CN107150729A - 一种自动化步进式变胞爬树机器人 - Google Patents

Abstract

一种自动化步进式变胞爬树机器人，包括传感器、机械腿装置和机架杆组件，所述传感器包括压力传感器、PSD距离传感器和速度传感器；所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置。机械腿驱动电机单独驱动时，便能实现复杂爬树抱树运动，驱动简单；机械腿与树干有倾斜角度，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，使爬树机器人灵活适应不同形状树木；多个传感器反馈参数到控制器，通过编程控制，可以实现自动化爬树工作。

Description

一种自动化步进式变胞爬树机器人

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，特别是一种自动化步进式变胞爬树机器人。

背景技术

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，现有爬树机器人主要有仿蛇形缠绕机器人，上下伸缩式机器人，翻转式机器人等，存在驱动元件众多，运动速度慢，负载能力小，而且对不同直径树木通用性差等问题，不能很好实现爬树及工作任务。

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；中国专利CN105963931A公布了一种新型自动化爬树设备，该专利利用液压缸收缩履带实现爬动，利用弧形杆件实现抱紧，在实际作业时，只适用于等截面直挺树木，树木粗细变化时不能完成抱紧，应用非常局限。其他公开的有关爬树机器人的专利基本与上述两类专利类似。

自动化是工业现代化的重要条件和显著标志，通过测量及反馈各种参数的传感器，控制系统可以自动调节机器人的运行状态，因此将传感器安装到爬树机器人中，可以自动完成爬树作业。

目前，未见有驱动简单，爬树可靠安全，又能灵活适应于不同直径、不同形状树木的自动化爬树机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动化步进式变胞爬树机器人，它能克服现有爬树机器人的不足，驱动电机单独驱动时，便能实现复杂爬树抱树运动，驱动简单；机械腿与树干有倾斜角度，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，使爬树机器人灵活适应不同形状树木；多个传感器反馈参数到控制器，通过编程控制，可以实现自动化爬树工作。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种自动化步进式变胞爬树机器人，包括机械腿装置、传感器和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置，所述第一机械腿装置包括驱动摇杆、从动摇杆、连杆、机械腿驱动电机、连接架、滑套、滑套驱动液压缸、机械腿驱动液压缸、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，另一端与机械腿驱动电机固定连接，机械腿驱动电机与第一杆通过转动副连接，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转动副连接，又与滑套通过圆柱副连接，还与机械腿驱动液压缸通过转动副连接，所述滑套与滑套驱动液压缸连接，所述机械腿驱动液压缸与机械腿连接，所述滑套驱动液压缸与第一杆连接，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，第二机械腿装置、第三机械腿装置、第四机械腿装置与第一机械腿装置结构相同；

所述传感器包括压力传感器、PSD距离传感器和速度传感器，所述压力传感器固定连接在机械腿末端，所述PSD距离传感器固定连接在连接架上，所述速度传感器固定连接在机械腿上；

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驱动电机相连，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驱动电机连接，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通过转动副连接，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100-105°，所述机械腿与连接架安装角度为45-50°。

本发明的突出优点在于：

1.自动化步进式爬树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抱紧，又能改变抱紧角度，适应不同直径树木。

2.自动化步进式爬树机器人，驱动简单，机械腿驱动电机单独驱动时，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，同时依靠驱动力的反作用力实现机械腿在树干上的锁死，爬树工作安全可靠。

3.机架杆组件中的两个虎克铰及其驱动装置，在实际爬树时，更好模拟动物身体结构，实现多方位转向、避障、改变重心，能适应不同形状的树木，传感器反馈参数到控制器，通过编程控制，可以实现自动化爬树工作。

附图说明

图1为本发明所述的自动化步进式爬树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为本发明所述的自动化步进式变胞爬树机器人的第一步爬树步态示意图。

