本發(fā)明涉及機器人領域，特別是一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人。

背景技術：

中國專利201610396453.x公布了一種伐木機器人，通過四個驅動輪的移動，實現切割的定位，工作精度和柔性低，運動空間小，只能實現伐木任務；中國專利201610419380.1公開了一種用于伐木機的全液壓自動伐木裝置，此伐木裝置由全液壓元件組成，其液壓元件精度要求高，液壓系統(tǒng)制造成本高，工作壽命不長，易漏油，也只能實現伐木任務；中國專利201210335835.3公開了一種伐樹截木一體機，此伐樹截木機，僅用于伐樹截木，不能用于樹木整枝、修剪，且此伐木機只能與工程機械配合使用；中國專利201310427637.4公開了一種電動植物整枝機，此植物整枝機，僅用于植物整枝，不能用于伐木、截木。

變胞機構是近年來學者提出的重要概念，具有多功能階段變化、多拓撲結構變化、多自由度變化等特征，可根據功能需求或環(huán)境等變化，適應不同任務，靈活應用于不同場合。將變胞機構應用于樹木整枝伐樹機器人設計，將產生一類新型的變胞機構式樹木整枝伐樹機器人，使樹木整枝伐樹機器人更大發(fā)揮其功能。

目前，尚未見到一種能全自動化作業(yè)，并能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，兼具靈活實現三種不同構態(tài)，大工作空間特征，并且電機均安裝在機架上，減少各構件負載，使其運動高動態(tài)穩(wěn)定性，又具有自動化樹木整枝、伐樹和木材分段截取功能的雙兩和單自由度變換變胞式自動化整枝伐樹機器人的創(chuàng)新發(fā)明設計。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人，它能全自動化作業(yè)，并能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，兼具靈活實現三種不同構態(tài)，大工作空間特征，并且電機均安裝在機架上，減少各構件負載，使其運動高動態(tài)穩(wěn)定性，又具有自動化樹木整枝、伐樹和木材分段截取功能。

本發(fā)明的技術方案是：一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人，包括傳感器、驅動電機、履帶式行走系統(tǒng)、機架、驅動連桿、傳動連桿、三角架、輸出連桿、銷軸、液壓缸、虎克鉸和整枝伐木裝置，具體結構和連接關系為：

所述傳感器包括角位移傳感器、距離傳感器和位移傳感器，所述角位移傳感器包括第一角位移傳感器、第二角位移傳感器和第三角位移傳感器，第一角位移傳感器與后搖桿下端固定連接，第二角位移傳感器與中搖桿下端固定連接，第三角位移傳感器與前搖桿下端固定連接；所述距離傳感器與整枝伐木裝置下端固定連接；所述位移傳感器與整枝伐木裝置固定連接；

所述驅動電機包括第一驅動電機、第二驅動電機、第三驅動電機、第四驅動電機和第五驅動電機，第一驅動電機和機架固定連接，驅動后搖桿，第二驅動電機和機架固定連接，驅動中搖桿，第三驅動電機和機架固定連接，驅動前搖桿，第四驅動電機和電機支座固定連接，驅動曲柄，第五驅動電機和整枝伐木裝置固定連接，驅動絲桿；

所述履帶式行走系統(tǒng)通過轉動副與機架連接；

所述驅動連桿包括前搖桿、中搖桿和后搖桿，所述前搖桿一端通過第九銷軸與機架連接，另一端通過第十三銷軸與前連桿連接，所述中搖桿一端通過第七銷軸與機架連接，另一端通過第五銷軸與中連桿、三角架連接，所述后搖桿一端通過第六銷軸與機架連接，另一端通過第四銷軸與后連桿連接；

所述傳動連桿包括前連桿、支架桿、中連桿、后連桿和長桿，所述前連桿一端通過第十三銷軸與前搖桿連接，另一端通過第十一銷軸與支架桿連接，所述支架桿一端通過第八銷軸與機架連接，中部通過第十一銷軸與前連桿連接，另一端通過第十銷軸與長桿連接，所述中連桿一端通過第五銷軸與中搖桿、三角架連接，中部通過第二銷軸與三角架連接，另一端通過第一銷軸與輸出連桿連接，所述后連桿一端通過第四銷軸與后搖桿連接，另一端通過第三銷軸與長桿連接，所述長桿一端通過第三銷軸與后連桿連接，中部通過第十銷軸與支架桿連接，另一端通過第十二銷軸與輸出連桿連接；

所述三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二銷軸與中連桿連接；

所述輸出連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接，中部通過第十二銷軸與長桿連接，另一端通過第十四銷軸與虎克鉸連接，輸出連桿通過第一球副機構與液壓缸連接；所述整枝伐木裝置通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐木裝置通過第二球副機構與液壓缸連接；

所述整枝伐木裝置包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀，所述整枝伐木裝置通過轉動副與虎克鉸連接，整枝伐木裝置通過第二球副機構與液壓缸連接，所述刀鋸機構在整枝伐木裝置的最下方，往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀。

