CN107135822A - 一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人 - Google Patents

Abstract

一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，包括机混合驱动机械腿系统、锯式整枝系统和机架杆组件。当小功率伺服电机单独驱动时，便能实现复杂爬树抱树运动，驱动简单；利用驱动力的反作用力便可实现锁死，爬树工作安全可靠；机器人爬树过程中，转换自由度，可以改变抱紧角度，实现机器人灵活适应树木直径的变化；模拟动物身体构造，使爬树整枝机器人灵活适应不同形状树木；多自由度整枝系统与爬树机器人结合，移动性能好、整枝方便灵活、工作效率高，整枝定位精确，可以完成复杂的整枝工作；采用大功率常规电机、小功率伺服电机混合驱动，降低成本，柔性输出程度高，控制简单。

Description

一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，特别是一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人。

背景技术

树木在生长的过程中，修剪整枝是一项必不可少的工作，中国专利CN 102283026A公布了一种果树修剪机，所述果树修剪机需要人工背负，对于高枝修剪，需要更换加长铝管，因此劳动强度大，工作效率低，危险性大。中国专利CN 105940975 A公布了一种果树修剪机，所述修剪机的执行部件安装在动力机车上，依靠机械臂进行整枝工作，但是不能灵活避开分布散乱的枝干，不能进行精确的整枝工作，其他公开的有关整枝机器人的专利与上述两个专利类似。

中国专利ZL2012103468033公开了一种四足攀爬机器人，该机器人利用自重自锁，而且每个抱紧臂都安装三个电机，驱动较复杂，总体运动速度也较慢，不具适用性。

随着机器人技术水平的不断提高，仿生机器人的应用渐为广泛，其中仿生爬树机器人的应用在树木整枝、病害防治、虫害防治、果实采摘、野外探测监控等方面也日益增多，因此将仿生机器人应用于爬树整枝工作，可以克服现有技术的缺点。

液压驱动易出现液压油泄漏，混入空气等杂质后会产生振动噪声等问题，而且液压件加工要求高，相比液压驱动，电动机驱动则具有效率高，信号变化传递方便等优点，在自动化要求高的场合具有独特的优势，相比伺服电机，大功率常规电机控制简单、价格便宜，应用与要求不高的场合，因此在实际应用中，通常采用小功率伺服电机与大功率常规电机的混合驱动系统。

目前，未见有驱动简单，爬树可靠安全，能适应不同粗细、形状树木，移动性能好、整枝方便灵活，工作效率高、整枝定位精确，控制简单、柔性输出程度高的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，它能克服现有整枝技术的不足，该混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，小功率伺服电机单独驱动时，便能实现复杂爬树抱树运动，驱动简单；利用驱动力的反作用力便可实现锁死，爬树工作安全可靠；机器人爬树过程中，转换自由度，可以改变抱紧角度，实现机器人灵活适应树木直径的变化；模拟动物身体构造，使爬树整枝机器人灵活适应不同形状树木；多自由度整枝系统与爬树机器人结合，移动性能好、整枝方便灵活、工作效率高，整枝定位精确，可以完成复杂的整枝工作；采用大功率常规电机、小功率伺服电机混合驱动，降低成本，柔性输出程度高，控制简单。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，包括混合驱动机械腿系统、锯式整枝系统和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述混合驱动机械腿系统包括第一混合驱动机械腿系统、第二混合驱动机械腿系统、第三混合驱动机械腿系统和第四混合驱动机械腿系统，所述第一混合驱动机械腿系统包括驱动摇杆、从动摇杆、连杆、机械腿小功率伺服电机、机械腿大功率常规电机、连接架、滑套、滑套驱动液压缸、机械腿、固定爪、弧形限位滑槽和滚动轴承，驱动摇杆一端与连杆通过转动副连接，另一端与机械腿小功率伺服电机固定连接，机械腿小功率伺服电机与第一杆相连，并驱动驱动摇杆相对第一杆转动，从动摇杆一端与连杆通过转动副连接，另一端与第一杆通过转动副连接，连接架既与连杆通过铰链连接，又与滑套通过圆柱副连接，还与机械腿大功率常规电机连接，所述滑套与滑套驱动液压缸连接，所述机械腿大功率常规电机与机械腿连接，所述滑套驱动液压缸与第一杆通过转动副连接，所述固定爪与连接架固定连接，所述从动摇杆下方安装了滚动轴承，滚动轴承在弧形限位滑槽内运动，弧形限位滑槽固定在第一杆下方，第二机械腿系统、第三机械腿系统、第四机械腿系统与第一机械腿系统结构及连接关系相同；

