CN111387007A - 树木远程砍伐机械臂及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种树木远程砍伐机械臂及使用方法，其特征在于：包括：固定机构、第一摆动机构、第二摆动机构、执行机构、无线信号传输模块和控制系统；第一摆动机构包括与固定机构固定连接大臂底座、与大臂底座在第一平面构成铰接的大臂、以及控制大臂摆动的第一动力机构；第二摆动机构包括与大臂在第一平面构成滑槽连接的小臂底座、与小臂底座在第二平面构成铰接且与大臂相互垂直的小臂、控制小臂底座滑动的第二动力机构、以及控制小臂摆动的第三动力机构；执行机构固定在小臂末端。其整套成果灵活性好、通用性强、安全性高，解决了目前带电运行线路走廊下方大型树木砍伐存在的诸多人身和设备的安全隐患等问题。

Description

树木远程砍伐机械臂及使用方法

技术领域

本发明属于树木砍伐技术、电力设施维护清障领域，尤其涉及一种用于电力线路走廊大型树木远程带电砍伐的机械臂及使用方法。

背景技术

在电力设施的维护当中，线路走廊经常有大型树木需要砍伐清理，目前，所有的树木砍伐均是通过人工徒手近距离的方式进行，伐木人员在砍伐的过程中不仅要时刻遵守电锯的安全使用，同时还要兼顾判断树木倒落时机和安全撤离时机。若砍伐接近带电导线的大型树木时倒向判断失误或人员撤离不及时，极有可能造成人身触电或其他危险情况。另外，对于大型树木，人工采用电锯（油锯）砍伐，时常发生锯子导板、锯链被倒落的树木压砸弹跳等情况，也容易造成砍伐人员受伤。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种电力线路走廊大型树木远程带电砍伐机械臂的方案，可在输电线路带电的情况下，远程（可视化）遥控的方式控制装有油锯（电锯）的机械臂对大型树木进行砍伐，使作业人员远离树木倒落范围，不仅提高作业效率，还可大大提高大型树木砍伐的安全性。其具体采用以下技术方案：

一种树木远程砍伐机械臂，其特征在于，包括：固定机构、第一摆动机构、第二摆动机构、执行机构、无线信号传输模块和控制系统；所述第一摆动机构包括与固定机构固定连接大臂底座、与大臂底座在第一平面构成铰接的大臂、以及控制大臂摆动的第一动力机构；所述第二摆动机构包括与大臂在第一平面构成滑槽连接的小臂底座、与小臂底座在第二平面构成铰接且与大臂相互垂直的小臂、控制小臂底座滑动的第二动力机构、以及控制小臂摆动的第三动力机构；所述第一平面与第二平面相互垂直；所述执行机构固定在小臂末端；所述控制系统包括本地控制器和远端控制器；所述第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构和执行机构分别连接本地控制器，所述本地控制器通过无线信号传输模块无线连接远端控制器；所述执行机构为电锯或油锯。

优选地，还包括相连接的无线图像传输模块和旋转摄像头；所述旋转摄像头的旋转平面与大臂所在平面平行；所述无线图像传输模块无线连接显示屏；所述旋转摄像头连接本地控制器。

优选地，所述固定机构包括相连接的弧形夹具和柔性抱箍；所述柔性抱箍包括：篇带和棘轮收紧器。

优选地，所述第一动力机构为电动丝杆；所述电动丝杆的两端分别与大臂和大臂底座分别构成铰接。

优选地，所述大臂底座包括相互垂直的大臂安装槽和电动丝杆安装槽。

优选地，所述第二动力机构包括相连接的第二丝杆和第二电机；所述第二丝杆连接小臂底座。

优选地，所述小臂底座包括平行设置的小臂安装槽和转轴安装槽；所述第三动力机构包括相连接的转轴和舵机；所述转轴穿过转轴安装槽和小臂安装槽，在小臂底座与小臂的铰接点与小臂固定连接。

优选地，所述远端控制器采用Usart HMI串口屏；所述无线信号传输模块采用2.4G无线模块。

优选地，所述执行机构采用电锯；所述第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构、图像传输模块、旋转摄像头、无线信号传输模块和本地控制器通过大容量锂电池供电。