图7为本发明所述的自动化步进式变胞爬树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：连架杆第二驱动电机；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：连架杆第一驱动电机；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：PSD距离传感器；19：速度传感器；20：压力传感器；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：机械腿驱动液压缸；30：机械腿驱动电机；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：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，本发明所述的自动化步进式变胞爬树机器人，包括机械腿装置、传感器和机架杆组件，具体结构和连接关系为：

所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置，所述第一机械腿装置包括驱动摇杆31、从动摇杆35、连杆32、机械腿驱动电机30、连接架39、滑套34、滑套驱动液压缸36、机械腿驱动液压缸29、机械腿17、固定爪39、弧形限位滑槽37和滚动轴承38，驱动摇杆31一端与连杆32通过转动副连接，另一端与机械腿驱动电机30固定连接，机械腿驱动电机30与第一杆16通过转动副连接，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通过转动副连接，又与滑套34通过圆柱副连接，还与机械腿驱动液压缸29通过转动副连接，所述滑套34与滑套驱动液压缸36连接，所述机械腿驱动液压缸29与机械腿17连接，所述滑套驱动液压缸36与第一杆16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，第二机械腿装置、第三机械腿装置、第四机械腿装置与第一机械腿装置结构及连接关系相同；

所述传感器包括压力传感器20、PSD距离传感器18和速度传感器19，所述压力传感器20固定连接在机械腿末端，所述PSD距离传感器18固定连接在连接架上，所述速度传感器19固定连接在机械腿上；

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通过连架杆第一驱动电机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通过连架杆第二驱动电机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通过转动副连接，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100-105°，所述机械腿17与连接架33角度45-50°。

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；机械腿驱动电机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，这一过程中机械腿驱动电机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，在机械腿驱动电机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40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，因此机械腿驱动电机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与机械腿驱动液压缸29连接，可以自动根据树干直径调节机械腿驱动液压缸29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与第三机械腿装置中的机械腿动作相同，并且与第二机械腿装置中的机械腿相反，第二机械腿装置中的机械腿与第四机械腿装置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和第三机械腿装置中的机械腿相对机体向上运动，而第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿相对机体向下运动，即第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿抱紧，带动机器人主体向上运动，第二步与第一步相同，第二机械腿装置中的机械腿和第四机械腿装置中的机械腿相对机体向上运动，机械腿17和第三机械腿装置中的机械腿相对机体向下运动，即机械腿17和第三机械腿装置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机器人快速爬树。

当爬树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，第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置中的机械腿与机械腿17完全相同，此时爬树机器人便牢牢抱紧在树干上。

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驱动电机11和连架杆第二驱动电机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。

对照图1-8，压力传感器20可以检测机械腿17对树干的压力数值，PSD距离传感器18检测机械腿17与树干的距离，速度传感器19用来检测机械腿17运动速度，各传感器将信号反馈到控制系统，实现精确自动化控制。

Claims (3)

1.一种自动化步进式变胞爬树机器人，包括机械腿装置、传感器和机架杆组件，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述机械腿装置包括第一机械腿装置、第二机械腿装置、第三机械腿装置和第四机械腿装置，所述第一机械腿装置包括驱动摇杆、从动摇杆、连杆、机械腿驱动电机、连接架、滑套、滑套驱动液压缸、机械腿驱动液压缸、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，另一端与机械腿驱动电机固定连接，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，还与机械腿驱动液压缸固定连接，所述滑套与滑套驱动液压缸通过螺纹连接，所述机械腿驱动液压缸与机械腿通过螺纹连接，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，第二机械腿装置、第三机械腿装置、第四机械腿装置与第一机械腿装置结构相同；

所述传感器包括压力传感器、PSD距离传感器和速度传感器，所述压力传感器固定连接在机械腿末端，所述PSD距离传感器固定连接在连接架上，所述速度传感器固定连接在机械腿上。

2.根据权利要求1所述的自动化步进式变胞爬树机器人，其特征在于，所述弧形限位滑槽圆弧对应角度为100-105°。

3.根据权利要求1所述的自动化步进式变胞爬树机器人，其特征在于，所述机械腿与连接架安装角度为45-50°。