所述锯式整枝系统包括第一锯式整枝系统和第二锯式整枝系统，所述第一锯式整枝系统包括转动座、伸缩杆、二级伸缩杆、整枝锯连杆、整枝锯、锯式整枝系统第一液压缸、锯式整枝系统第二液压缸和锯式整枝系统第三液压缸，所述伸缩杆与转动座通过转动副连接，二级伸缩杆一端在伸缩杆内滑动，另一端与整枝锯连杆通过转动副连接，整枝锯固定连接在整枝锯连杆上，所述锯式整枝系统第一液压缸一端与转动座通过转动副连接，另一端与伸缩杆通过转动副连接，所述锯式整枝系统第二液压缸一端与伸缩杆通过转动副连接，另一端与二级伸缩杆通过转动副连接，所述锯式整枝系统第三液压缸一端与二级伸缩杆通过转动副连接，另一端与整枝锯连杆通过转动副连接，第二锯式整枝系统与第一锯式整枝系统结构及连接关系相同；

所述机架杆组件包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆、第六杆、第七杆和第八杆，第一杆与第二杆通过第一虎克铰连接，第二杆与第三杆通过第二铰链连接，第三杆与第四杆通过连架杆第一大功率常规电机相连，第四杆与第五杆通过第三铰链连接，第五杆与第六杆通过第二虎克铰连接，第六杆与第七杆通过第四铰链连接，第七杆与第八杆通过连架杆第二大功率常规电机连接，第八杆与第一杆通过第一铰链连接，连架杆第一驱动液压缸一端与第一杆通过转动副连接，另一端与第二杆通过第三虎克铰连接，连架杆第二驱动液压缸一端与第六杆相连，另一端与第五杆通过第四虎克铰相连，连架杆第三驱动液压缸一端与第一杆通过转动副连接，另一端与第八杆通过转动副连接，连架杆第四驱动液压缸一端与第六杆通过转动副连接，另一端与第七杆通过转动副连接，连架杆第五驱动液压缸一端与第五杆通过转动副连接，另一端与第四杆通过转动副连接，连架杆第六驱动液压缸一端与第二杆通过转动副连接，另一端与第三杆通过转动副连接。

所述弧形限位滑槽圆弧对应角度为110-115°，所述机械腿与连接架安装角度为55-60°。

本发明的突出优点在于：

1.混合驱动步进爬树锯式整枝机器人在爬树过程中，机械腿可以实现两自由度和单自由度的转变，属于变自由度变胞结构，具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化特征，使机械腿在爬树过程中完成复杂的动作。爬树过程中，根据步态要求不同，单自由度工作时可以实现相对树干向上抱紧或者向上放松等运动，两个自由度工作时，可以使机械腿在机器人向上运动时保持可靠抱紧，又能适应不同直径树木。

2.混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，驱动简单，小功率伺服电机单独驱动时，便能灵活模仿动物爬树动作，机械腿能实现相对树干由抱紧到向上放松，再到向上抱紧树干的复杂动作，同时依靠驱动电机的反作用力实现机械腿在树干上的锁死，爬树整枝工作安全可靠。

3、将多自由度整枝机器与爬树机器人结合，可以实现多方位转向、避障、改变重心，整枝灵活方便，能适应不同形状的树木，工作效率高，整枝定位精准，采用大功率常规电机、小功率伺服电机混合驱动，降低成本，柔性输出程度高，控制简单。

