本發明涉及機器人領域，特別是一種可傾式伺服驅動三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，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。因此有必要設計一種穩定輸出，柔性化，運動空間大，制造成本低，工作壽命長，維護保養簡單，兼具樹木整枝、伐樹和木材截取功能的樹木整枝伐樹機器人。

將變胞機構應用于樹木整枝伐樹機器人的設計，將產生一類新型的變胞機構式樹木整枝伐樹機器人。

目前，尚未見到一種能夠在180°工作空間內任一方位調節，柔性伺服驅動控制，并兼具穩定輸出和柔性化作業、運動空間大、工作精度高、制造成本低維護保養簡單特點，又能夠完成樹木整枝、修剪、伐樹和木材分段截取功能的一種可傾式伺服驅動三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可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，它能夠在180°工作空間內任一方位調節，柔性伺服驅動控制，并兼具穩定輸出和柔性化作業、運動空間大、工作精度高、制造成本低維護保養簡單特點，又能夠完成樹木整枝、修剪、伐樹和木材分段截取功能。

本發明的技術方案是：一種可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，包括伺服電機、舉升液壓缸、伐木頭組合機構、行走裝置、底盤、機架、驅動連桿、傳動連桿、執行連桿、銷軸、液壓缸和虎克鉸，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性連接，第二伺服電機和機架固性連接，第三伺服電機和機架固性連接；

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十三銷軸與底盤連接，另一端通過第十四銷軸與機架連接，所述第二舉升液壓缸一端通過第十五銷軸與底盤連接，另一端通過第十六銷軸與機架連接，通過兩個舉升液壓缸的相互作用，即第一舉升液壓缸伸展，第二舉升液壓缸壓縮，或者相反，達到整機傾斜狀態，實現樹木整枝伐樹機器人的180°工作空間內的任一方位調節；

所述伐木頭組合機構包括刀鋸機構、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伐木頭組合機構上，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，原動機與伐木頭組合機構固定連接，原動機設置于伐木頭組合機構內部，伐木頭組合機構有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構兩側；

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；

所述打枝刀設置于伐木頭組合機構上部，與伐木頭組合機構固定連接；

所述行走裝置通過轉動副與底盤連接，所述底盤一端通過第十一銷軸與機架連接，另一端通過第十二銷軸與機架連接；

所述驅動連桿包括前搖桿、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，另一端通過第五銷軸與前連桿連接，所述中搖桿一端通過第四銷軸與機架連接，另一端通過第七銷軸與中連桿連接，所述后搖桿一端通過第八銷軸與機架連接，另一端通過第三銷軸與曲桿連接；

所述傳動連桿包括前連桿、中連桿和曲桿，所述前連桿一端通過第五銷軸與前搖桿連接，另一端通過第二銷軸與曲桿連接，所述中連桿一端通過第七銷軸與中搖桿連接，另一端通過第一銷軸與執行連桿連接，所述曲桿一端通過第三銷軸與后搖桿連接，中部通過第二銷軸與前連桿連接，另一端通過第六銷軸與執行連桿連接；

所述執行連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接，中部通過第六銷軸與曲桿連接，另一端通過第十銷軸與虎克鉸連接，執行連桿通過第一球副機構與液壓缸連接；

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、第十四銷軸、第十五銷軸和第十六銷軸。

所述伐木頭組合機構通過轉動副與虎克鉸連接，伐木頭組合機構通過第二球副機構與液壓缸連接。

所述刀鋸機構在伐木頭組合機構的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀。

所述后搖桿、中搖桿和前搖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。

所述驅動連桿全部運動時，實現八連桿兩自由度運動；驅動連桿為前搖桿運動時，所述中搖桿一端與后搖桿一端連接，實現四連桿單自由度運動；驅動連桿全部制動時，所述中搖桿一端與后搖桿一端連接，前搖桿兩端均與機架連接，實現零自由度運動。

本發明的突出優點在于：

1.能夠靈活變胞，改變其運動空間，通過運動空間的疊加，實現在大運動空間內的作業，并可通過兩舉升液壓缸的相互作用，實現其180°工作空間內任意一方位傾斜作業，且驅動運動副在機架上，動態穩定性能好，工作效率高。

2.通過伺服電機驅動，能夠實現伺服驅動，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可在其復雜狀況下柔性靈活作業。

3.能夠實現在面對樹木整枝和伐樹任務下的三種構態變換，柔性化程度高，可完成復雜樹木整枝伐樹動作；另外，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.能夠實現在環境惡劣、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動作。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種可傾式伺服驅動三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可傾式伺服驅動三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可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的零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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的零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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的單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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的單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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的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伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的整機傾斜兩自由度時高處樹木整枝第一結構狀態圖。

