CN113665696A - 一种仿猴立木攀爬机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿猴立木攀爬机构，属于林业工程装备的技术领域。该立木攀爬机构包括支撑机构、机架和攀爬臂，所述支撑机构设置在所述机架上，所述机架上还设置有进行攀爬的攀爬臂，所述攀爬臂采用四组排布并形似猴子的四肢；所述支撑机构包括壁板连接块、设置在壁板连接板上的轮式柔性支撑组件，所述柔性支撑组件包括支撑轮、支撑推块和支撑弹簧；所述支撑推块与所述壁板连接块相对设置，两者之间设置支撑弹簧，所述支撑推块与所述壁板连接块相对的另一侧设置有支撑轮，所述支撑轮与立木表面配合。本发明能够提高林业作业的自动化程度，在核桃、大枣、油茶等经济林作物的林木修剪、果实采摘、病虫害防治等领域有广泛的应用前景。

Description

一种仿猴立木攀爬机构

技术领域

本发明涉及林业工程装备的技术领域，具体涉及一种仿猴立木攀爬机构。

背景技术

随着机器人技术的不断提高和完善，人们常常从自然界中寻找灵感以发明仿生机器人来解决一些难题。其中仿生爬树机器人在解决林业工程环境中的高空作业难题上有很好的效果，在核桃、大枣、油茶等经济林作物的林木修剪、果实采摘、病虫害防治等领域有广泛的应用前景。

但现有的爬树机器人大多只能实现滚动式爬升，攀爬不灵活，移动方式单一，难以实现预定目标；同时现有立木攀爬机构通常对树木直径有较高要求，导致使用不广泛；且大多数爬树设备体积大，载荷小，工作效率低，稳定性和安全性较差，因此急需一种新型立木攀爬设备来克服现有技术中的缺点与不足。

发明内容

有鉴于此，本发明根据猴子在树上能够通过四肢灵活攀爬的特点，发明一种仿猴立木攀爬机构，该立木攀爬机构除了具有较为灵活的爬树能力外，还可以作为一种爬树平台携带多种设备，满足多样化的作业需求。

为实现上述技术目的，本技术采取的技术方案具体如下：

本发明提供一种仿猴立木攀爬机构，包括支撑机构、机架和攀爬臂，所述支撑机构设置在所述机架上，用于与立木表面配合起到支撑作用；所述机架上还设置有进行攀爬的攀爬臂，所述攀爬臂采用四组排布并形似猴子的四肢；

所述支撑机构包括壁板连接块、设置在壁板连接板上的轮式柔性支撑组件，所述柔性支撑组件包括支撑轮、支撑推块和支撑弹簧；所述支撑推块与所述壁板连接块相对设置，两者之间设置支撑弹簧，所述支撑推块与所述壁板连接块相对的另一侧设置有支撑轮，所述支撑轮与立木表面配合。

进一步的，所述机架包括第一壁板、连接板、第二壁板和导向柱，所述第一壁板和第二壁板相对设置，两者之间设置连接板和导向柱；所述第一壁板和第二壁板上均设置有所述支撑机构，所述导向柱与所述攀爬臂配合。

进一步的，所述支撑机构包括设置在所述第一壁板上的第一支撑机构、和设置在所述第二壁板上的第二支撑机构；所述第一支撑机构包括第一壁板连接块、两组并列设置在所述第一壁板连接块的第一柔性支撑组件，所述第二支撑机构包括第二壁板连接块，设置在所述第二壁板连接块的第二柔性支撑组件。

进一步的，所述攀爬臂包括四组抱移行走机构，所述抱移行走机构包括第一夹紧臂、第二夹紧臂、关节扭矩电机、回转连接块、滑动连接块、上升推杆和销轴固定架；

所述销轴固定架设置在所述机架上，所述滑动连接块与所述导向柱滑动连接，所述上升推杆的两端分别铰接在所述销轴固定架和所述滑动连接块上；所述滑动连接块上设置回转连接块，所述回转连接块上设置关节扭矩电机；所述第二夹紧臂一端连接所述关节扭矩电机，另一端连接所述第一夹紧臂。

