CN106954476A - 一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机 - Google Patents

Abstract

一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，包括伐木头组合机构、履带式行走系统、机架、驱动连杆、传动连杆、输出连杆、销轴、液压缸和虎克铰，机架安装在履带式行走系统上，驱动连杆、传动连杆和输出连杆通过销轴相互连接，驱动连杆和传动连杆安装在机架上，伐木头组合机构通过液压缸和虎克铰安装在输出连杆一端，伐木头组合机构由刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀组成。工作时，能够实现三种自由度三种构态变换灵活变胞，通过运动空间的叠加，实现大空间作业；并且该整枝伐树机由全杆件组成，制造成本低，工作寿命长，维护简单。该整枝伐树机能够在环境恶劣、地势崎岖的森林里进行树木整枝、修剪、伐树和分段截木作业。

Description

一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机

技术领域

本发明涉及树木整枝伐树机领域，特别是一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机。

背景技术

中国专利201610396453.X公布了一种伐木机器人，通过四个驱动轮的移动，实现切割的定位，工作精度和柔性低，运动空间小，只能实现伐木任务；中国专利201610419380.1公开了一种用于伐木机的全液压自动伐木装置，此伐木装置由全液压元件组成，其液压元件精度要求高，液压系统制造成本高，工作寿命不长，易漏油，也只能实现伐木任务；中国专利201210335835.3公开了一种伐树截木一体机，此伐树截木机，仅用于伐树截木，不能用于树木整枝、修剪，且此伐木机只能与工程机械配合使用；中国专利201310427637.4公开了一种电动植物整枝机，此植物整枝机，仅用于植物整枝，不能用于伐木、截木。现有有关伐树机的设计，均功能单一，工作空间小，稳定性不足，精度低，不能根据功能需求或者环境的变化，灵活改变构型以适应不同任务和场合，柔性低。

变胞机构是近年来学者提出的重要概念，是能够变自由度或能够变构件数目的新型机构，这类机构除了具有类似可展机构的高度收缩和高度可展外，还能够改变拓扑图并导致变自由度，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征，能够根据功能需求或环境等变化，适应不同任务，灵活应用于不同场合。

将变胞机构应用于树木整枝伐树机的设计，将产生一类新型的变胞机构式树木整枝伐树机，使树木整枝伐树机发挥其更大功能。

目前尚未见到一种兼具稳定输出和柔性化、大运动空间、高工作精度，低制造成本、工作寿命长、维护保养简单，又具有树木整枝、伐树和木材截取功能的树木整枝伐树机的创新发明设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，它具有柔性化、大运动空间、高工作精度、高稳定性、低制造成本、工作寿命长、维护保养简单等优点，又能够以实现树木整枝、伐树和木材截取的功能。

本发明的技术方案是：一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，包括伐木头组合机构、履带式行走系统、机架、驱动连杆、传动连杆、输出连杆、销轴、液压缸和虎克铰，具体结构和连接关系为：

所述伐木头组合机构包括刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述刀锯机构在伐木头组合机构的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述伐木头组合机构通过转动副与虎克铰连接，伐木头组合机构通过第二球副机构与液压缸连接；所述履带式行走系统和机架通过转动副连接；所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第九销轴与机架连接，另一端通过第七销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接，所述后摇杆一端通过第五销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与曲杆连接；所述传动连杆包括前连杆、中连杆和曲杆，所述前连杆一端通过第七销轴与前摇杆连接，另一端通过第二销轴与曲杆连接，所述中连杆一端通过第三销轴与中摇杆连接，另一端通过第一销轴与输出连杆连接，所述曲杆一端通过第四销轴与后摇杆连接，中部通过第二销轴与前连杆连接，另一端通过第八销轴与输出连杆连接；所述输出连杆一端通过第一销轴与中连杆连接，中部通过第八销轴与曲杆连接，另一端通过第十销轴与虎克铰连接，输出连杆通过第一球副机构与液压缸连接。

所述刀锯机构包括刀锯、滑块、导杆、第三连杆、第四连杆、曲柄、第一小型电机、电机支座、丝杆和第二小型电机，所述刀锯和滑块固性连接，滑块和导杆通过圆柱副连接，所述第三连杆一端通过转动副和滑块连接，另一端通过转动副和第四连杆连接，所述曲柄一端通过转动副和第四连杆连接，另一端通过转动副和第一小型电机连接，所述电机支座和第一小型电机固性连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第二小型电机通过转动副和丝杆连接。