优选地，提出一种树木远程砍伐机械臂的使用方法，所述执行机构选用电锯，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将固定机构固定在树干的伐木作业面上；

步骤S2：将大臂底座通过螺栓紧固在固定机构上；

步骤S3：将电锯通过螺栓紧固在小臂末端；

步骤S4：接电源线和控制线接好；拆除电锯的链条保护套并安装电池；

步骤S5：打开总电源，并复位大臂初始角、电锯初始位置及电锯俯仰角；

步骤S6：升高电锯俯仰角，使电锯导板与树木垂直，再移动电锯至树干边沿；

步骤S7：设置电锯步进量，切入树干直径的1/4—1/3深处；

步骤S8：调整大臂角度30-45度，斜向切出，使树干开下三角形口；切出的下三角形口的楔子状木块的斜边朝下，在电锯链条带动及木块自身重力作用下自动脱出，形成下三角形切口；

步骤S9：复位大臂初始角、电锯初始位置及电锯俯仰角之后，使电锯导板与树木垂直，将电锯移动至另一侧树干边缘；

步骤S10：控制电锯水平切入树干。

相较于现有技术，本发明及其优选方案可应用于35-220kV电力线路走廊下方树木的远程砍伐作业，对于规则或异形的树干均可适用，可以远程可视化控制的方式远离倒落范围进行遥控砍伐，伐木人员无需在砍伐的过程中注意电锯的使用安全的同时还要兼顾判断树木倒落时机和及时安全撤离，也可拆解后单独人工近距离砍伐，整套成果灵活性好、通用性强、安全性高，解决了目前带电运行线路走廊下方大型树木砍伐存在的诸多人身和设备的安全隐患等问题，避免了倒落的树木砸伤人员或倒落到带电高压线路引发人身触电事故，大大提高了作业安全性。同时，通过可视化远程操控的方式完成树木砍伐，无需停电，不影响社会生产生活用电，社会效益显著。提出的机械臂结构合理，拆解后单件重量不超过15kg，便于野外携带和作业。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例装置整体结构示意图；

图2是本发明实施例大臂立体及各向视图示意图；

图3是本发明实施例大臂底座立体及各向视图示意图；

图4是本发明实施例弧形夹具立体及各向视图示意图；

图5是本发明实施例小臂底座立体及各向视图示意图；

图6是本发明实施例小臂立体及各向视图示意图；

图7是本发明实施例控制大臂旋转静头立体及各向视图示意图；

图8是本发明实施例控制大臂旋转动头立体及各向视图示意图；

图9是本发明实施例电动丝杆固定块立体及各向视图示意图；

图10是本发明实施例电路模块示意图；

图11是本发明实施例控制界面示意图1；

图12是本发明实施例控制界面示意图2；

图13是本发明实施例控制界面示意图3；

图14是本发明实施例控制界面示意图4；

图中：101-弧形夹具；102-柔性抱箍；201-大臂底座；202-大臂；203-电动丝杆；204-控制大臂旋转动头；205-电动滑轨；206-控制大臂旋转静头；207-电动丝杆固定块；301-小臂底座；302-小臂；303-舵机；400-电锯；501-旋转摄像头；600-电控箱；700-树干。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本实施例装置按照功能和结构划分，可以分为：固定机构、第一摆动机构、第二摆动机构、执行机构、监控模块、无线信号传输模块和控制系统。

如图1、图4所示，固定机构的作用即是将本实施例提供的整体装置与需要砍伐树木的树干700进行固定，其具体包括相连接的弧形夹具101和柔性抱箍102。在本实施例的具体方案中，通过柔性抱箍102将弧形夹具101固定在树干700上，柔性抱箍102可根据不同直径的树木，自由调节，调节长度范围在600～1200mm。弧形夹具101由两个高度100mm，总长150mm，两侧带160度开张的双翼，使用柔性抱箍102将其垂直固定于待砍伐树木的树干700合适位置。可适用于根径400mm以内的树木砍伐。柔性抱箍102由篇带和棘轮收紧器组成，篇带总长1200mm，可以固定在弧形抱箍两翼上，通过棘轮收紧器收紧，将弧形抱箍固定在待砍伐树干700上。