进一步的，所述抱移行走机构还包括夹紧推杆，所述夹紧推杆的一端连接第二夹紧臂的侧面，另一端连接所述第一夹紧臂的端部。

进一步的，所述回转连接块和所述关节扭矩电机之间通过肩关节旋转副连接，所述第一夹紧臂和所述第二夹紧臂之间通过肘关节旋转副连接。

进一步的，所述壁板连接块侧面设置有安装支撑弹簧的凹槽，所述支撑推块上设置连接所述支撑弹簧的连接柱；所述壁板连接块上还设置有支撑挡板，用以阻止支撑推块因受弹簧的反作用力而脱出。

进一步的，所述支撑挡板包括呈L形的第一支撑挡板和第二支撑挡板，所述支撑挡板设置在所述壁板连接块上并与所述支撑弹簧位置相对应，并设置有与所述连接柱配合的卡槽。

进一步的，所述导向柱采用两组对称设置，每组均采用两根并与所述滑动连接块滑动连接；所述第一壁板和第二壁板两者平行设置，所述导向柱分别垂直于所述第一壁板和第二壁板。

进一步的，所述导向柱、第一夹紧臂和第二夹紧臂均为空心管件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明从自然界中擅长攀爬树木的猴子身上吸取灵感，模仿猴子的四肢提供了一种仿猴立木攀爬机构，通过支撑机构、机架和攀爬臂，能够实现抱紧树干并爬升的复杂动作，克服了以往部分立木攀爬机构对抱紧直径的限制，可灵活适应不同直径树木；并通过模拟猴子爬树的步态，可躲避爬行路径上的树杈、凸起等障碍，有效避障的同时提高爬行效率，实现稳定爬升；且能携带多种设备进行作业，使用范围广泛。

(2)本发明的支撑机构通过支撑弹簧以增加攀爬机构整体的退让性，减小爬行过程中可能产生的振动，使攀爬过程更加稳定；所述支撑机构采用支撑轮，与树干直接接触以抵消俯仰力矩、稳定前进方向；所述支撑轮采用橡胶轮胎，可减小轮胎与树干间的接触应力，极大地减小对树皮的损伤。

(3)本发明的抱移行走机构采用多电动推杆协同驱动，所用电动推杆能够自锁保证夹紧力恒定，并通过杠杆放大夹紧力，防止攀爬臂与树干间的摩擦力不足。

(4)本发明的整体重量小，且预留了机架的改装空间，可用于安装不同设备以满足探测、采摘等多种作业场景，增强了其适用性、功能性和灵活性，从而更好地满足实际工作中的功能延伸要求。

附图说明

图1为本发明中一种仿猴立木攀爬机构处于爬升状态的轴测图。

图2为本发明中一种仿猴立木攀爬机构机架的轴测图。

图3为本发明中一种仿猴立木攀爬机构第一支撑机构的轴测图。

图4为本发明中一种仿猴立木攀爬机构第二支撑机构的轴测爆炸图。

图5为本发明中一种仿猴立木攀爬机构抱移行走机构的轴测图。

图6为本发明中一种仿猴立木攀爬机构处于抱紧树干状态的示意图。

附图标记说明：1-第一支撑机构、2-机架、3-第二支撑机构、4-攀爬臂、5-第一壁板、6-连接板、7-第二壁板、8-导向柱、9-第二支撑轮、10-第二支撑推块、11-第二支撑弹簧、12-第二支撑挡板、13-第二壁板连接块、14-第二支撑轮轴、15-第一支撑轮、16-第一支撑推块、17-第一支撑挡板、18-第一壁板连接块、19-第一支撑弹簧、20-第一支撑轮轴、21-第一夹紧臂、22-肘关节旋转副、23-推杆连接轴、24-夹紧推杆、25-第二夹紧臂、26-关节扭矩电机、27-肩关节旋转副、28-回转连接块、29-滑动连接块、30-上升推杆、31-销轴固定架。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种仿猴立木攀爬机构，根据猴子在树上通过四肢灵活攀爬的特点设计，并在爬行过程中模拟猴子利用四肢爬树的步态，从而能够有效躲避障碍并提高爬行效率。

