CN109227517A - 机械外骨骼式绿篱修剪机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械外骨骼式绿篱修剪机器人，主要包括助力下肢①、背部支架②、平衡上肢③、修剪机构④、电源小车⑤、传感系统⑥和控制系统⑦等。其中助力下肢①包括横连接板11、大腿关节12、腿部束带13、小腿关节14、脚部连接支架15、脚踏底板16、脚部束带17、支撑与锁定装置18、驱动电机19等；背部支架②包括连接框架21、纵向转轴22、角度调节机构23、腰部束带24和横向转轴25等；平衡上肢③包括四连杆机构31、齿轮齿条机构32、升降丝杆33、传动箱体34、步进电机35、万向连接把手36和连接支座37等；修剪机构④包括修剪机41、驱动电机42、传动软轴等。电源小车⑤既能跟随机器人主体并为系统提供能源动力，也是机器人主体中短途运输的工具。

Description

机械外骨骼式绿篱修剪机器人

技术领域

本发明涉及一种绿篱修剪设备，具体地说是一种机械外骨骼式绿篱机器人。

背景技术

随着我国城市化进程的加快和人民物质文化生活水平的提高，生态化、园林化、宜居化是现代城市建设的共同目标。道路两旁和公园、广场、社区周围的绿篱，是一道道不可或缺的人文风景线，不断扮演着它的重要角色。作为景观绿化作业中的一项经常性工作，绿篱的造型及养护涉及面广，作业内容、对象及条件差异大，季节性和地域性特点鲜明，我国大部分地区目前仍采用以人力为主的修剪模式。使用修枝剪刀或手持式绿篱机进行修剪作业，其缺点是工人负重作业，劳动条件差、体力消耗大、工作效率低、事故频率高。由于全球老龄化社会的到来，我国劳动力成本的逐年增加，同传统加工制造业一样，一线工人特别是40岁以下工人数目呈现逐年减少的趋势，加上工作条件和工资待遇等因素的限制，“招工难、用工难”的现象时有发生，而且在可预见的未来将会愈演愈烈。“人手短缺”的后果是上岗前的培训无法得到有效落实，工人技术水平参差不齐,使得修剪后绿篱尺寸的整齐性和美观性得不到保证，急需采取合适的技术手段加以解决。国内一些企业或高校研制的车载型绿篱机及移动式绿篱修剪机器人虽然从理论上提高了工作效率，降低了劳动强度，但因其体积较大、成本较高，可靠性差，从设计上也仅适合高速公路两侧长距离、造型简单绿篱的修剪，一直无法得到有效推广，而且对体现地方风土人情和文化内涵的城区绿色景观维护依然无能为力。外骨骼机器人是现代科学技术高度集成和交融的产物，它融合了机械、电子、传感器、控制、信息、以及人工智能等多学科领域的最新技术，为人类提供了一种可直接穿戴、具有灵活动力性能的机械智能装备。它将人的智能与机器的“体力”结合在一起,以人的智力为控制主导,结合机器的骨架和运动来增强人体的防御、行走、负重等生理机能,进而提高操作者的作业能力。本发明的目的在于利用外骨骼机器人的这些特性并与手持式绿篱修剪机的切割装置相结合，提供一种能减轻工人劳动强度、提高工作效率、适应性强的便携式绿篱修剪机器人，以满足日益增长着的各具特色的现代城市绿篱修剪维护的需要。

发明内容

本发明所述的机械外骨骼式绿篱修剪机器人主要由助力下肢、背部支架、平衡上肢、修剪机构以及传感系统、控制系统和电源小车所组成。

本发明所述的助力下肢由横连接板、大腿关节、腿部束带、小腿关节、脚部连接支架、脚踏底板、脚部束带和支撑与锁定装置等部件所组成，主要帮助操作者行使助力行走和承载功能。所述的横连接板分别通过大腿关节和小腿关节以及支撑与锁定装置与脚部支架相连接；所述的大腿关节和小腿关节均包含调节管、调节杆和锁紧装置组成的长度调节机构。

本发明所述的背部支架由连接框架、纵向转轴、角度调节机构、腰部束带和横向转轴等部件所组成，它主要将助力下肢和平衡上肢连接在一起，行使支撑和传力功能，并帮助平衡上肢实现工作角度的调节。其中纵向转轴对称于人体脊柱安装在连接框架的后部两侧，上端分别与两个平衡上肢相连接，下端与可以操控连接转轴的角度调节机构相连接；在连接框架下部两侧，分别通过横向转轴与助力下肢的横连接板相连接，并使横连接板相对于连接框架平面有一定的转动自由度。

