架14、驅動臂、傳動臂、三角架7、工作臂19、鉸鏈、液壓缸24和虎克鉸26，具體結構和連接關系為：

所述舉升液壓缸包括第一舉升液壓缸40和第二舉升液壓缸43，所述第一舉升液壓缸40一端通過第十七鉸鏈39與底盤45連接，另一端通過第十八鉸鏈41與機架14連接，所述第二舉升液壓缸43一端通過第十九鉸鏈42與底盤45連接，另一端通過第二十鉸鏈44與機架14連接；

所述整枝伐樹鋸部件25包括刀鋸機構32、下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36，所述刀鋸機構32包括刀鋸3210、滑塊321、導桿322、第三連桿323、第四連桿324、曲柄325、第一小型電機326、電機支座327、絲桿328和第二小型電機329，所述刀鋸3210和滑塊321固性連接，滑塊321和導桿322通過圓柱副連接，所述第三連桿323一端通過轉動副和滑塊321連接，另一端通過轉動副和第四連桿324連接，所述曲柄325一端通過轉動副和第四連桿324連接，另一端通過轉動副和第一小型電機326連接，所述電機支座327和第一小型電機326固性連接，電機支座327通過螺旋副和絲桿328連接，所述第二小型電機329通過轉動副和絲桿328連接；所述下夾抱機構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固定于整枝伐樹鋸部件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333一端通過轉動副和固定支座332連接，另一端通過轉動副和第二連桿336連接，所述第二連桿336一端通過轉動副和第一連桿333連接，中部通過轉動副和活動支座334連接；所述滾輪34末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐樹鋸部件25固定連接，原動機設置于整枝伐樹鋸部件25內部，整枝伐樹鋸部件25有兩個滾輪34，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐樹鋸部件25兩側；所述上夾抱機構35和下夾抱機構33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36設置于整枝伐樹鋸部件25上部，與整枝伐樹鋸部件25固定連接；

所述履帶式行走系統15通過轉動副與底盤45連接，所述底盤45一端通過第十五鉸鏈37與機架14連接，另一端通過第十六鉸鏈38與機架14連接；

所述驅動臂包括前搖桿29、中搖桿11和后搖桿10，所述前搖桿29一端通過第九鉸鏈18與機架14連接，另一端通過第十三鉸鏈27與前連桿28連接，所述中搖桿11一端通過第七鉸鏈13與機架14連接，另一端通過第五鉸鏈9與中連桿2、三角架7連接，所述后搖桿10一端通過第六鉸鏈12與機架14連接，另一端通過第四鉸鏈8與后連桿6連接；

所述傳動臂包括前連桿28、支架桿16、中連桿2、后連桿6和長桿5，所述前連桿28一端通過第十三鉸鏈27與前搖桿29連接，另一端通過第十一鉸鏈21與支架桿16連接，所述支架桿16一端通過第八鉸鏈17與機架14連接，中部通過第十一鉸鏈21與前連桿28連接，另一端通過第十鉸鏈20與長桿5連接，所述中連桿2一端通過第五鉸鏈9與中搖桿11、三角架7連接，中部通過第二鉸鏈3與三角架7連接，另一端通過第一鉸鏈1與工作臂19連接，所述后連桿6一端通過第四鉸鏈8與后搖桿10連接，另一端通過第三鉸鏈4與長桿5連接，所述長桿5一端通過第三鉸鏈4與后連桿6連接，中部通過第十鉸鏈20與支架桿16連接，另一端通過第十二鉸鏈22與工作臂19連接；

所述三角架4一端通過第五鉸鏈9與中搖桿11、中連桿2連接，另一端通過第二鉸鏈3與中連桿2連接；

所述工作臂19一端通過第一鉸鏈1與中連桿2連接，中部通過第十二鉸鏈22與長桿5連接，另一端通過第十四鉸鏈31與虎克鉸26連接，工作臂19通過第一球副機構23與液壓缸24連接；

所述鉸鏈包括第一鉸鏈1、第二鉸鏈3、第三鉸鏈4、第四鉸鏈8、第五鉸鏈9、第六鉸鏈12、第七鉸鏈13、第八鉸鏈17、第九鉸鏈18、第十鉸鏈20、第十一鉸鏈21、第十二鉸鏈22、第十三鉸鏈27、第十四鉸鏈31、第十五鉸鏈37、第十六鉸鏈38、第十七鉸鏈39、第十八鉸鏈41、第十九鉸鏈42和第二十鉸鏈44。

所述整枝伐樹鋸部件25通過轉動副與虎克鉸26連接，整枝伐樹鋸部件25通過第二球副機構30與液壓缸24連接。

所述刀鋸機構32在整枝伐樹鋸部件25的最下方，往上依次是下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構為十連桿單自由度時，第三鉸鏈4和第五鉸鏈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，長桿5和中連桿2通過第五鉸鏈9連接，中連桿2和工作臂19通過第一鉸鏈1連接，工作臂19和長桿5通過第十二鉸鏈22連接，因此長桿5、中連桿2和工作臂19可看成一根桿，前搖桿29繞著第九鉸鏈18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架桿16繞著第八鉸鏈17轉動，長桿5和支架桿16通過第十鉸鏈20連接，進而使工作臂19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運動時，前搖桿29繞著第九鉸鏈18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架桿16繞著第八鉸鏈17轉動，中搖桿11繞著第七鉸鏈13轉動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五鉸鏈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轉動，后搖桿10繞著第六鉸鏈12轉動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四鉸鏈8連接，進而帶動后連桿6轉動，長桿5和后連桿6通過第三鉸鏈4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十鉸鏈20連接，進而使長桿5實現平面運動，工作臂19和中連桿2通過第一鉸鏈1連接，工作臂19中部和長桿5通過第十二鉸鏈22連接，進而使工作臂19作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構為十一連桿兩自由度運動時，前搖桿29繞著第九鉸鏈18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三鉸鏈27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一鉸鏈21連接，進而帶動支架桿16繞著第八鉸鏈17轉動，中搖桿11繞著第七鉸鏈13轉動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五鉸鏈9連接，進而帶動中連桿2轉動，由于三角架7和中搖桿11通過第五鉸鏈9連接，進而帶動三角架7轉動，后搖桿10繞著第六鉸鏈12轉動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四鉸鏈8連接，進而帶動后連桿6轉動，第二鉸鏈3和第三鉸鏈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構成平面五連桿機構，長桿5和后連桿6通過第三鉸鏈4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十鉸鏈20連接，進而使長桿5實現平面運動，工作臂19和中連桿2通過第一鉸鏈1連接，工作臂19中部和長桿5通過第十二鉸鏈22連接，進而使工作臂19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24，使液壓缸24伸長，進而帶動虎克鉸26和整枝伐樹鋸部件25之間的轉動副轉動，實現整枝伐樹鋸部件25的整體轉動。

如圖9和圖10所示：第二舉升液壓缸43處于伸展狀態，第一舉升液壓缸40處于壓縮狀態，機架14和底盤45通過第十五鉸鏈37和第十六鉸鏈38連接，產生相對轉動，整機處于傾斜狀態，完成三維空間內的樹木整枝、修剪等工作。

如圖1、圖4、圖6和圖8所示，整枝伐樹鋸部件25處于豎直狀態時，樹木整枝伐樹機在較低位置進行作業，可實現整棵樹木伐鋸功能。

如圖2、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，整枝伐樹鋸部件25處于水平狀態，樹木整枝伐樹機在較低位置進行作業，可實現木材分段截取功能；在較高位置工作時，可實現樹木的整枝修整功能。