所述銷軸包括第一銷軸、第二銷軸、第三銷軸、第四銷軸、第五銷軸、第六銷軸、第七銷軸、第八銷軸、第九銷軸、第十銷軸、第十一銷軸、第十二銷軸、第十三銷軸和第十四銷軸。

所述中搖桿和中連桿為雙桿，其他連桿均為單桿。

所述三角架為兩個。

所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導桿、第三連桿、第四連桿、曲柄、第四驅動電機、電機支座、絲桿和第五驅動電機，所述刀鋸和滑塊固性連接，滑塊和導桿通過圓柱副連接，所述第三連桿一端通過轉動副和滑塊連接，另一端通過轉動副和第四連桿連接，所述曲柄一端通過轉動副和第四連桿連接，另一端通過轉動副和第四驅動電機連接，所述電機支座和第四驅動電機固性連接，電機支座通過螺旋副和絲桿連接，所述第五驅動電機通過轉動副和絲桿連接；

所述下夾抱機構包括螺桿、固定支座、第一連桿、活動支座、螺母和第二連桿，所述固定支座固定于整枝伐木裝置上，固定支座和活動支座通過螺桿連接，螺桿的一端連接螺母，所述第一連桿一端通過轉動副和固定支座連接，另一端通過轉動副和第二連桿連接，所述第二連桿一端通過轉動副和第一連桿連接，中部通過轉動副和活動支座連接；

所述滾輪末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐木裝置固定連接，原動機設置于整枝伐木裝置內部，整枝伐木裝置有兩個滾輪，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐木裝置兩側；

所述上夾抱機構和下夾抱機構結構相同，其零部件和零部件之間的連接關系均相同；

所述打枝刀設置于整枝伐木裝置上部，與整枝伐木裝置固定連接。

所述驅動連桿全部運動時，三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端通過第二銷軸與中連桿連接，實現十連桿兩自由度運動；驅動連桿全部運動時，三角架一端通過第五銷軸與中搖桿、中連桿連接，另一端第二銷軸與第三銷軸處于重疊位置時，實現十一連桿兩自由度運動；驅動連桿為前搖桿時，第三銷軸與第五銷軸處于重疊位置時，實現十連桿單自由度運動。

本發(fā)明的突出優(yōu)點在于：

1.通過傳感器和可控驅動電機，實現自動化信息采集及控制，實現樹木整枝、修剪、伐樹或者木材定量分段截取自動化作業(yè)，工作效率較高。

2.在工作過程中，能夠在兩個兩自由度和一個單自由度間靈活變換，靈活實現三種不同構態(tài)，樹木整枝伐樹機在兩種兩自由度構型時，均具有柔性化的特點，更有效地進一步增大了工作空間，并均可實現工作端高精確定位，機構單自由度時，機構穩(wěn)定性較高。高柔性化程度，使整枝伐樹機器人林場作業(yè)時，能夠適應樹木生長形態(tài)復雜多變的任意狀況，柔性靈活作業(yè)。

3.驅動控制電機均可安裝在機架上，減少了因電機裝在桿件上而造成的構件負載，動態(tài)穩(wěn)定性高；并且機構由全桿件組成，制造成本低，工作壽命長，機構維護保養(yǎng)簡單。

4.能實現復雜動作，可在環(huán)境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行自動化樹木整枝、修剪，伐樹和分段截木作業(yè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的第一結構示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的第二結構示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十連桿單自由度時第一結構狀態(tài)圖。

圖4為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十連桿單自由度時第二結構狀態(tài)圖。

圖5為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時第一結構狀態(tài)圖。

圖6為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時第二結構狀態(tài)圖。

圖7為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時第一結構狀態(tài)圖。

圖8為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時第二結構狀態(tài)圖。

圖9為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十連桿兩自由度時高處樹木整枝結構狀態(tài)圖。

圖10為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的十一連桿兩自由度時高處樹木整枝結構狀態(tài)圖。