本发明所述的平衡上肢主要由四连杆机构、齿轮齿条机构、升降丝杆、传动箱体、步进电机、万向连接把手和连接支座等部件所组成，其主要功能是承担修剪机构工作时作用于操作者手臂上的各种载荷，并实现绿篱修剪高度、距离和角度的随动调节及机器人工作时的动态平衡。其中连接支座与背部支架中的纵向转轴相连接，而且两个平衡上肢可以根据操作者的操作习惯需要进行互换。所述的齿轮齿条机构和升降丝杆在步进电机的驱动下，可以分别使连杆平衡机构端部的万向连接把手实现水平距离和铅直高度的调节。

本发明所述的修剪机构主要由修剪机、驱动电机、传动软轴所组成，其中修剪机和驱动电机分别与平衡上肢的万向连接把手和四连杆机构平衡端相连接，驱动电机的动力通过传动软轴传递给修剪机，以实现对不同形状、不同位置绿篱的修剪作业。其中修剪机中后部的连接柱分别与左右平衡上肢中的万向连接把手相连接，并能实现快速拆装；所述的修剪机可以是往复式切割机构，也可以是圆盘旋转式切割机构；驱动电机作为平衡配重与连接于修剪机中部连接柱的平衡上肢中四连杆机构的平衡端相连接，另一个平衡上肢中四连杆机构平衡端的平衡配重由安装控制系统的机器人控制箱承担。

本发明所述的传感系统主要由安装在助力下肢脚踏底板、脚部束带和腿部束带以及平衡上肢万向连接把手内的若干只压力传感器和定位装置所组成，以实时获取脚掌、脚跟及脚部束带向上和腿部束带向前及万向连接把手上下、前后、左右的压力信号和位置信号。

本发明所述的控制系统含有预编程序的处理器，能够根据传感系统各传感器和定位装置传来的信号，预判操作者腿部行走及手部操作运动的趋向，并根据需要分别向机器人各部电机及歇息支撑和锁定装置中的锁定装置发出动作指令。

为减轻机器人本身的重量，延长机器人的工作时间，本发明所述部件涉及到的各种电机以及传感系统和控制系统的能源动力由所述的电源小车所提供。作业时，该小车一直跟随于机器人主体附近，不仅与机器人主体之间具有相互通讯功能，而且在其机架上设计有一定的机械连接接口，可将机器人主体安装其上实现存放基地与工作场所之间、工作场所与工作场所之间的中短距离运输。

附图说明

图1给出了本发明的一个具体实施例的结构示意图。

图2给出了所述助力下肢的结构示意图。

图3给出了所述背部支架的结构示意图。

图4给出了所述平衡上肢和修剪机构的结构示意图。

图5给出了所述机器人本体安装在电源小车上的一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图例说明本发明的详细实施办法。

本发明所述的机械外骨骼式绿篱修剪机器人如图1所示，主要由助力下肢①、背部支架②、平衡上肢③、修剪机构④、电源小车⑤、传感系统⑥和控制系统⑦所组成。

助力下肢①对称安装于所述修剪机器人的底部，主要由横连接板11、大腿关节12、腿部束带13、小腿关节14、脚部连接支架15、脚踏底板16、脚部束带17、支撑与锁定装置18和驱动电机19等部件所组成（见图1和图2），其中大腿关节12、小腿关节14和支撑与锁定装置18均具有长度调节和锁定功能，其长度可根据操作者的身高进行调节。大腿关节12和支撑与锁定装置18的上端通过连接轴与横连接板11连接在一起，小腿关节14和支撑与锁定装置18的下端通过脚部连接支架15上的连接轴连接在一起，大腿关节12和小腿关节14分别装有腿部束带13，驱动电机19分别安装在横连接板11和大腿关节12、大腿关节12和小腿关节14的连接轴上。

助力下肢①的后上方是背部支架②，主要由连接框架21、纵向转轴22、角度调节机构23、腰部束带24和横向转轴25等部件组成（见图1和图3），其中两个纵向转轴22之间及两个横向转轴25之间的距离可根据操作者的腰围及肩宽进行调节。纵向转轴22安装在连接框架21的后侧两边，其上端分别与两个平衡上肢③的连接支座37固定在一起，下端与角度调节机构23相连，以便在角度调节机构23的工作时带动纵向转轴22绕铅垂线转动一定的角度，从而使平衡上肢③可根据修剪需要在左右方向上摆动一定的角度；角度调节机构23可以是与纵向转轴同轴安装的步进电机，也可以是步进电机带动的曲柄连杆机构或齿轮传动机构。安装于连接框架21前侧下部两边的横向转轴25分别与两个助力下肢①的横连接板11相连接，且它们之间有一个相对转动的自由度，以方便行走时助力下肢①相对于人体矢状面间在两侧方向可以有一定的角度调整。

