本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，特別是一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人。

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，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，由全液壓元件組成，其液壓元件精度要求高，液壓系統(tǒng)制造成本高，工作壽命不長，易漏油，也只能實現(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?，F(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，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，尚未見到一種兼具穩(wěn)定輸出和柔性化、運動空間大、工作精度高、制造成本低、維護保養(yǎng)簡單，且能柔性混合驅(qū)動控制，又具有樹木整枝、伐樹和木材截取功能的樹木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混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人，它具有穩(wěn)定輸出、柔性混合驅(qū)動控制、運動空間大、制造成本低、工作壽命長、維護保養(yǎng)簡單，且控制電機均安裝在機架上，動態(tài)穩(wěn)定性能高，工作效率高的優(yōu)點，又能夠以實現(xiàn)樹木整枝修整、整棵樹木伐鋸和木材分段截取功能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人，包括大功率常規(guī)電機、小功率伺服電機、行走裝置、機架、驅(qū)動連桿、傳動連桿、輸出連桿、銷軸、液壓缸、虎克鉸和伐木頭組合機構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述大功率常規(guī)電機和機架連接；

所述小功率伺服電機包括第一小功率伺服電機和第二小功率伺服電機，第一小功率伺服電機和機架連接，第二小功率伺服電機和機架連接；

所述行走裝置通過轉(zhuǎn)動副和機架連接；

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，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，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輸出連桿連接，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輸出連桿連接；

所述輸出連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接，中部通過第六銷軸與曲桿連接，另一端通過第十銷軸與虎克鉸連接，輸出連桿通過第一球副機構(gòu)與液壓缸連接；

所述伐木頭組合機構(gòu)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，所述伐木頭組合機構(gòu)通過轉(zhuǎn)動副與虎克鉸連接，伐木頭組合機構(gòu)通過第二球副機構(gòu)與液壓缸連接，所述刀鋸機構(gòu)在伐木頭組合機構(gòu)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；所述刀鋸機構(gòu)由刀鋸、滑塊、導(dǎo)桿、第三連桿、第四連桿、曲柄、第四伺服電機、電機支座、絲桿和第五伺服電機組成，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)動副和第四伺服電機連接，所述電機支座和第四伺服電機固定連接，電機支座通過螺旋副和絲桿連接，所述第五伺服電機通過轉(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伐木頭組合機構(gòu)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，原動機與伐木頭組合機構(gòu)固定連接，原動機設(shè)置于伐木頭組合機構(gòu)內(nèi)部，伐木頭組合機構(gòu)有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構(gòu)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)置于伐木頭組合機構(gòu)上部，與伐木頭組合機構(gòu)固定連接。

所述第一小功率伺服電機輸出軸和第三銷軸之間的距離與所述大功率常規(guī)電機輸出軸和第七銷軸之間的距離之和大于所述第一小功率伺服電機輸出軸和所述大功率常規(guī)電機輸出軸之間的距離之和。

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、第九銷軸和第十銷軸。

本發(fā)明突出優(yōu)點在于：

1.在工作過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人三種構(gòu)態(tài)變換。機構(gòu)兩自由度時，機構(gòu)具有柔性化的特點，能夠在較大運動空間內(nèi)作業(yè)，并能精確定位；機構(gòu)單自由度時，機構(gòu)穩(wěn)定性較高，便于控制；機構(gòu)零自由度時，前搖桿回轉(zhuǎn)與機架連接，機構(gòu)不工作，整體機構(gòu)占的三維空間小。

2.通過大功率常規(guī)電機和小功率伺服電機驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)混合控制驅(qū)動，柔性化程度高，林場作業(yè)時，能夠在其復(fù)雜狀況下柔性靈活作業(yè)。

3.能實現(xiàn)復(fù)雜動作，能夠在環(huán)境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪，伐樹、截木等作業(yè)。

4.由于采用閉鏈可控連桿機構(gòu)，所有控制電機安裝在機架上，有效降低了桿臂的重量，提高樹木整枝伐樹機器人的效率；并且機構(gòu)由全桿件組成，制造成本低，機構(gòu)維護保養(yǎng)簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的第一結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的第二結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的零自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖4為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的零自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖5為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的單自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖6為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的單自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖7為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的兩自由度時第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖8為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的兩自由度時第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖9為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的兩自由度時高處樹木整枝第一結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖10為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的兩自由度時高處樹木整枝第二結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖11為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的伐木頭組合機構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的伐木頭組合機構(gòu)的第二結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13為本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木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)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人的刀鋸機構(gòu)的結(jié)構(gòu)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、第一小功率伺服電機；10、第四銷軸；11、第五銷軸；12、前搖桿；13、第二小功率伺服電機；14、機架；15、行走裝置；16、輸出連桿；17、第六銷軸；18、第一球副機構(gòu)；19、液壓缸；20、虎克鉸；21、伐木頭組合機構(gòu)；22、滾輪；23、下夾抱機構(gòu)；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(gòu)；241、滑塊；242、導(dǎo)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(gòu)；26、打枝刀；27、第七銷軸；28、第八銷軸；29、大功率常規(guī)電機；30、第二球副機構(gòu)；31、第九銷軸；32、第十銷軸。