如图1-图3所示，第一摆动机构包括与固定机构固定连接大臂底座201、与大臂底座201在第一平面构成铰接的大臂202、以及控制大臂202摆动的第一动力机构。在本实施例的具体方案中，如图3所示，大臂底座201包括相互垂直的竖向的大臂202安装槽和横向的电动丝杆203安装槽。形如图2所示的大臂202通过中间底部的孔洞与大臂202安装槽的孔洞通过销钉连接，在第一平面内构成铰接。第一动力机构则具体为电动丝杆203及其附属配件；电动丝杆203的两端通过分别与大臂202和大臂底座201分别构成铰接，使电动丝杆203的伸长和缩短能够精确控制大臂202在第一平面内的摆动。电动丝杆203的非伸缩端的一端，直接通过在底部设置孔洞配合大臂底座201的电动丝杆203安装槽与大臂底座201构成铰接；而电动丝杆203的伸缩端由于是一根丝杆，不容易形成铰接结构，因此本实施例设置了如图7-图9所示的三个配件，其中，控制大臂旋转静头206固定在大臂202一侧的底部，下方带有通孔；电动丝杆固定块207的一侧螺纹孔与丝杆固定连接，另两侧则也开设有通孔；凹形的控制大臂旋转动头204设置在最外侧，同样带有通孔的结构；三个配件的通孔结构通过销钉连接，相互之间构成铰接，使电动丝杆203的的丝杆一端与大臂202构成铰接，丝杆的伸缩由此转化为大臂202的摆动，该摆动的主要作用在于完成控制树木倒向的切口角度控制。

如图1、图5、图6所示，第二摆动机构包括与大臂202在第一平面构成滑槽连接的小臂底座301、与小臂底座301在第二平面构成铰接且与大臂202相互垂直的小臂302、控制小臂底座301滑动的第二动力机构、以及控制小臂302摆动的第三动力机构。在本实施例的具体方案中，第二动力机构包括相连接的第二丝杆和第二电机，第二丝杆连接小臂底座301，其中第二丝杆和第二电机的结构直接可以采用现有的电动滑轨205结构来实现，在本实施例中，电动滑轨205直接固定安装在大臂202上，小臂底座301直接安装在电动滑轨205上，通过电动滑轨205的驱动实现在大臂202上的精确滑移，该运动过程运动主要用于解决树木不同直径大小的伐木深度的行程。如图5所示，小臂底座301包括平行设置的小臂302安装槽和转轴安装槽；形如图6所示的小臂302安装在小臂302安装槽中，并构成铰接，该铰接所形成的摆动自由度所在的第二平面与大臂202摆动的第一平面垂直，该运动的作用在于在砍伐的过程中实现进刀和退刀功能。第三动力机构则具体包括相连接的转轴和舵机303；转轴穿过转轴安装槽和小臂302安装槽，在小臂底座301与小臂302的铰接点与小臂302固定连接。

用于执行砍伐动作的执行机构固定在小臂302末端，一般可以采用电锯400或油锯，本实施例具体采用80V强力锂电池充电链锯。其导板使用方便，锯树更快捷。本实施例通过常规的电器改造方式，对电锯400的启动和固定方式进行改造，启动方式由原机的手动开机改为远程控制方式启动，固定方式由原来的手持式改为快装式的固定方式。采用电锯400的具体技术参数如下：

无刷电机，80V锂电池，

充电时间 ：40分钟；

充放电次数1000次；

最大功率2kw；

链条速度：11m/s；

导板长度：18寸；

链条节距：3/8寸；

链条节数：62；

中导齿厚度：0.050；

机油箱容量：200ml；

整机重量（含5AH电池）：7.5kg；

监控模块是为了在远端实现现场树木砍伐过程的实时近距离图像监控，更加便于操作，其具体包括相连接的无线图像传输模块和旋转摄像头501，以及位于远端的显示屏。其中，如图1所示，旋转摄像头501安装在舵机303的上方，其旋转平面与大臂202所在平面平行，可以切换观察的角度；无线图像传输模块通过无线通讯技术连接显示屏，该模块涉及的设备均可以直接采用现有的远程监控相关设备，如图像传输采用的是目前技术较为成熟的5.8G无线图传，传输距离可达800～2000米，完全满足现场树木砍伐距离要求。