所述仿猴立木攀爬机构包括支撑机构、机架2和攀爬臂4，所述机架2上设置所述支撑机构，所述支撑机构用于与立木表面配合起到支撑作用。所述机架2上还设置进行攀爬的攀爬臂4，所述攀爬臂4采用四组排布并形似猴子的四肢。

本发明实施例中，所述攀爬机构整体从仿生角度出发，所述攀爬臂4采用四组分别按左上肢、右上肢、左下肢和右下肢位置排布，形似猴子的四肢，在爬行过程中模拟猴子利用四肢爬树的步态，即位于对角线上的攀爬臂分组动作，并带动机架2向爬行方向移动，能够在有效躲避障碍的同时提高爬行效率。

如图2所示，所述机架2包括第一壁板5、连接板6、第二壁板7和导向柱8，其中第一壁板5、第二壁板7和连接板6上加工若干孔，所述第一壁板5和第二壁板7相对平行设置，两者之间设置连接板6。为了引导上升方向，并保证所述第一壁板5和第二壁板7两者连接的可靠性，所述第一壁板5和第二壁板7之间还设置导向柱8。

进一步的，所述导向柱8采用两组对称设置，每组均采用两根并与所述滑动连接块滑动连接，所述导向柱8分别垂直于所述第一壁板5和第二壁板7。

本发明实施例中，所述机架2上预留足够改装空间，并开有若干孔洞，方便进行安装和连接。

进一步的，所述支撑机构包括壁板连接块、设置在壁板连接板上的柔性支撑组件，所述柔性支撑组件包括支撑轮、支撑推块和支撑弹簧；所述支撑推块与所述壁板连接块相对设置，两者之间设置支撑弹簧，即所述支撑弹簧的一端与支撑推块的侧面连接，另一端与壁板连接块相对的侧面连接。所述支撑推块与所述壁板连接块相对的另一侧设置有支撑轮。具体的，所述支撑轮通过支撑轮轴设置在所述支撑推块上，并与立木表面配合。

进一步的，为了保证支撑弹簧工作的可靠性，所述壁板连接块侧面设置有安装支撑弹簧的凹槽，所述支撑推块上设置连接所述支撑弹簧的连接柱。所述壁板连接块上还设置有支撑挡板，用以阻止支撑推块因受弹簧的反作用力而脱出。具体的，所述支撑挡板包括呈L形的第一支撑挡板17和第二支撑挡板12，所述支撑挡板设置在所述壁板连接块上并与所述支撑弹簧位置相对应，并设置有与所述连接柱配合的卡槽，这样可以卡住支撑推块，防止其因受弹簧的反作用力而脱出。

本发明实施例中，所述支撑机构包括第一支撑机构1和第二支撑机构3，两者通过螺栓相对设置在机架2上，所述第一支撑机构1设置在所述第一壁板5上，所述第二支撑机构3设置在所述第二壁板7上。

具体的，如图2和图3所示，所述第一支撑机构1包括第一壁板连接块18、两组并列设置在所述第一壁板连接块18的第一柔性支撑组件，所述第一柔性支撑组件包括与所述第一壁板连接块18相对设置的第一支撑推块16、设置在所述第一支撑推块16上的第一支撑轮15、设置在所述第一壁板连接块18和第一支撑推块16之间的第一支撑弹簧19、以及设置在所述第一壁板连接块18上的第一支撑挡板17，所述第一支撑轮15通过第一支撑轮轴20设在所述第一支撑推块16上。

具体的，如图2和图4所示，所述第二支撑机构3包括第二壁板连接块13，设置在所述第二壁板连接块13的第二柔性支撑组件，所述第二柔性支撑组件包括与所述第二壁板连接块13相对设置的第二支撑推块10、设置在所述第二支撑推块10上的第二支撑轮9、设置在所述第二壁板连接块13和第二支撑推块10之间的第二支撑弹簧11、以及设置在所述第二壁板连接块13上的第二支撑挡板12，所述第二支撑轮9通过第二支撑轮轴14设在所述第二支撑推块10上。