附图说明

图1为本发明所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人的结构示意图。

图2为本发明所述的驱动摇杆与第一杆垂直时状态示意图。

图3为本发明所述的机械腿相对第一杆向上运动的极限状态示意图。

图4为本发明所述的机械腿相对第一杆向下运动的极限状态示意图。

图5为本发明所述的机械腿向上爬树时末端运动轨迹的示意图。

图6为本发明所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人的第一步爬树步态示意图。

图7为本发明所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人的第二步爬树步态示意图。

图8为本发明所述的连接架示意图。

图9为本发明所述的弧形限位滑槽示意图。

附图中各标记所代表的含义为：

1：第一铰链；2：第八杆；3：连架杆第二大功率常规电机；4：第七杆；5：第四铰链；6：第六杆；7：第二虎克铰；8：第五杆；9：第三铰链；10：第四杆；11：连架杆第一大功率常规电机；12：第三杆；13：第二铰链；14：第二杆；15：第一虎克铰；16：第一杆；17：机械腿；18：整枝锯连杆；19：二级伸缩杆；20：伸缩杆；21：连架杆第一驱动液压缸；22：第三虎克铰；23：连架杆第二驱动液压缸；24：第四虎克铰；25：连架杆第三驱动液压缸；26：连架杆第四驱动液压缸；27：连架杆第五驱动液压缸；28：连架杆第六驱动液压缸；29：机械腿大功率常规电机；30：机械腿小功率伺服电机；31：驱动摇杆；32：连杆；33：连接架；34：滑套；35：从动摇杆；36：滑套驱动液压缸；37：弧形限位滑槽；38：滚动轴承；39：固定爪；40：转动座；41：锯式整枝系统第一液压缸；42：锯式整枝系统第二液压缸；43：锯式整枝系统第三液压缸；44：整枝锯；45：树木。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，此仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，均属于本发明保护的范围。

对照图1、图2、图8和图9，本发明所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，包括混合驱动机械腿系统、锯式整枝系统和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述混合驱动机械腿系统包括第一机械腿系统、第二机械腿系统、第三机械腿系统和第四机械腿系统，所述第一机械腿系统包括驱动摇杆31、从动摇杆35、连杆32、机械腿小功率伺服电机30、连接架33、滑套34、滑套驱动液压缸36、机械腿大功率常规电机29、机械腿17、固定爪39、滚动轴承38和弧形限位滑槽37，驱动摇杆31一端与连杆32通过转动副连接，另一端与机械腿小功率伺服电机30固定连接，机械腿小功率伺服电机30与第一杆16相连，并驱动驱动摇杆31相对第一杆16转动，从动摇杆35一端与连杆32通过转动副连接，另一端与第一杆16通过转动副连接，连接架33既与连杆32通过铰链连接，又与滑套34通过圆柱副连接，还与机械腿大功率常规电机29连接，所述滑套34与滑套驱动液压缸36连接，所述机械腿大功率常规电机29与机械腿17连接，所述滑套驱动液压缸36与第一杆16通过转动副连接，所述固定爪39与连接架33固定连接，所述从动摇杆35下方安装了滚动轴承38，滚动轴承38在弧形限位滑槽37内运动，弧形限位滑槽37固定在第一杆16下方，第二机械腿系统、第三机械腿系统和第四机械腿系统与第一机械腿系统结构及连接关系相同；

所述锯式整枝系统包括第一锯式整枝系统和第二锯式整枝系统，所述第一锯式整枝系统包括转动座40、伸缩杆20、二级伸缩杆19、整枝锯连杆18、整枝锯44、锯式整枝系统第一液压缸41、锯式整枝系统第二液压缸42和锯式整枝系统第三液压缸43，所述伸缩杆20与转动座40通过转动副连接，二级伸缩杆19一端在伸缩杆20内滑动，另一端与整枝锯连杆18通过转动副连接，整枝锯44固定连接在整枝锯连杆18上，所述锯式整枝系统第一液压缸41一端与转动座40通过转动副连接，另一端与伸缩杆20通过转动副连接，所述锯式整枝系统第二液压缸42一端与伸缩杆20通过转动副连接，另一端与二级伸缩杆19通过转动副连接，所述锯式整枝系统第三液压缸43一端与二级伸缩杆19通过转动副连接，另一端与整枝锯连杆18通过转动副连接，第二锯式整枝系统与第一锯式整枝系统结构相同，通过转动座40、锯式整枝系统第一液压缸41、锯式整枝系统第二液压缸42和锯式整枝系统第三液压缸43的驱动，可以使第一锯式整枝系统多自由度灵活的进行整枝工作；

