CN110497424B - 一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人 - Google Patents

一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，包括支架、门、电锯和从动轮机构；所述支架主要由上支架、下支架以及若干个中间支架和立柱组成，所述门与上支架和下支架铰接，所述门上装有控制器、主动轮转向电机和电锯；所述从动轮机构包括丝杆、压簧和从动轮，所述控制器调节丝杆的伸缩量，控制从动轮对树木的压力。爬树修剪机器人通过控制器将航向角初始化，保证每次启动时，初始位置朝向同一个方向，便于后续对树木进行形态学建模；从动轮机构采用压簧减少震动对爬树修剪机器人本体的影响，以保护其机械电气结构，并能够使从动轮自由地调整角度；电锯上装有棘轮装置，当切割力矩过大时，棘轮装置会发生滑移，保护电锯不会受到损坏。

Description

一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人
技术领域
本发明属于机械技术领域，尤其涉及一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人。
背景技术
随着机器人技术的发展，人类劳动力逐渐被解放出来，目前对于树木的修剪工作主要是传统人力为主，通过梯子作为工具对树木进行除害、整形等护理。一方面这对于树木养护管理工作的效率是非常低的，而且护理成本非常高，另一方面由于人工修剪等工作属于高危险工作，护理工人很容易从树上摔下来。因此将机器人作为树木修剪护理工具不仅可以大大降低成本，而且可以避免工人进行高危险工作，目前市场上关于爬树修剪机器人的技术还不够成熟，不仅仅功能单一，而且还不具备对修建对象的状态进行记录的功能。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，包括支架、门和从动轮机构；
所述支架由上支架、下支架以及若干个中间支架和立柱组成；所述上支架与下支架之间固连有立柱a、立柱b、立柱c、立柱d、立柱e以及立柱f；所述立柱a和立柱b之间固连有中间支架a，所述立柱c和立柱d之间固连有中间支架b，所述立柱e和立柱f之间固连有中间支架c；所述中间支架a、中间支架b和中间支架c上均装有丝杆电机；
所述门与上支架和下支架铰接，所述门上装有控制器、主动轮转向电机、主动轮、电锯和地磁传感器；
所述控制器用于接收应变片与地磁传感器信号和输出驱动指令，所述主动轮转向电机上装有主动轮电机，主动轮电机与主动轮连接；所述主动轮转向电机用于调整主动轮的偏转角度γ，通过主动轮电机驱动主动轮，爬树修剪机器人沿着树木呈角度γ螺旋上升；
所述电锯包括棘轮a、棘轮b、电锯转向电机和弹簧；
所述棘轮a固连在电锯转向电机上，棘轮a与棘轮b相互配合构成棘轮装置，使得电锯转向电机只能单向转动；所述电锯转向电机用于调整所述电锯对树木的切入角度，以提高切割效率；所述弹簧套在棘轮装置上，当切割力矩大于弹簧的预紧力时，所述棘轮装置发生滑移，保护电锯不会损坏；
所述门上还打有通孔用于穿过衔铁；所述衔铁外部套有衔铁弹簧，所述衔铁能够被电磁铁吸引，所述电磁铁固连于电磁铁支架上，所述电磁铁支架固连在门上；所述电磁铁由地磁传感器控制；所述控制器用于将爬树修剪机器人的航向角期望值初始化为角度α，当地磁传感器检测到爬树修剪机器人朝向为角度α时，电磁铁吸引衔铁将门闭合，将树木包裹在爬树修剪机器人内部。
所述从动轮机构包括丝杆、从动轮底座、光轴a、光轴b、压簧a、压簧b、应变片、轴承a、轴承b、从动轮机架a、从动轮机架b、从动轮a和从动轮b；
所述丝杆的一端与中间支架上的丝杆电机相连，所述丝杆的另一端与从动轮底座形成螺旋副；对称分布的光轴a和光轴b与从动轮底座形成移动副；所述压簧a和压簧b均安装在动轮底座上，压簧a和压簧b用于减少震动对爬树修剪机器人本体的影响以及应变片的疲劳损伤，以保护其机械电气结构；所述应变片贴于从动轮底座上，用于表征从动轮a和从动轮b对树木的压力大小，丝杆电机通过所述控制器调节丝杆的伸缩量，控制从动轮a和从动轮b对树木的压力；所述从动轮a和从动轮b分别与从动轮机架a和从动轮机架b连接，所述从动轮机架a和从动轮机架b通过轴承a和轴承b与压簧a和压簧b连接，使得所述从动轮a和从动轮b能自由地调整角度。