本发明实施例中，所述支撑轮采用橡胶轮胎，可以减少俯仰力矩稳定重心的同时，减小轮胎与树干间的接触应力，能极大地减小对树皮的损伤。

本发明实施例中，所述第一支撑机构1和第二支撑机构3均为轮式柔性支撑结构，即两者的柔性支撑组件采用支撑轮和支撑弹簧，通过支撑轮与树干直接接触以抵消俯仰力矩、稳定前进方向。通过支撑弹簧使攀爬机构整体具有一定的退让性以增大爬行过程中的稳定性，所述支撑弹簧的形变量可在20mm～50mm内选择。所述第一支撑机构1采用两组第一柔性支撑组件并列设置，可以保证其支撑作用的可靠性和整体机构爬行的稳定性。

如图5所示，本发明实施例中的攀爬臂4包括4组具有相同结构的抱移行走机构，并分别按左上肢、右上肢、左下肢和右下肢的位置进行排布。所述抱移行走机构包括第一夹紧臂21、推杆连接轴23、第二夹紧臂25、关节扭矩电机26、回转连接块28、滑动连接块29、上升推杆30和销轴固定架31。

所述销轴固定架31上开有通孔并与机架2通过螺栓连接固定，所述滑动连接块29与所述导向柱8滑动连接。所述上升推杆30的一端通过推杆连接轴23与销轴固定架31铰接，另一端开有通孔并与滑动连接块29通过推杆连接轴23铰接。所述回转连接块28一端通过双头螺栓与滑动连接块29连接，另一端与关节扭矩电机26回转连接。所述第二夹紧臂25一端和关节扭矩电机26通过螺栓连接，另一端与第一夹紧臂21连接。

进一步的，所述抱移行走机构还包括夹紧推杆24，所述夹紧推杆24的一端通过推杆连接轴23与第二夹紧臂25的侧面铰接，另一端开有通孔并与第一夹紧臂21的端部通过推杆连接轴23铰接。通过设置夹紧推杆24，方便第一夹紧臂21夹紧立木，也可以保证抱移行走机构工作的可靠性。

进一步的，为了保证连接的可靠性，所述回转连接块28与所述关节扭矩电机26之间通过肩关节旋转副27连接，所述第二夹紧臂25与第一夹紧臂21之间通过肘关节旋转副22连接。

进一步的，所述导向柱8、第一夹紧臂21和第二夹紧臂25均为空心管件，可以减轻攀爬机构整体重量，保证其攀爬的稳定性。

本发明实施例中，所述抱移行走机构中的夹紧推杆24和上升推杆30均为电动推杆，即采用多电动推杆进行协同作业，通过上升推杆30推动相铰接的滑动连接块29，带动滑动连接块29沿导向柱8方向移动一定距离，并通过夹紧推杆24与关节扭矩电机26驱动第二夹紧臂25和第一夹紧臂21完成抱紧或松开树干的动作。

本发明实施例中，所述夹紧推杆24和上升推杆30可自锁，最大可输出力250N，工作行程可在100mm～300mm范围内选择，摆动角度为5°～15°。

如图1和图6所示，本发明提供的仿猴立木攀爬机构的工作过程为：

操控人员将所述仿猴立木攀爬机构放置于方便安放的立木高度，并开启工作模式；操控人员可采用遥控的方式进行操控。

所述仿猴立木攀爬机构进行抱紧动作时，所述抱移行走机构的上升推杆30处于锁紧状态，则攀爬臂4的高度确定；关节扭矩电机26工作，输出的扭矩传递给第二夹紧臂25使其转动一定角度以夹紧树干。夹紧推杆24工作，推杆伸出一定距离使第一夹紧臂21转动，并通过杠杆作用对树干施加夹紧力。第一夹紧臂21施加压力达到预定值时，夹紧推杆24自锁以维持夹紧力。第二支撑机构3顶住树干，抵消攀爬机构整体的俯仰力矩。

所述仿猴立木攀爬机构在爬行过程中模拟猴子利用四肢爬树的步态，当对角线上两组攀爬臂4移动一定距离并夹紧树干后，另两组攀爬臂4松开树干；此时两组夹紧攀爬臂4的上升推杆30收回，通过与机架2连接的销轴固定架31将攀爬机构整体上拉一定距离，被上拉的两组攀爬臂4再次执行夹紧动作，则所述仿猴立木攀爬机构再次进入抱紧状态，完成一次爬行步态。