背部支架②的上方与纵向转轴22连接的是两个平衡上肢③，包括四连杆机构31、齿轮齿条机构32、升降丝杆33、传动箱体34、步进电机35、万向连接把手36、连接支座37和平衡重等部件（见图1和图4）。连接支座37与背部支架②的纵向转轴22连接，在步进电机35的驱动下，通过齿轮齿条机构32和升降丝杆33的联动，可以使四连杆机构31一端的万向连接把手36实现上、下、前、后运动；万向连接把手36的左、右摆动利用背部支架②中角度调节机构23操控下的纵向转轴22的转动来实现。

构成修剪机构④的主要部件（见图1和图4）是分别连接在平衡上肢③的万向连接把手36的修剪机41和四连杆机构31平衡端上的驱动电机42及穿过四连杆机构31的中心将修剪机41和驱动电机42连接在一起的传动软轴（图中未画出）。驱动电机42除了通过传动软轴向修剪机41提供扭矩外，还作为一个平衡重，安装在与修剪机41中部连接柱相连接的平衡上肢③四连杆机构31的平衡端上。

电源小车⑤主要由机架51、电池组52、驱动电机53、传动机构54、行走轮55、制动机构56、控制箱57、操控扶手58、机械人接口59以及工具箱(图中未画出)和电缆(图中未画出)所组成（见图1），主要为机器人本体的各种电机以及传感系统和控制系统提供能源动力，同时达到减轻机器人重量、延长机器人工作时间的目的。在机架51底部和控制箱57内，还装有（激光）测距及定位装置。根据工作要求，电源小车具有不同的行走模式：a. 工作模式-正常工作时，通过控制箱57与主体机器人控制系统⑦之间的相互通讯，通过对马路边缘的测量与定位，自动跟随主体机器人行走在修剪作业附近的平坦道路上；b. 运输模式-通过预设行进路线（自动导航）或在人工干预下（人工导航）自动行走或由人工通过操控扶手推动整个小车行走。此外，安装在机架51上的机械人接口59，可方便地将机器人主体安装在电源小车上（见图5），从而实现存放基地与工作场所之间、工作场所与工作场所之间的中短距离运输。

传感系统⑥主要由装在助力下肢①脚踏底板16、脚部束带17和腿部束带13以及平衡上肢③万向连接把手36内的若干只压力传感器和定位装置所组成。机器人工作时，这些压力传感器和定位装置可以实时获取脚掌、脚跟及脚部束带17向上和腿部束带13向前及万向连接把手36上下、前后、左右的压力信号和位置信号。

控制系统⑦含有预编程序的处理器，安装在与修剪机41后部连接柱连接的平衡上肢③四连杆机构31平衡端的控制箱内（见图1、图4和图5），机器人主体启闭按钮和修剪机构工作按钮分别安装在控制箱面板和万向连接把手36上。控制系统⑦将传感系统⑥传来的压力和位置信号处理后，可分别根据需要向各驱动电机及歇息支撑和锁定装置中的锁定装置发出动作指令（紧急情况下，向修剪机构④的驱动电机42发出停止工作指令并进行锁定）。修剪机构④的驱动电机42的正常工作指令由机器人操作者直接通过安装在万向连接把手36的工作按钮进行操控。

使用时，将机器人主体从电源小车上卸下，并根据操作者的习惯，调整确定平衡上肢③的安装位置；打开电源小车⑤上的电源开关及控制箱面板上的机器人主体启闭按钮；调节背部支架②上纵向转轴22和横向转轴25的位置，使其与操作者的腰围相适应；然后操作者背向机器人主体，将双脚放在脚踏底板16上，调节大腿关节12、小腿关节14的长度，使其适合操作者的身高和腿长并紧固固定，依次束紧两侧的脚部束带17、腿部束带13和中间腰部束带24，最后将万向连接把手36的快速接口与修剪机41的连接柱连接起来,并用双手握住万向连接把手36。

准备工作完毕后，打开万向连接把手36上的修剪机工作开关，所述的机械外骨骼式绿篱修剪机器人进入工作状态。根据绿篱修剪进程，当操作者需要换腿行走时，安装在腰部束带24、腿部束带13、脚部束带17及脚踏底板16脚掌脚跟位置的压力传感器将向控制系统⑦发出信号，经过控制系统⑦的逻辑计算后，分别向助力下肢①中支撑和锁定装置18中的锁定装置及驱动电机19依次发出动作指令，使支撑和锁定装置18中的锁定装置解锁，并按照各传感器信号的变化调整各驱动电机19转动的顺序和转速。操作者与修剪机器人行走过程中，连接在脚踏底板16和横连接板11之间的支撑与锁定装置18的长度随上下铰链之间距离而变化。到达一个新的工作位置时，控制系统⑥通过各个传感器的压力信号组合做出判断，并再次分别向助力下肢驱动电机19及歇息支撑和锁定装置18中的2个锁定装置发出动作指令，使驱动电机停止工作，并使支撑和锁定装置18中的锁定装置锁紧。这样既可以使助力下肢①驱动电机19间歇工作、节省能源，也可以将机器人主体全部载荷直接通过歇息支撑和锁定装置18传到地面上，避免关节受力或驱动电机19的超载损坏。