进一步地，所述从动轮机构有三个，分别与中间支架a、中间支架b和中间支架c连接。
进一步地，所述门上还装有蓄电池，为爬树修剪机器人提供电能。
进一步地，所述压簧a和压簧b用于吸收震动，减少应变片采集的突变的波形，避免丝杆电机的频繁启停。
进一步地，所述电锯上装有电锯防护罩。
进一步地，所述控制器读取丝杆伸缩量，以t时刻爬树修剪机器人所在树干的横截面的中心建立坐标系，对树干t时刻微分段的坐标轴两个正交方向长度进行计算，通过正交长度数据，引入椭圆方程拟合该微分段近似椭圆形态模型，控制器通过近似椭圆形态模型得到t时刻的树干直径与圆度；所述控制器通过主动轮上的绝对值编码器读取机器人前进路程长度，结合主动轮偏转角度计算得出t时刻机器人行进高度h：
其中，N(t)表征t时刻绝对值编码器的累积脉冲输出，P表示该编码器的分辨率精度，d表示主动轮直径，角度γ表示主动轮偏转角度；为简化模型，减少所述控制器的计算量，在计算爬树修剪机器人的行进的弧度数θ时，从近似椭圆形态模型简化为圆，形态模型保持椭圆圆弧不变，得到行进的弧度数θ为：
其中，h为式中求解得到t时刻的高度值，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半；记录t时刻的高度h和弧度数θ以及采样点两个正交方向长度，如果树木截面形状和高度符合要求，通知用户可以进行砍伐取材；如果树木直径和高度不符合要求，将当前树木数据与数据库内历史树木数据做皮尔逊相关系数ρx,y计算：
其中，X表示当前树木的圆度，Y为数据库内历史树木的圆度，cov(X,Y)表示当前树木数据和历史树木数据的协方差，σX与σY分别表示当前树木数据和历史树木数据的方差；将当前树木数据与历史树木数据一一进行皮尔逊相关系数运算，将取得最大值时所指向的历史树木数据作为当前修剪树木的历史采集数据，用户可根据该历史树木数据观察树木的生长情况，并调整种植模式以提高产量和木材质量，同时机器人会将该数据写入并更新数据库。
进一步地，所述t时刻近似椭圆形态模型为：
其中，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半，x(t)与y(t)表示该微分段树木的形态学建模方程。
本发明的有益效果：具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人通过控制器将航向角初始化，保证每次启动时，初始位置朝向同一个方向，便于后续对树木进行形态学建模；从动轮机构采用压簧减少震动对爬树修剪机器人本体的影响，以及应变片的疲劳损伤，以保护其机械电气结构，并能够使从动轮自由地调整角度；电锯上装有棘轮装置，当切割力矩过大时，棘轮装置会发生滑移，保护电锯不会受到损坏。丝杆电机可以调节丝杆的伸缩量，以保证从动轮对树木的压力足够大，不至于掉落，从而保证爬树修剪机器人能适应不同直径的树木，增大了爬树修剪机器人的适应范围。
附图说明
图1是本发明总体示意图；
图2是本发明的锯条半剖图；
图3是本发明的地磁传感器-电磁铁局部放大图；
图4是本发明的从动轮示意图；
图5是本发明的机器人滚轮压力控制图；
图6是本发明的机器人决策与记忆匹配图；
图中，1.丝杆；2.从动轮底座；3.上支架；4.中间支架a；5.下支架；6.中间支架b；7.中间支架c；8.衔铁；9.蓄电池；10.门；11.主动轮；12.主动轮转向电机；13.主动轮电机；14.电锯；15.锯齿；16.棘轮a；17.棘轮b；18.电锯转向电机；19.弹簧；20.电锯防护罩；21.应变片；22.控制器；51.光轴a；52.压簧a；53.轴承a；54.从动轮机架a；55.从动轮a；61.光轴b；62.压簧b；63.轴承b；64.从动轮机架b；65.从动轮b；71.立柱a；72.立柱b；73.立柱c；74.立柱d；75.立柱e；76.立柱f；81衔铁弹簧；82.电磁铁；83电磁铁支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，包括支架、门10和从动轮机构；
所述支架主要由上支架3、下支架5以及若干个中间支架和立柱组成，为爬树修剪机器人提供骨架支撑；所述上支架3与下支架5之间固连有立柱a71、立柱b72、立柱c73、立柱d74、立柱e75以及立柱f76；所述立柱a71和立柱b72之间固连有中间支架a4，所述立柱c73和立柱d74之间固连有中间支架b6，所述立柱e75和立柱f76之间固连有中间支架c7；所述中间支架a4、中间支架b6和中间支架c7上均装有丝杆电机；