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5、圖11、圖12、圖13和圖14所示，本發(fā)明所述的一種混合驅(qū)動三構(gòu)態(tài)變胞機構(gòu)式樹木整枝伐樹機器人，包括大功率常規(guī)電機29、小功率伺服電機、行走裝置15、機架14、驅(qū)動連桿、傳動連桿、輸出連桿16、銷軸、液壓缸19、虎克鉸20和伐木頭組合機構(gòu)21，具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：

所述大功率常規(guī)電機29和機架14連接，驅(qū)動中搖桿8；

所述小功率伺服電機包括第一小功率伺服電機9和第二小功率伺服電機13，第一小功率伺服電機9和機架14連接，驅(qū)動后搖桿7，第二小功率伺服電機13和機架14固性連接，驅(qū)動前搖桿12；

所述行走裝置15通過轉(zhuǎn)動副與機架14連接；

所述驅(qū)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與輸出連桿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與輸出連桿16連接；

所述輸出連桿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，輸出連桿16通過第一球副機構(gòu)18與液壓缸19連接；

所述伐木頭組合機構(gòu)21包括刀鋸機構(gòu)24、下夾抱機構(gòu)23、滾輪22、上夾抱機構(gòu)25和打枝刀26，所述刀鋸機構(gòu)24在伐木頭組合機構(gòu)21的最下方，往上依次是下夾抱機構(gòu)23、滾輪22、上夾抱機構(gòu)25和打枝刀26，所述伐木頭組合機構(gòu)21通過轉(zhuǎn)動副與虎克鉸20連接，伐木頭組合機構(gòu)21通過第二球副機構(gòu)30與液壓缸19連接；所述刀鋸機構(gòu)24包括刀鋸2410、滑塊241、導(dǎo)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(dǎo)桿242通過圓柱副連接，所述第三連桿243一端通過轉(zhuǎn)動副和滑塊241連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿244連接，所述曲柄245一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿244連接，另一端通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動副和絲桿248連接；所述下夾抱機構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)動副和固定支座232連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副和第二連桿236連接，所述第二連桿236一端通過轉(zhuǎn)動副和第一連桿233連接，中部通過轉(zhuǎn)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(gòu)21固定連接，原動機設(shè)置于伐木頭組合機構(gòu)21內(nèi)部，伐木頭組合機構(gòu)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(gòu)21兩側(cè)；所述上夾抱機構(gòu)25和下夾抱機構(gòu)結(jié)23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26設(shè)置于伐木頭組合機構(gòu)21上部，與伐木頭組合機構(gòu)21固定連接。

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和第十銷軸32。

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(zhuǎn)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(zhuǎn)動，中搖桿8繞著第四銷軸10轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，后搖桿7繞著第八銷軸28轉(zhuǎn)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與輸出連桿16通過第一銷軸1連接，曲桿5與輸出連桿16通過第六銷軸17連接，進而使輸出連桿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(zhuǎn)動，前搖桿12繞著第九銷軸31轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動，而此時曲桿5、中連桿2和輸出連桿16能夠看做一根桿，即認為輸出連桿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(zhuǎn)動，前搖桿12回轉(zhuǎn)至與機架14連接，前搖桿12停止轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)輸出連桿16零自由度運動。

如圖13所示，由于驅(qū)動螺桿231轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動副連接，第二連桿236一端通過轉(zhuǎn)動副和第一連桿233連接，中部通過轉(zhuǎn)動副和活動支座234連接，進而帶動第二連桿236的轉(zhuǎn)動。

如圖14所示，第二小型電機249驅(qū)動絲桿248轉(zhuǎn)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(qū)動曲柄245轉(zhuǎn)動，由于曲柄245和第四連桿244通過轉(zhuǎn)動副連接，第三連桿243一端通過轉(zhuǎn)動副和第四連桿244連接，一端通過轉(zhuǎn)動副和滑塊241連接，滑塊241和導(dǎo)桿242通過圓柱副連接，進而帶動滑塊241在導(dǎo)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3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅(qū)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(gòu)21之間的轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)伐木頭組合機構(gòu)21的整體轉(zhuǎn)動。

如圖4、圖6和圖8所示，伐木頭組合機構(gòu)21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)，能夠?qū)崿F(xiàn)整棵樹木伐鋸功能。

如圖1、圖2、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，伐木頭組合機構(gòu)21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)，能夠?qū)崿F(xiàn)木材分段截取功能；在較高位置工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)樹木的整枝修整功能。