所述下夹抱机构包括螺杆、固定支座、第一连杆、活动支座、螺母和第二连杆，所述固定支座固定在伐木头组合机构上，固定支座和活动支座通过螺杆连接，螺杆的一端连接螺母，所述第一连杆一端通过转动副和固定支座连接，另一端通过转动副和第二连杆连接，所述第二连杆一端通过转动副和第一连杆连接，中部通过转动副和活动支座连接。

所述滚轮末端与原动机输出轴连接，原动机与伐木头组合机构固定连接，原动机设置于伐木头组合机构内部，伐木头组合机构有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与伐木头组合机构两侧。

所述上夹抱机构和下夹抱机构结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同。

所述打枝刀设置于伐木头组合机构上部，与伐木头组合机构固定连接。

所述销轴包括第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、第五销轴、第六销轴、第七销轴、第八销轴、第九销轴和第十销轴。

本发明突出优点在于：

1.工作过程中，能够实现面对树木整枝和伐树任务下的多构态变换。整枝伐树机两自由度时，能够以实现整枝或伐树时的刀锯的精确定位，并能够在较大运动空间内作业；整枝伐树机单自由度时，运动稳定性较高，便于控制；整枝伐树机零自由度时，前摇杆回转与机架连接，机构不工作，整体机构占的三维空间小。整枝伐树机工作时，能够灵活变胞，改变其运动空间，通过运动空间的叠加，实现在大运动空间内的作业。

2.柔性化程度高，林场作业时，树木生长形态复杂多变，该树木整枝伐树机能够在其复杂状况下柔性灵活作业，并且机构由全杆件组成，制造成本低，工作寿命长，机构维护保养简单。

3.能够灵活变胞，改变其运动空间，通过运动空间的叠加，实现在大运动空间内的作业。

4.能实现复杂动作，能够在环境恶劣、地势崎岖的森林里进行树木整枝、修剪，伐树、截木等作业。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的第一结构示意图。

图2为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的第二结构示意图。

图3为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的零自由度时第一结构状态图。

图4为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的零自由度时第二结构状态图。

图5为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的单自由度时第一结构状态图。

图6为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的单自由度时第二结构状态图。

图7为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的两自由度时第一结构状态图。

图8为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的两自由度时第二结构状态图。

图9为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的两自由度时高处树木整枝第一结构状态图。

图10为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的两自由度时高处树木整枝第二结构状态图。

图11为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的伐木头组合机构的第一结构示意图。

图12为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的伐木头组合机构的第二结构示意图。

图13为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的下夹抱机构的结构示意图。

图14为本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的刀锯机构的结构示意图。

图中标记为：1、第一销轴；2、中连杆；3、第二销轴；4、曲杆；5、第三销轴；6、第四销轴；7、中摇杆；8、后摇杆；9、第五销轴；10、第六销轴；11、机架；12、履带式行走系统；13、输出连杆；14、前连杆；15、第七销轴；16、前摇杆；17、第八销轴；18、第九销轴；19、第一球副机构；20、液压缸；21、伐木头组合机构；22、虎克铰；23、第二球副机构；24、下夹抱机构；241、螺杆；242、固定支座；243、第一连杆；244、活动支座；245、螺母；246、第二连杆；25、刀锯机构；251、滑块；252、导杆；253、第三连杆；254、第四连杆；255、曲柄；256、第一小型电机；257、电机支座；258、丝杆；259、第二小型电机；2510、刀锯；26、滚轮；27、上夹抱机构；28、打枝刀；29、第十销轴。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1、图2、图3、图11、图12、图13和图14所示，本发明所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机的刀锯机构，包括伐木头组合机构21、履带式行走系统12、机架11、驱动连杆、传动连杆、输出连杆13、销轴、液压缸20和虎克铰22，具体结构和连接关系为：