所述门10与上支架3和下支架5铰接，所述门10上装有控制器22、主动轮转向电机12和电锯14；
所述控制器22用于接收应变片21与地磁传感器信号和输出驱动指令，所述主动轮转向电机12上装有主动轮电机13，主动轮11与主动轮电机13连接，所述主动轮转向电机12能够调整主动轮11的偏转角度γ，通过主动轮电机13驱动主动轮11，爬树修剪机器人沿着树木呈角度γ螺旋上升；
如图2所示，所述电锯14包括棘轮a16、棘轮b17、电锯转向电机18和弹簧19；
所述棘轮a16固连在电锯转向电机18上，棘轮a16与棘轮b17相互配合构成棘轮装置，使得电锯转向电机18只能单向转动；所述电锯转向电机18用于调整所述电锯14对树木的切入角度，以提高切割效率；所述弹簧19套在棘轮装置上，当切割力矩大于弹簧19的预紧力时，所述棘轮装置发生滑移，保护电锯14不会受到较大的力矩而损坏，并且调整弹簧19的预紧力可以调整力矩过载保护的设定值。当爬树修剪机器人沿着特定角度γ在树木上爬行时，所述电锯14会沿着树干做圆周运动，并不断螺旋上升，将目标树木的侧枝修剪干净。所述电锯14上装有电锯防护罩20，用于减少飞溅的木屑对机器人的机械电气系统的损害。
如图3所示，所述门10上还具有地磁传感器-电磁铁结构，门10上打有通孔用于穿过衔铁8；所述衔铁8外部套有衔铁弹簧81，所述衔铁8能够被电磁铁82吸引，所述电磁铁82固连于电磁铁支架83上，所述电磁铁支架83固连在门10上；所述电磁铁82由地磁传感器控制；当爬树修剪机器人将要启动用于修剪树木时，所述控制器22将爬树修剪机器人的航向角期望值初始化为角度α，当地磁传感器检测到爬树修剪机器人朝向为角度α时，通过电磁铁82吸引衔铁8将门10闭合，将树木包裹在爬树修剪机器人内部；当爬树修剪机器人完成修剪后，断开总电源开关，电磁铁82释放衔铁8，将门10打开。地磁传感器-电磁铁机构的有益作用在于，能保证机器人开机后初始位置朝向同一个方向，便于后续对树木进行形态学建模。所述门10还上装有蓄电池9，为爬树修剪机器人提供电能。
如图4-5所示，所述从动轮机构有三个，分别与中间支架a4、中间支架b6和中间支架c7连接。从动轮机构包括丝杆1、从动轮底座2、光轴a51、光轴b61、压簧a52、压簧b62、应变片21、轴承a53、轴承b63、从动轮机架a54、从动轮机架b64、从动轮a55和从动轮b65；
所述丝杆1的一端与中间支架上的丝杆电机相连，所述丝杆1的另一端与从动轮底座2形成螺旋副；光轴a51和光轴b61与从动轮底座2形成移动副；上述连接的有益作用在于，所述丝杆电机可以通过驱动丝杆(1)以实现从动轮a(55)和从动轮b(65)沿着丝杆(1)轴线方向的运动。所述压簧a52和压簧b62均安装在动轮底座2上，所述压簧a52和压簧b62能够减少震动对爬树修剪机器人本体的影响以及应变片21的疲劳损伤，压簧a52和压簧b62有助于吸收震动，使得所述应变片21采集的突变的波形减少，避免丝杆电机的频繁启停，延长了爬树修剪机器人零件的使用周期。以保护其机械电气结构；所述应变片21贴于从动轮底座2上，用于表征从动轮a55和从动轮b65对树木的压力大小，丝杆电机通过所述控制器22调节丝杆1的伸缩量，控制从动轮a55和从动轮b65对树木的压力；所述从动轮a55和从动轮b65分别与从动轮机架a54和从动轮机架b64连接，所述从动轮机架a54和从动轮机架b64通过轴承a53和轴承b63与压簧a52和压簧b62连接，使得所述从动轮a55和从动轮b65能自由地调整角度；
控制器22会实时采集应变片21上的数据，会根据控制器22输出的控制量的大小来调节丝杆1的伸缩量，从而实现既能保持对树木足够大的压力，不至于掉落，又能保证从动轮对树木的压力不会太大，而损伤树木本身，从而保证爬树修剪机器人能适应不同直径的树木，增大了爬树修剪机器人的适应范围。
如图6所示，用户对爬树修剪机器人上电后，爬树修剪机器人会对其各个变量进行初始化，根据查询地磁传感器的状态即可判断爬树机器人的门10是否闭合。所述控制器22还会记录丝杆1的运动长度，随着爬树高度的增加，树木树干的直径会减少，当丝杆1向外运动长度过大时，说明树木的树干直径太小不足以支持爬树修剪机器人的重量，爬树修剪机器人会中断主动轮的驱动信号，一定程度上收回丝杆1，使得爬树修剪机器人螺旋下落。所述控制器22读取到丝杆1伸缩量后，以t时刻爬树修剪机器人所在树干的横截面的中心建立坐标系，对树干t时刻微分段的坐标轴两个正交方向长度进行计算，通过正交长度数据，引入椭圆方程拟合该微分段近似椭圆形态模型，所述t时刻近似椭圆形态模型为：