圖10為本發明所述的一種可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的整機傾斜兩自由度時高處樹木整枝第二結構狀態圖。

圖11為本發明所述的一種可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的伐木頭組合機構的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人的伐木頭組合機構的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種可傾式伺服驅動三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可傾式伺服驅動三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、第一銷軸；2、中連桿；3、第二銷軸；4、前連桿；5、曲桿；6、第三銷軸；7、后搖桿；8、中搖桿；9、第一伺服電機；10、第四銷軸；11、第五銷軸；12、前搖桿；13、第三伺服電機；14、機架；15、行走裝置；16、執行連桿；17、第六銷軸；18、第一球副機構；19、液壓缸；20、虎克鉸；21、伐木頭組合機構；22、滾輪；23、下夾抱機構；231、螺桿；232、固定支座；233、第一連桿；234、活動支座；235、螺母；236、第二連桿；24、刀鋸機構；241、滑塊；242、導桿；243、第三連桿；244、第四連桿；245、曲柄；246、第一小型電機；247、電機支座；248、絲桿；249、第二小型電機；2410、刀鋸；25、上夾抱機構；26、打枝刀；27、第七銷軸；28、第八銷軸；29、第二伺服電機；30、第二球副機構；31、第九銷軸；32、第十銷軸；33、第十一銷軸；34、第十二銷軸；35、第十三銷軸；36、第一舉升液壓缸；37、第十四銷軸；38、第十五銷軸；39、第二舉升液壓缸；40、第十六銷軸；41、底盤。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖3、圖11、圖12、圖13和圖14所示，本發明所述的一種可傾式伺服驅動三構態變胞式樹木整枝伐樹機器人，包括伺服電機、舉升液壓缸、伐木頭組合機構21、行走裝置15、底盤41、機架14、驅動連桿、傳動連桿、執行連桿16、銷軸、液壓缸19和虎克鉸20，具體結構和連接關系為：

所述伺服電機包括第一伺服電機9、第二伺服電機29和第三伺服電機13，第一伺服電機13和機架14固性連接，第二伺服電機29和機架14固性連接，第三伺服電機13和機架14固性連接；

所述舉升液壓缸包括第一舉升液壓缸36和第二舉升液壓缸39，所述第一舉升液壓缸36一端通過第十三銷軸35與底盤41連接，另一端通過第十四銷軸37與機架14連接，所述第二舉升液壓缸39一端通過第十五銷軸38與底盤41連接，另一端通過第十六銷軸40與機架14連接，通過兩個舉升液壓缸的相互作用，即第一舉升液壓缸36伸展，第二舉升液壓缸39壓縮，或者相反，達到整機傾斜狀態，實現樹木整枝伐樹機器人的180°工作空間內的任一方位調節；

所述伐木頭組合機構21包括刀鋸機構24、下夾抱機構23、滾輪22、上夾抱機構25和打枝刀26；

所述刀鋸機構24包括刀鋸2410、滑塊241、導桿242、第三連桿243、第四連桿244、曲柄245、第一小型電機246、電機支座247、絲桿248和第二小型電機249，所述刀鋸2410和滑塊241固性連接，滑塊241和導桿242通過圓柱副連接，所述第三連桿243一端通過轉動副和滑塊241連接，另一端通過轉動副和第四連桿244連接，所述曲柄245一端通過轉動副和第四連桿244連接，另一端通過轉動副和第一小型電機246連接，所述電機支座247和第一小型電機246固性連接，電機支座247通過螺旋副和絲桿248連接，所述第二小型電機249通過轉動副和絲桿248連接；

所述下夾抱機構23和上夾抱機構25為相同機構，下夾抱機構23包括螺桿231、固定支座232、第一連桿233、活動支座234、螺母235和第二連桿236，所述固定支座232固定于伐木頭組合機構21上，固定支座232和活動支座234通過螺桿231連接，螺桿231的一端連接螺母235，所述第一連桿233一端通過轉動副和固定支座232連接，另一端通過轉動副和第二連桿236連接，所述第二連桿236一端通過轉動副和第一連桿233連接，中部通過轉動副和活動支座234連接；

所述滾輪22末端與原動機輸出軸連接，原動機與伐木頭組合機構21固定連接，原動機設置于伐木頭組合機構21內部，伐木頭組合機構21有兩個滾輪22，沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構21兩側；

所述上夾抱機構25和下夾抱機構23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26設置于伐木頭組合機構21上部，與伐木頭組合機構21固定連接；