所述机架杆组件包括第一杆16、第二杆14、第三杆12、第四杆10、第五杆8、第六杆6、第七杆4和第八杆2，第一杆16与第二杆14通过第一虎克铰15连接，第二杆14与第三杆12通过第二铰链13连接，第三杆12与第四杆10通过连架杆第一大功率常规电机11相连，第四杆10与第五杆8通过第三铰链9连接，第五杆8与第六杆6通过第二虎克铰7连接，第六杆6与第七杆4通过第四铰链5连接，第七杆4与第八杆2通过连架杆第二大功率常规电机3连接，第八杆2与第一杆16通过第一铰链1连接，连架杆第一驱动液压缸21一端与第一杆16通过转动副连接，另一端与第二杆14通过第三虎克铰22连接，连架杆第二驱动液压缸23一端与第六杆6相连，另一端与第五杆8通过第四虎克铰24相连，连架杆第三驱动液压缸25一端与第一杆16通过转动副连接，另一端与第八杆2通过转动副连接，连架杆第四驱动液压缸26一端与第六杆6通过转动副连接，另一端与第七杆4通过转动副连接，连架杆第五驱动液压缸27一端与第五杆8通过转动副连接，另一端与第四杆10通过转动副连接，连架杆第六驱动液压缸28一端与第二杆14通过转动副连接，另一端与第三杆12通过转动副连接。

所述弧形限位滑槽37圆弧对应角度为110-115°，所述机械腿17与连接架33安装角度为55-60°。

工作原理及过程：

对照图2、图3、图4和图5，驱动摇杆31与连杆32垂直时，滑套34滑动到连接架33的中间；机械腿小功率伺服电机30单独作用效果，如由图2所示状态转变为图3所示状态，可以实现机械腿17相对第一杆16向上同时抱紧树干的运动，如作用效果由图4所示状态转变为图2所示状态，可以实现机械腿17相对第一杆16向上同时放松树干的运动，即作用效果由图4转变为图2再转变为图3所示状态时，机械腿17相对于第一杆16，由抱紧做向上放松运动再做向上抱紧运动，反之作用效果由图3所示转变为图2再转变为图4所示状态，实现了机械腿17相对于第一杆16由抱紧状态到向下放松再到向下抱紧的运动，也是机械腿17带动爬树整枝机器人向上运动的过程，而滑套驱动液压缸36参与如图3所示转变为图2再转变为图4所示的过程，保证机器人向上运动时，机械腿17一直保持对树干的抱紧，滑套驱动液压缸36的驱动过程为，由图3所示状态转变为图2所示状态时，滑套驱动液压缸36逐渐伸出，并在图2所示状态时至最大行程，由图2所示状态转变为图4所示状态时，滑套驱动液压缸36逐渐回缩，并在图4所示状态时缩至原始状态，这一过程中机械腿小功率伺服电机30与滑套驱动液压缸36相互配合，实现一个自由度与两个自由度的自动转换，实现机器人在向上运动的过程中，机械腿17一直保持抱紧。

对照图5，机械腿17向上运动时，在机械腿小功率伺服电机30的单独作用下可以实现爬树抱紧的一系列运动，模仿动物爬树过程腿部动作，即机械腿17由抱紧树干，到向上逐渐放松，再到向上逐渐抱紧的过程，图5中θ₁、θ₂值的大小反映了机械腿17与树木45的抱紧程度。

对照图2、图3、图4和图5，机械腿17与固定爪39构成了一个脚爬工具，且与树干倾斜一定角度，因此机械腿小功率伺服电机30的驱动力不仅能实现机械腿17向上爬树同时抱紧树干的运动，还能实现机械腿17对树干的锁死，满足可靠稳定的爬树要求，同时机械腿17与机械腿大功率常规电机29通过普通丝杠连接，可以自动根据树干直径调节机械腿17的伸缩长度，实现普遍适用功能。