其中，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半，x(t)与y(t)表示该微分段树木的形态学建模方程。
控制器22通过近似椭圆形态模型得到t时刻的树干直径与圆度；所述控制器22通过所述主动轮11上的绝对值编码器读取机器人前进路程长度，结合主动轮11偏转角度能够计算得出t时刻机器人行进高度h：
其中，N(t)表征t时刻绝对值编码器的累积脉冲输出，P表示该编码器的分辨率精度，d表示主动轮11直径，角度γ表示主动轮11偏转角度；为简化模型，减少所述控制器22的计算量，在计算爬树修剪机器人的行进的弧度数θ时，从近似椭圆形态模型简化为圆，形态模型保持椭圆圆弧不变，得到行进的弧度数θ为：
其中，h为式(1)中求解得到t时刻的高度值，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半；记录t时刻的高度h和弧度数θ以及采样点两个正交方向长度，通知用户可以进行砍伐取材，用户确认后删除数据库中该树木的数据；如果树木直径和高度不符合要求，将当前树木数据与数据库内历史树木数据做皮尔逊相关系数ρx,y计算：
其中，X表示当前树木的圆度，Y为数据库内历史树木的圆度，cov(X,Y)表示当前树木数据和历史树木数据的协方差，σX与σY分别表示当前树木数据和历史树木数据的方差；将当前树木数据与历史树木数据一一进行皮尔逊相关系数运算，将取得最大值时所指向的历史树木数据作为当前修剪树木的历史采集数据，并发送给用户作为参考，用户可根据该历史数据观察树木的生长情况，并调整种植模式以提高产量和木材质量，同时，机器人会将该数据写入并更新数据库。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，包括支架、门(10)和从动轮机构；
所述支架由上支架(3)、下支架(5)以及若干个中间支架和立柱组成；所述上支架(3)与下支架(5)之间固连有立柱a(71)、立柱b(72)、立柱c(73)、立柱d(74)、立柱e(75)以及立柱f(76)；所述立柱a(71)和立柱b(72)之间固连有中间支架a(4)，所述立柱c(73)和立柱d(74)之间固连有中间支架b(6)，所述立柱e(75)和立柱f(76)之间固连有中间支架c(7)；所述中间支架a(4)、中间支架b(6)和中间支架c(7)上均装有丝杆电机；
所述门(10)与上支架(3)和下支架(5)铰接，所述门(10)上装有控制器(22)、主动轮转向电机(12)、主动轮(11)、电锯(14)和地磁传感器；
所述控制器(22)用于接收应变片(21)与地磁传感器信号和输出驱动指令，所述主动轮转向电机(12)上装有主动轮电机(13)，主动轮电机(13)与主动轮(11)连接；所述主动轮转向电机(12)用于调整主动轮(11)的偏转角度γ，通过主动轮电机(13)驱动主动轮(11)，爬树修剪机器人沿着树木呈角度γ螺旋上升；
所述电锯(14)包括棘轮a(16)、棘轮b(17)、电锯转向电机(18)和弹簧(19)；
所述棘轮a(16)固连在电锯转向电机(18)上，棘轮a(16)与棘轮b(17)相互配合构成棘轮装置，使得电锯转向电机(18)只能单向转动；所述电锯转向电机(18)用于调整所述电锯(14)对树木的切入角度，以提高切割效率；所述弹簧(19)套在棘轮装置上，当切割力矩大于弹簧(19)的预紧力时，所述棘轮装置发生滑移，保护电锯(14)不会损坏；
所述门(10)上还打有通孔用于穿过衔铁(8)；所述衔铁(8)外部套有衔铁弹簧(81)，所述衔铁(8)能够被电磁铁(82)吸引，所述电磁铁(82)固连于电磁铁支架(83)上，所述电磁铁支架(83)固连在门(10)上；所述电磁铁(82)由地磁传感器控制；所述控制器(22)用于将爬树修剪机器人的航向角期望值初始化为角度α，当地磁传感器检测到爬树修剪机器人朝向为角度α时，电磁铁(82)吸引衔铁(8)将门(10)闭合，将树木包裹在爬树修剪机器人内部；