所述行走裝置15通過轉動副與底盤41連接，所述底盤41一端通過第十一銷軸33與機架14連接，另一端通過第十二銷軸34與機架14連接；

所述驅動連桿包括前搖桿12、中搖桿8和后搖桿7，所述前搖桿12一端通過第九銷軸31與機架14連接，另一端通過第五銷軸11與前連桿4連接，所述中搖桿8一端通過第四銷軸10與機架14連接，另一端通過第七銷軸27與中連桿2連接，所述后搖桿7一端通過第八銷軸28與機架14連接，另一端通過第三銷軸6與曲桿5連接；

所述傳動連桿包括前連桿4、中連桿2和曲桿5，所述前連桿4一端通過第五銷軸11與前搖桿12連接，另一端通過第二銷軸3與曲桿5連接，所述中連桿2一端通過第七銷軸27與中搖桿8連接，另一端通過第一銷軸1與執行連桿16連接，所述曲桿5一端通過第三銷軸6與后搖桿7連接，中部通過第二銷軸3與前連桿4連接，另一端通過第六銷軸17與執行連桿16連接；

所述執行連桿16一端通過第一銷軸1與中連桿2連接，中部通過第六銷軸17與曲桿5連接，另一端通過第十銷軸32與虎克鉸20連接，執行連桿16通過第一球副機構18與液壓缸19連接。

所述銷軸包括第一銷軸1、第二銷軸3、第三銷軸6、第四銷軸10、第五銷軸11、第六銷軸17、第七銷軸27、第八銷軸28、第九銷軸31、第十銷軸32、第十一銷軸33、第十二銷軸34、第十三銷軸35、第十四銷軸37、第十五銷軸38和第十六銷軸40。

所述伐木頭組合機構21通過轉動副與虎克鉸20連接，伐木頭組合機構21通過第二球副機構30與液壓缸19連接。

所述刀鋸機構24在伐木頭組合機構21的最下方，往上依次是下夾抱機構23、滾輪22、上夾抱機構25和打枝刀26。

工作原理及過程：

如圖1和圖2所示，前搖桿12繞著第九銷軸31轉動，由于前搖桿12和前連桿4通過第五銷軸11連接，進而帶動前連桿4轉動，中搖桿8繞著第四銷軸10轉動，由于中搖桿8和中連桿2通過第七銷軸27連接，進而帶動中連桿2轉動，后搖桿7繞著第八銷軸28轉動，由于后搖桿7和曲桿5通過第三銷軸6連接，前連桿4和曲桿5通過第二銷軸3連接，進而使曲桿5作平面運動，中連桿2與執行連桿16通過第一銷軸1連接，曲桿5與執行連桿16通過第六銷軸17連接，進而使執行連桿17作兩自由度運動。

如圖5和圖6所示，第三銷軸6和第七銷軸17處于重疊位置時，中搖桿8和后搖桿7停止轉動，前搖桿12繞著第九銷軸31轉動，由于前搖桿12和前連桿4通過第五銷軸11連接，進而帶動前連桿4轉動，前連桿4和曲桿5通過第二銷軸3連接，進而帶動曲桿5轉動，而此時曲桿5、中連桿2和執行連桿16可看做一根桿，即認為執行連桿16作單自由度運動。

如圖3和4所示，第三銷軸6和第七銷軸17處于重疊位置時，中搖桿8和后搖桿7停止轉動，前搖桿12回轉至與機架14連接，前搖桿12停止轉動，即實現執行連桿16零自由度運動。

如圖13所示，由于驅動螺桿231轉動，由于螺桿231和固定支座232和活動支座234通過螺旋副連接，進而帶動活動支座234的平動，由于固定支座232和第一連桿233通過轉動副連接，第二連桿236一端通過轉動副和第一連桿233連接，中部通過轉動副和活動支座234連接，進而帶動第二連桿236的轉動。

如圖14所示，第二小型電機249驅動絲桿248轉動，由于絲桿248和電機支座247通過螺旋副連接，進而帶動電機支座247的平動，第一小型電機246驅動曲柄245轉動，由于曲柄245和第四連桿244通過轉動副連接，第三連桿243一端通過轉動副和第四連桿244連接，一端通過轉動副和滑塊241連接，滑塊241和導桿242通過圓柱副連接，進而帶動滑塊241在導桿242上的移動，由于滑塊241和刀鋸2410固性連接，進而帶動刀鋸2410的移動。

如圖9和圖10所示，第二舉升液壓缸39處于伸展狀態，第一舉升液壓缸36處于壓縮狀態，機架14和底盤41通過第十一銷軸33和第十二銷軸34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3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅動液壓缸19，使液壓缸19伸長，進而帶動虎克鉸20和伐木頭組合機構21之間的轉動副轉動，實現伐木頭組合機構21的整體轉動。

如圖2、圖4、圖6和圖8所示，伐木頭組合機構21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，可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，伐木頭組合機構21處于水平狀態，樹木整枝伐樹機器人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。