所述伐木头组合机构21包括刀锯机构25、下夹抱机构24、滚轮26、上夹抱机构27和打枝刀28，所述刀锯机构25在伐木头组合机构21的最下方，往上依次是下夹抱机构24、滚轮26、上夹抱机构27和打枝刀28，所述伐木头组合机构21通过转动副与虎克铰22连接，伐木头组合机构21通过第二球副机构23与液压缸20连接；所述履带式行走系统12和机架11通过转动副连接；所述驱动连杆包括前摇杆16、中摇7和后摇杆8，所述前摇杆16一端通过第九销轴18与机架11连接，另一端通过第七销轴15与前连杆14连接，所述中摇杆7一端通过第六销轴10与机架11连接，另一端通过第三销轴5与中连杆2连接，所述后摇杆8一端通过第五销轴9与机架11连接，另一端通过第四销轴6与曲杆4连接；所述传动连杆包括前连杆14、中连杆2和曲杆4，所述前连杆14一端通过第七销轴15与前摇杆16连接，另一端通过第二销轴3与曲杆4连接，所述中连杆2一端通过第三销轴5与中摇杆7连接，另一端通过第一销轴1与输出连杆13连接，所述曲杆4一端通过第四销轴6与后摇杆8连接，中部通过第二销轴3与前连杆14连接，另一端通过第八销轴17与输出连杆13连接；所述输出连杆13一端通过第一销轴1与中连杆2连接，中部通过第八销轴17与曲杆4连接，另一端通过第十销轴29与虎克铰22连接，输出连杆13通过第一球副机构19与液压缸20连接。

所述刀锯机构25包括刀锯2510、滑块251、导杆252、第三连杆253、第四连杆254、曲柄255、第一小型电机256、电机支座257、丝杆258和第二小型电机259，所述刀锯25和滑块251固性连接，滑块251和导杆252通过圆柱副连接，所述第三连杆253一端通过转动副和滑块251连接，另一端通过转动副和第四连杆254连接，所述曲柄255一端通过转动副和第四连杆254连接，另一端通过转动副和第一小型电机256连接，所述电机支座257和第一小型电机256固性连接，电机支座257通过螺旋副和丝杆258连接，所述第二小型电机259通过转动副和丝杆258连接。

所述下夹抱机构24包括螺杆241、固定支座242、第一连杆243、活动支座244、螺母245和第二连杆246，所述固定支座242固定于伐木头组合机构21上，固定支座242和活动支座244通过螺241连接，螺杆241的一端连接螺母245，所述第一连杆243一端通过转动副和固定支座242连接，另一端通过转动副和第二连杆246连接，所述第二连杆246一端通过转动副和第一连杆243连接，中部通过转动副和活动支座244连接。

所述滚轮26末端与原动机输出轴连接，原动机与伐木头组合机构21固定连接，原动机设置于伐木头组合机构21内部，伐木头组合机构21有两个滚轮26，沿竖直中心线对称分布与伐木头组合机构21两侧。

所述上夹抱机构27和下夹抱机构24结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同。

所述打枝刀28设置于伐木头组合机构21上部，与伐木头组合机构21固定连接。

所述销轴包括第一销轴1、第二销轴3、第三销轴5、第四销轴6、第五销轴9、第六销轴10、第七销轴15、第八销轴17、第九销轴18和第十销轴29。

工作原理及过程：

如图1至图3所示，前摇杆16绕着第九销轴18转动，由于前摇杆16和前连杆14通过第七销轴15连接，进而带动前连杆14转动，中摇杆7绕着第六销轴10转动，由于中摇杆7和中连杆2通过第三销轴5连接，进而带动中连杆2转动，后摇杆8绕着第五销轴9转动，由于后摇杆8和曲杆4通过第四销轴6连接，前连杆14和曲杆4通过第二销轴3连接，进而使曲杆4作平面运动，中连杆2与输出连杆13通过第一销轴1连接，曲杆4与输出连杆13通过第八销轴17连接，进而使输出连杆13作两自由度运动。

如图5和图6所示，第三销轴5和第四销轴6处于重叠位置时，中摇杆7和后摇杆8停止转动，前摇杆16绕着第九销轴18转动，由于前摇杆16和前连杆14通过第七销轴15连接，进而带动前连杆14转动，前连杆14和曲杆4通过第二销轴3连接，进而带动曲杆4转动，而此时曲杆4、中连杆2和输出连杆13能够看做一根杆，即认为输出连杆13作单自由度运动。

如图3和4所示，第三销轴5和第四销轴6处于重叠位置时，中摇杆7和后摇杆8停止转动，前摇杆16回转至与机架11连接，前摇杆16停止转动，即实现输出连杆13零自由度运动。