绿篱的修剪通过另一条控制通道进行控制。修剪过程中，安装在两个万向连接把手36中的压力传感器及定位装置将连续地向控制系统⑦发出信号，经过控制系统⑦的逻辑运算后即可判断出操作者的修剪意图，然后分别向平衡上肢③步进电机35及背部支架②上的角度调节机构23上的步进电机发出依次动作指令。通过齿轮齿条机构32、升降丝杆33和角度调节机构23的联动，可以使万向连接把手36带动修剪机41实现远近、高低、水平、倾斜及垂直等不同形式的修剪作业。

修剪机器人工作过程，电源小车⑤除通过电缆向机器人主体提供电源动力外，还与机器人主体之间一直保持通讯联系。机架51底部和控制箱57内安装的激光测距及定位装置（通过GPS系统或北斗系统），既保证电源小车⑤永远跟随于机器人主体附近并沿马路或绿篱边缘顺行，同时与马路边缘或绿篱围栏之间保持相应的安全距离。

修剪作业完成后，关闭万向连接把手36上的修剪机工作开关，解除万向连接把手36与修剪机41间的连接，依次解开中间腰部束带24和两侧的腿部束带13、脚部束带17，离开机器人主体，关闭控制箱面板上的机器人主体启闭按钮，并将其安装在电源小车上，返回存放基地或行进到下一个工作场所。

Claims (13)

1.一种机械外骨骼式绿篱修剪机器人，其特征在于它主要包括助力下肢、背部支架、平衡上肢、修剪机构和电源小车以及传感系统、控制系统等。

2.根据权利要求1所述的助力下肢，其特征在于它主要包括横连接板、大腿关节、腿部束带、小腿关节、脚部连接支架、脚踏底板、脚部束带和支撑与锁定装置等部件。

3.根据权利要求2所述的大腿关节、小腿关节和支撑与锁定装置，其特征在于它们具有长度调节功能，以适应操作者身高及腿长变化的需要。

4.根据权利要求1所述的背部支架，其特征在于它主要包括连接框架、纵向转轴、角度调节机构、腰部束带和横向转轴等部件。

5.根据权利要求1所述的平衡上肢，其特征在于它主要包括四连杆机构、齿轮齿条机构、升降丝杆、传动箱体、步进电机、万向连接把手和连接支座等部件。

6.根据权利要求1所述的修剪机构，其特征在于它主要包括修剪机、驱动电机和传动软轴等部件。

7.根据权利要求5所述的万向连接把手，其特征在于它与权利要求6所述的修剪机之间可以实现快速装配与拆卸。

8.根据权利要求1和5所述的平衡上肢，其特征在于它的平衡重分别是权利要求7所述的驱动电机和安装有权利要求1所述的控制系统的机器人控制箱。

9.根据权利要求1和5所述的平衡上肢，其特征在于它在背部支架上的安装位置可以根据操作者的操作习惯左右互换，且可以根据修剪需要相对于人体矢状面转动一定的角度。

10.根据权利要求1所述的电源小车，其特征在于它主要包括机架、电池组、动力机构、行走轮、制动机构、机器人主体机械连接接口，控制箱和操控扶手等部件。

11.根据权利要求1和10所述的电源小车，其特征在于它具有与机器人主体之间相互通讯功能、测距及定位功能，工作时，可以始终跟随机器人主体行走于附近的平坦路面上，为自身行走以及通过电缆为机器人中的电机及传感系统和控制系统提供能源动力。

12.根据权利要求1所述的传感系统，其特征在于它主要包括装在助力下肢脚踏底板、脚部束带和腿部束带以及平衡上肢万向连接把手内的若干只压力传感器和定位装置，所述的这些传感器或定位装置可以实时获取脚掌、脚跟及脚部束带向上和腿部束带向前及万向连接把手上下、前后、左右的压力信号和位置信号。

13.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于它含有预编程序的处理器，能够根据传感系统各传感器和定位装置传来的信号，预判操作者腿部行走及手部操作运动的趋向，并根据需要分别向机器人各部电机及支撑和锁定装置中的锁定装置发出动作指令。