所述从动轮机构包括丝杆(1)、从动轮底座(2)、光轴a(51)、光轴b(61)、压簧a(52)、压簧b(62)、应变片(21)、轴承a(53)、轴承b(63)、从动轮机架a(54)、从动轮机架b(64)、从动轮a(55)和从动轮b(65)；
所述丝杆(1)的一端与中间支架上的丝杆电机相连，所述丝杆(1)的另一端与从动轮底座(2)形成螺旋副；对称分布的光轴a(51)和光轴b(61)与从动轮底座(2)形成移动副；所述压簧a(52)和压簧b(62)均安装在从动轮底座(2)上，压簧a(52)和压簧b(62)用于减少震动对爬树修剪机器人本体的影响以及应变片(21)的疲劳损伤，以保护其机械电气结构；所述应变片(21)贴于从动轮底座(2)上，用于表征从动轮a(55)和从动轮b(65)对树木的压力大小，丝杆电机通过所述控制器(22)调节丝杆(1)的伸缩量，控制从动轮a(55)和从动轮b(65)对树木的压力；所述从动轮a(55)和从动轮b(65)分别与从动轮机架a(54)和从动轮机架b(64)连接，所述从动轮机架a(54)和从动轮机架b(64)通过轴承a(53)和轴承b(63)与压簧a(52)和压簧b(62)连接，使得所述从动轮a(55)和从动轮b(65)能自由地调整角度。
2.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述从动轮机构有三个，分别与中间支架a(4)、中间支架b(6)和中间支架c(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述门(10)上还装有蓄电池(9)，为爬树修剪机器人提供电能。
4.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述压簧a(52)和压簧b(62)用于吸收震动，减少应变片(21)采集的突变的波形，避免丝杆电机的频繁启停。
5.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述电锯(14)上装有电锯防护罩(20)。
6.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述控制器(22)读取丝杆(1)伸缩量，以t时刻爬树修剪机器人所在树干的横截面的中心建立坐标系，对树干t时刻微分段的坐标轴两个正交方向长度进行计算，通过正交长度数据，引入椭圆方程拟合该微分段近似椭圆形态模型，控制器(22)通过近似椭圆形态模型得到t时刻的树干直径与圆度；所述控制器(22)通过主动轮(11)上的绝对值编码器读取机器人前进路程长度，结合主动轮(11)偏转角度计算得出t时刻机器人行进高度h：
其中，N(t)表征t时刻绝对值编码器的累积脉冲输出，P表示该编码器的分辨率精度，d表示主动轮(11)直径，角度γ表示主动轮(11)偏转角度；为简化模型，减少所述控制器(22)的计算量，在计算爬树修剪机器人的行进的弧度数θ时，从近似椭圆形态模型简化为圆，形态模型保持椭圆圆弧不变，得到行进的弧度数θ为：
其中，h为式(1)中求解得到t时刻的高度值，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半；记录t时刻的高度h和弧度数θ以及采样点两个正交方向长度，如果树木截面形状和高度符合要求，通知用户可以进行砍伐取材；如果树木直径和高度不符合要求，将当前树木数据与数据库内历史树木数据做皮尔逊相关系数ρx,y计算：
其中，X表示当前树木的圆度，Y为数据库内历史树木的圆度，cov(X,Y)表示当前树木数据和历史树木数据的协方差，σX与σY分别表示当前树木数据和历史树木数据的方差；将当前树木数据与历史树木数据一一进行皮尔逊相关系数运算，将取得最大值时所指向的历史树木数据作为当前修剪树木的历史采集数据，用户可根据该历史树木数据观察树木的生长情况，并调整种植模式以提高产量和木材质量，同时机器人会将该历史树木数据写入并更新数据库。
7.根据权利要求6所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人，其特征在于，所述t时刻近似椭圆形态模型为：
其中，a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半，x(t)与y(t)表示该微分段树木的形态学建模方程。
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