在控制系统方面，其基本电路模块如图10所示，其包括以本地控制器为核心的本地控制系统以及以远端控制器为核心的远端控制系统。其中，本地控制器可以采用单片机或工业PLC，用以控制本地各机构的具体指令执行、供电和通信指令的收发；远端控制器则采用Usart HMI串口屏，执行具体的参数设置，指令下法和监控操作等功能，如图11-14所示，展示了本实施例具体设计的基于Usart HMI串口屏的UI操作界面。

以上需要电控的第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构、旋转摄像头501和执行机构均分别连接本地控制器，本地控制器通过无线信号传输模块无线连接远端控制器。本地控制系统包括电源等设备均设置于挂在大臂202上的电控箱600内。

在本实施例中，无线信号传输模块采用2.4G无线模块，可杜绝高压低频的干扰，传输距离可达800～1500米。

本实施例的电源模块整体设计为三部分供电配置，一部分为电锯400为80V 5AH大容量锂电池独立供电；第二部分为24V本地主机电源，容量为10.8AH聚合物6串电池组供电；第三部分为远端12V控制端电源模块。具体如下：

(1)电锯400电池：80V 5AH大容量锂电池。

(2)电控箱600：内部采用24V 10.8AH聚合物6串电池组，分4路输出，其中3路24V为步进电机进行供电，另外1路24V接降压器24V降12V模块，输出的12V电源分2路输出，1路12V为摄像头和无线图传模块，2个12V小风扇供电，另外1路接12V降5V 供电，输出的5V电路为本地控制器的主控板模块提供电源，主控板同时对2个继电器和1个舵机303、1个无线传输模块，进行5V供电操作。

(3)远端控制端电源模块：电源分2部分，一是显示屏部分为独立电源12V 850mAH；二是控制屏电源模块：12V 8000mAH电源，直接1路接电源开关，输出到降压器12V降5V，输出的5V直接为控制屏和无线模块供电。

为了便于野外携带，本实施例装置在使用的过程中，一般将各个主要部件拆分成为3个部分，每个部件均小于12kg，单人即可携带。在使用之前可以将各个部件快速组合起来。

在使用的过程中，首先，工作负责人到达现场，根据现场树木与带电线路、建筑物距离等具体情况，选择倒树范围和伐木作业面。之后，将弧形夹具101安装在伐木作业面树干700上，用柔性抱箍102将夹具固定在树干700上，并收紧。再将旋转移动组件（小臂302与大臂202集成在一起）安装在弧形夹具101上，锁紧螺栓。之后将电锯400（无电池）安装在小臂302上，锁紧螺栓。根据不同的色标，将各电源线和控制线连接紧固。拆除电锯400链条保护套。安装电锯400电池。检查所有机械部分安装情况是否正常；检查所有接线是否无误。之后即可以进行伐木作业。

伐木过程的步骤一般如下：

(1)打开主机箱上总电源。

(2)在控制屏上点击“检查无线连接状态”按钮，测试无线连接是否正常。

(3)点击控制屏的“一键归零”按钮，将控制大臂202初始角、电锯400初始位置及电锯400俯仰角归零。

(4)升高电锯400俯仰角，使电锯400导板与树木垂直，再移动电锯400至树干700边沿。

(5)启动电锯400，正常后，设置电锯400进步量，初始可设置步进量为10mm，观察各部件无异常后，再设置50mm、100mm……逐步增加，直至深度约为树干700直径的1/4—1/3，电锯400位置归零。

(6)调高控制大臂202角度，约30-45度，移动电锯400，斜切，使树干700开一个下三角形口。

(7)“一键归零”按钮，将控制大臂202初始角、电锯400初始位置及电锯400俯仰角归零。

(8)控制电锯400在树干700开口另一侧水平砍伐，完成树木砍伐。

经过归纳，可以将通过本实施例装置执行砍伐的操作的过程总结为以下通用的方法步骤：

步骤S1：将固定机构固定在树干700的伐木作业面上；

步骤S2：将大臂底座201通过螺栓紧固在固定机构上；

步骤S3：将电锯400通过螺栓紧固在小臂302末端；

步骤S4：接电源线和控制线接好；拆除电锯400的链条保护套并安装电池；

步骤S5：打开总电源，并复位大臂202初始角、电锯400初始位置及电锯400俯仰角；

步骤S6：升高电锯400俯仰角，使电锯400导板与树木垂直，再移动电锯400至树干700边沿；

步骤S7：设置电锯400步进量，切入树干700直径的1/4—1/3深处；

步骤S8：调整大臂202角度30-45度，斜向切出，使树干700开下三角形口；切出的下三角形口的楔子状木块的斜边朝下，在电锯400链条带动及木块自身重力作用下自动脱出，形成下三角形切口；