如图13所示，由于驱动螺杆241转动，由于螺杆241和固定支座242和活动支座244通过螺旋副连接，进而带动活动支座244的平动，由于固定支座242和第一连杆243通过转动副连接，第二连杆246一端通过转动副和第一连杆243连接，中部通过转动副和活动支座244连接，进而带动第二连杆246的转动。

如图14所示，第二小型电机259驱动丝杆258转动，由于丝杆258和电机支座257通过螺旋副连接，进而带动电机支座257的平动，第一小型电机256驱动曲柄255转动，由于曲柄255和第四连杆254通过转动副连接，第三连杆253一端通过转动副和第四连杆254连接，一端通过转动副和滑块251连接，滑块251和导杆252通过圆柱副连接，进而带动滑块251在导杆252上的移动，由于滑块251和刀锯2510固性连接，进而带动刀锯2510的移动。

如图3、图4、图11和图12所示，通过驱动液压缸20，使液压缸20伸长，进而带动虎克铰22和伐木头组合机构21之间的转动副转动，实现伐木头组合机构21的整体转动。

如图2、图4、图6和图8所示，伐木头组合机构21处于竖直状态时，树木整枝伐树机在较低位置进行作业，能够实现整棵树木伐锯功能。

如图1、图3、图5、图7、图9和图10所示，伐木头组合机构21处于水平状态，树木整枝伐树机在较低位置进行作业，能够实现木材分段截取功能；在较高位置工作时，能够实现树木的整枝修整功能。

Claims (7)

1.一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，包括伐木头组合机构、履带式行走系统、机架、驱动连杆、传动连杆、输出连杆、销轴、液压缸和虎克铰，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述伐木头组合机构包括刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述刀锯机构在伐木头组合机构的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀，所述伐木头组合机构通过转动副与虎克铰连接，伐木头组合机构通过第二球副机构与液压缸连接；所述履带式行走系统通过转动副与机架连接；所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第九销轴与机架连接，另一端通过第七销轴与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第六销轴与机架连接，另一端通过第三销轴与中连杆连接，所述后摇杆一端通过第五销轴与机架连接，另一端通过第四销轴与曲杆连接；所述传动连杆包括前连杆、中连杆和曲杆，所述前连杆一端通过第七销轴与前摇杆连接，另一端通过第二销轴与曲杆连接，所述中连杆一端通过第三销轴与中摇杆连接，另一端通过第一销轴与输出连杆连接，所述曲杆一端通过第四销轴与后摇杆连接，中部通过第二销轴与前连杆连接，另一端通过第八销轴与输出连杆连接；所述输出连杆一端通过第一销轴与中连杆连接，中部通过第八销轴与曲杆连接，另一端通过第十销轴与虎克铰连接，输出连杆通过第一球副机构与液压缸连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述刀锯机构包括刀锯、滑块、导杆、第三连杆、第四连杆、曲柄、第一小型电机、电机支座、丝杆和第二小型电机，所述刀锯和滑块固性连接，滑块和导杆通过圆柱副连接，所述第三连杆一端通过转动副和滑块连接，另一端通过转动副和第四连杆连接，所述曲柄一端通过转动副和第四连杆连接，另一端通过转动副和第一小型电机连接，所述电机支座和第一小型电机固性连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第二小型电机通过转动副和丝杆连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述下夹抱机构包括螺杆、固定支座、第一连杆、活动支座、螺母和第二连杆，所述固定支座固定在伐木头组合机构上，固定支座和活动支座通过螺杆连接，螺杆的一端连接螺母，所述第一连杆一端通过转动副和固定支座连接，另一端通过转动副和第二连杆连接，所述第二连杆一端通过转动副和第一连杆连接，中部通过转动副和活动支座连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述滚轮末端与原动机输出轴连接，原动机与伐木头组合机构固定连接，原动机设置于伐木头组合机构内部，伐木头组合机构有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与伐木头组合机构两侧。

5.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述上夹抱机构和下夹抱机构结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同。

6.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述打枝刀设置于伐木头组合机构上部，与伐木头组合机构固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种具有三种自由度变换的三构态变胞式树木整枝伐树机，其特征在于，所述销轴包括第一销轴、第二销轴、第三销轴、第四销轴、第五销轴、第六销轴、第七销轴、第八销轴、第九销轴和第十销轴。