在爬行过程中，通过实时调节关节扭矩电机26和夹紧推杆24输出大小来控制攀爬臂4的抱紧或松开动作；当爬行方向有枝条或凸起等障碍物时，上升推杆30动作，前端推杆伸出并推动滑动连接块29沿导向柱8方向移动，带动攀爬臂4沿爬行方向移动一定距离以越过障碍处。第一支撑机构1和第二支撑机构3通过对应的支撑轮抵消俯仰力矩并保证爬行方向，两者对应的支撑弹簧使攀爬机构整体具有一定的退让性，以平稳度过树干表面凹凸处，保证爬行过程中的稳定性。至此，所述仿猴立木攀爬机构便完全可以在树上爬行。

本实施例中未明确描述的结构、方法均可由现有技术加以实现。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿猴立木攀爬机构，其特征在于：包括支撑机构、机架和攀爬臂，所述支撑机构设置在所述机架上，用于与立木表面配合起到支撑作用；所述机架上还设置有进行攀爬的攀爬臂，所述攀爬臂采用四组排布并形似猴子的四肢；

所述支撑机构包括壁板连接块、设置在壁板连接板上的轮式柔性支撑组件，所述柔性支撑组件包括支撑轮、支撑推块和支撑弹簧；所述支撑推块与所述壁板连接块相对设置，两者之间设置支撑弹簧，所述支撑推块与所述壁板连接块相对的另一侧设置有支撑轮，所述支撑轮与立木表面配合。

2.根据权利要求1所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述机架包括第一壁板、连接板、第二壁板和导向柱，所述第一壁板和第二壁板相对设置，两者之间设置连接板和导向柱；所述第一壁板和第二壁板上均设置有所述支撑机构，所述导向柱与所述攀爬臂配合。

3.根据权利要求1所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述支撑机构包括设置在所述第一壁板上的第一支撑机构、设置在所述第二壁板上的第二支撑机构；所述第一支撑机构包括第一壁板连接块、两组并列设置在所述第一壁板连接块的第一柔性支撑组件，所述第二支撑机构包括第二壁板连接块，设置在所述第二壁板连接块的第二柔性支撑组件。

4.根据权利要求1所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述攀爬臂包括四组抱移行走机构，所述抱移行走机构包括第一夹紧臂、第二夹紧臂、关节扭矩电机、回转连接块、滑动连接块、上升推杆和销轴固定架；

所述销轴固定架设置在所述机架上，所述滑动连接块与所述导向柱滑动连接，所述上升推杆的两端分别铰接在所述销轴固定架和所述滑动连接块上；所述滑动连接块上设置回转连接块，所述回转连接块上设置关节扭矩电机；所述第二夹紧臂一端连接所述关节扭矩电机，另一端连接所述第一夹紧臂。

5.根据权利要求4所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述抱移行走机构还包括夹紧推杆，所述夹紧推杆的一端连接第二夹紧臂的侧面，另一端连接所述第一夹紧臂的端部。

6.根据权利要求4所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述回转连接块和所述关节扭矩电机之间通过肩关节旋转副连接，所述第一夹紧臂和所述第二夹紧臂之间通过肘关节旋转副连接。

7.根据权利要求1所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述壁板连接块侧面设置有安装支撑弹簧的凹槽，所述支撑推块上设置连接所述支撑弹簧的连接柱；所述壁板连接块上还设置有支撑挡板，用以阻止支撑推块因受弹簧的反作用力而脱出。

8.根据权利要求7所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述支撑挡板包括呈L形的第一支撑挡板和第二支撑挡板，所述支撑挡板设置在所述壁板连接块上并与所述支撑弹簧位置相对应，并设置有与所述连接柱配合的卡槽。

9.根据权利要求2所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述导向柱采用两组对称设置，每组均采用两根并与所述滑动连接块滑动连接；所述第一壁板和第二壁板两者平行设置，所述导向柱分别垂直于所述第一壁板和第二壁板。

10.根据权利要求4所述的仿猴立木攀爬机构，其特征在于：所述导向柱、第一夹紧臂和第二夹紧臂均为空心管件。

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