步骤S9：复位大臂202初始角、电锯400初始位置及电锯400俯仰角之后，使电锯400导板与树木垂直，将电锯400移动至另一侧树干700边缘；

步骤S10：控制电锯400水平切入树干700。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的树木远程砍伐机械臂及使用方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种树木远程砍伐机械臂，其特征在于，包括：固定机构、第一摆动机构、第二摆动机构、执行机构、无线信号传输模块和控制系统；所述第一摆动机构包括与固定机构固定连接大臂底座、与大臂底座在第一平面构成铰接的大臂、以及控制大臂摆动的第一动力机构；所述第二摆动机构包括与大臂在第一平面构成滑槽连接的小臂底座、与小臂底座在第二平面构成铰接且与大臂相互垂直的小臂、控制小臂底座滑动的第二动力机构、以及控制小臂摆动的第三动力机构；所述第一平面与第二平面相互垂直；所述执行机构固定在小臂末端；所述控制系统包括本地控制器和远端控制器；所述第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构和执行机构分别连接本地控制器，所述本地控制器通过无线信号传输模块无线连接远端控制器；所述执行机构为电锯或油锯。

2.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：还包括相连接的无线图像传输模块和旋转摄像头；所述旋转摄像头的旋转平面与大臂所在平面平行；所述无线图像传输模块无线连接显示屏；所述旋转摄像头连接本地控制器。

3.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述固定机构包括相连接的弧形夹具和柔性抱箍；所述柔性抱箍包括：篇带和棘轮收紧器。

4.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述第一动力机构为电动丝杆；所述电动丝杆的两端分别与大臂和大臂底座分别构成铰接。

5.根据权利要求4所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述大臂底座包括相互垂直的大臂安装槽和电动丝杆安装槽。

6.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述第二动力机构包括相连接的第二丝杆和第二电机；所述第二丝杆连接小臂底座。

7.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述小臂底座包括平行设置的小臂安装槽和转轴安装槽；所述第三动力机构包括相连接的转轴和舵机；所述转轴穿过转轴安装槽和小臂安装槽，在小臂底座与小臂的铰接点与小臂固定连接。

8.根据权利要求1所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述远端控制器采用Usart HMI串口屏；所述无线信号传输模块采用2.4G无线模块。

9.根据权利要求2所述的树木远程砍伐机械臂，其特征在于：所述执行机构采用电锯；所述第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构、图像传输模块、旋转摄像头、无线信号传输模块和本地控制器通过大容量锂电池供电。

10.根据权利要求1-9其中任一所述的树木远程砍伐机械臂的使用方法，所述执行机构选用电锯，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将固定机构固定在树干的伐木作业面上；

步骤S2：将大臂底座通过螺栓紧固在固定机构上；

步骤S3：将电锯通过螺栓紧固在小臂末端；

步骤S4：接电源线和控制线接好；拆除电锯的链条保护套并安装电池；

步骤S5：打开总电源，并复位大臂初始角、电锯初始位置及电锯俯仰角；

步骤S6：升高电锯俯仰角，使电锯导板与树木垂直，再移动电锯至树干边沿；

步骤S7：设置电锯步进量，切入树干直径的1/4—1/3深处；

步骤S8：调整大臂角度30-45度，斜向切出，使树干开下三角形口；切出的下三角形口的楔子状木块的斜边朝下，在电锯链条带动及木块自身重力作用下自动脱出，形成下三角形切口；

步骤S9：复位大臂初始角、电锯初始位置及电锯俯仰角之后，使电锯导板与树木垂直，将电锯移动至另一侧树干边缘；

步骤S10：控制电锯水平切入树干。

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