对照图6、图7、和图8，机械腿17与第三机械腿系统中的机械腿动作相同，并且与第二机械腿系统中的机械腿相反，第二机械腿系统中的机械腿与第四机械腿系统中的机械腿动作相同，因此在爬树过程中，第一步，如图6所示，机械腿17和第三机械腿系统中的机械腿相对机体向上运动，而第二机械腿系统中的机械腿和第四机械腿系统中的机械腿相对机体向下运动，即第二机械腿系统中的机械腿和第四机械腿系统中的机械腿抱紧，带动机器人主体向上运动，第二步与第一步相同，第二机械腿系统中的机械腿和第四机械腿系统中的机械腿相对机体向上运动，机械腿17和第三机械腿系统中的机械腿相对机体向下运动，即机械腿17和第三机械腿系统中的机械腿带动机器人主体向上运动，这两个步骤依次进行便实现了爬树整枝机器人快速爬树。

当爬树整枝机器人需要在树干上保持静止，以完成如整枝、监控、病虫防治等工作时，从动摇杆35所连滚动轴承38在弧形限位滑槽37内运动到上极限位置被锁死，只由滑套驱动液压缸36驱动，实现对树干的完全抱紧，第二机械腿系统中的机械腿，第三机械腿系统中的机械腿，第四机械腿系统中的机械腿状态与机械腿17完全相同，此时爬树整枝机器人便牢牢抱紧在树干上。

同时驱动连架杆第三驱动液压缸25和连架杆第四驱动液压缸26，或者同时驱动连架杆第五驱动液压缸27和连架杆第六驱动液压缸28，可以实现左右转向，同时驱动连架杆第一驱动液压缸21和连架杆第二驱动液压缸23可以实现向上弯腰，同时驱动连架杆第一大功率常规电机11和连架杆第二大功率常规电机3可以实现左右对折即实现重心的改变，灵活适应各种工况。

Claims (3)

1.一种混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，包括混合驱动机械腿系统、锯式整枝系统和机架杆组件，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述混合驱动机械腿系统包括第一混合驱动机械腿系统、第二混合驱动机械腿系统、第三混合驱动机械腿系统和第四混合驱动机械腿系统，所述第一混合驱动机械腿系统包括驱动摇杆、从动摇杆、连杆、机械腿小功率伺服电机、机械腿大功率常规电机、连接架、滑套、滑套驱动液压缸、机械腿、固定爪、弧形限位滑槽和滚动轴承，驱动摇杆一端与连杆通过转动副连接，另一端与机械腿小功率伺服电机固定连接，从动摇杆与连杆通过转动副连接，连接架既与连杆通过转动副连接，又与滑套通过圆柱副连接，还与机械腿大功率常规电机固定连接，所述滑套与滑套驱动液压缸通过螺纹连接，所述机械腿大功率常规电机与机械腿通过普通丝杠连接，所述固定爪与连接架固定连接，所述滚动轴承安装在从动摇杆下方，滚动轴承在弧形限位滑槽内运动，第二机械腿系统、第三机械腿系统、第四机械腿系统与第一机械腿系统结构及连接关系相同；

所述锯式整枝系统包括第一锯式整枝系统和第二锯式整枝系统，所述第一锯式整枝系统包括转动座、伸缩杆、二级伸缩杆、整枝锯连杆、整枝锯、锯式整枝系统第一液压缸、锯式整枝系统第二液压缸和锯式整枝系统第三液压缸，所述伸缩杆与转动座通过转动副连接，二级伸缩杆一端在伸缩杆内滑动，另一端与整枝锯连杆通过转动副连接，整枝锯固定连接在整枝锯连杆上，所述锯式整枝系统第一液压缸一端与转动座通过转动副连接，另一端与伸缩杆通过转动副连接，所述锯式整枝系统第二液压缸一端与伸缩杆通过转动副连接，另一端与二级伸缩杆通过转动副连接，所述锯式整枝系统第三液压缸一端与二级伸缩杆通过转动副连接，另一端与整枝锯连杆通过转动副连接，第二锯式整枝系统与第一锯式整枝系统结构及连接关系相同。

2.根据权利要求1所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，其特征在于，所述弧形限位滑槽圆弧对应角度为110-115°。

3.根据权利要求1所述的混合驱动步进爬树锯式整枝机器人，其特征在于，所述机械腿与连接架安装角度为50-56°。