圖11為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的整枝伐木裝置的第一結構示意圖。

圖12為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的整枝伐木裝置的第二結構示意圖。

圖13為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的下夾抱機構的結構示意圖。

圖14為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的刀鋸機構的結構示意圖。

圖15為本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人的后搖桿的結構示意圖。

圖中標記為：1、第一銷軸；2、中連桿；3、第二銷軸；4、第三銷軸；5、長桿；6、后連桿；7、三角架；8、第四銷軸；9、第五銷軸；10、后搖桿；11、中搖桿；12、第六銷軸；13、第七銷軸；14、機架；15、履帶式行走系統(tǒng)；16、支架桿；17、第八銷軸；18、第九銷軸；19、輸出連桿；20、第十銷軸；21第十一銷軸；22、第十二銷軸；23、第一球副機構；24、液壓桿；25、整枝伐木裝置；26、虎克鉸；27、第十三銷軸；28、前連桿；29、前搖桿；30、第二球副機構；31、第十四銷軸；32、刀鋸機構；321、滑塊；322、導桿；323、第三連桿；324、第四連桿；325、曲柄；326、第四驅動電機；327、電機支座；328、絲桿；329、第五驅動電機；3210、刀鋸；33、下夾抱機構；331、螺桿；332、固定支座；333、第一連桿；334、活動支座；335、螺母；336、第二連桿；34、滾輪；35、上夾抱機構；36打枝刀；37、第一驅動電機；38、第二驅動電機；39、第三驅動電機；40、第一角位移傳感器；41、第二角位移傳感器；42、第三角位移傳感器；43、距離傳感器；44、位移傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖4、圖6、圖11、圖12、圖13、圖14和圖15所示，本發(fā)明所述的一種雙兩和單自由度變換的變胞式自動化整枝伐樹機器人，包括傳感器、驅動電機、履帶式行走系統(tǒng)15、機架14、驅動連桿、傳動連桿、三角架7、輸出連桿19、銷軸、液壓缸24、虎克鉸26和整枝伐木裝置25，具體結構和連接關系為：

所述傳感器包括角位移傳感器、距離傳感器43和位移傳感器44，所述角位移傳感器包括第一角位移傳感器40、第二角位移傳感器41和第三角位移傳感器42，第一角位移傳感器40與后搖桿10下端固定連接，第二角位移傳感器41與中搖桿11下端固定連接，第三角位移傳感器42與前搖桿29下端固定連接；所述距離傳感器43與整枝伐木裝置25下端固定連接；所述位移傳感器44與整枝伐木裝置25固定連接；

所述驅動電機包括第一驅動電機37、第二驅動電機38、第三驅動電機39、第四驅動電機326和第五驅動電機329，第一驅動電機37和機架14固定連接，驅動后搖桿10，第二驅動電機38和機架14固定連接，驅動中搖桿11，第三驅動電機39和機架14固定連接，驅動前搖桿29，第四驅動電機326和電機支座327固定連接，驅動曲柄325，第五驅動電機329和整枝伐木裝置25固定連接，驅動絲桿328；

所述履帶式行走系統(tǒng)15通過轉動副與機架14連接；

所述驅動連桿包括前搖桿29、中搖桿11和后搖桿10，所述前搖桿29一端通過第九銷軸18與機架14連接，另一端通過第十三銷軸27與前連桿28連接，所述中搖桿11一端通過第七銷軸13與機架14連接，另一端通過第五銷軸9與中連桿2、三角架7連接，所述后搖桿10一端通過第六銷軸12與機架14連接，另一端通過第四銷軸8與后連桿6連接；

所述傳動連桿包括前連桿28、支架桿16、中連桿2、后連桿6和長桿5，所述前連桿28一端通過第十三銷軸27與前搖桿29連接，另一端通過第十一銷軸21與支架桿16連接，所述支架桿16一端通過第八銷軸17與機架14連接，中部通過第十一銷軸21與前連桿28連接，另一端通過第十銷軸20與長桿5連接，所述中連桿2一端通過第五銷軸9與中搖桿11、三角架7連接，中部通過第二銷軸3與三角架7連接，另一端通過第一銷軸1與輸出連桿19連接，所述后連桿6一端通過第四銷軸8與后搖桿10連接，另一端通過第三銷軸4與長桿5連接，所述長桿5一端通過第三銷軸4與后連桿6連接，中部通過第十銷軸20與支架桿16連接，另一端通過第十二銷軸22與輸出連桿19連接；

所述三角架4一端通過第五銷軸9與中搖桿11、中連桿2連接，另一端通過第二銷軸3與中連桿2連接；

所述輸出連桿19一端通過第一銷軸1與中連桿2連接，中部通過第十二銷軸22與長桿5連接，另一端通過第十四銷軸31與虎克鉸26連接，輸出連桿19通過第一球副機構23與液壓缸24連接；

所述整枝伐木裝置25包括刀鋸機構32、下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36，所述整枝伐木裝置25通過轉動副與虎克鉸26連接，整枝伐木裝置25通過第二球副機構30與液壓缸24連接，所述刀鋸機構32在整枝伐木裝置25的最下方，往上依次是下夾抱機構33、滾輪34、上夾抱機構35和打枝刀36；

所述銷軸包括第一銷軸1、第二銷軸3、第三銷軸4、第四銷軸8、第五銷軸9、第六銷軸12、第七銷軸13、第八銷軸17、第九銷軸18、第十銷軸20、第十一銷軸21、第十二銷軸22、第十三銷軸27和第十四銷軸31。

所述刀鋸機構32包括刀鋸3210、滑塊321、導桿322、第三連桿323、第四連桿324、曲柄325、第四驅動電機326、電機支座327、絲桿328和第五驅動電機329，所述刀鋸3210和滑塊321固定連接，滑塊321和導桿322通過圓柱副連接，所述第三連桿323一端通過轉動副和滑塊321連接，另一端通過轉動副和第四連桿324連接，所述曲柄325一端通過轉動副和第四連桿324連接，另一端通過轉動副和第四驅動電機326連接，所述電機支座327和第四驅動電機326固定連接，電機支座327通過螺旋副和絲桿328連接，所述第五驅動電機329通過轉動副和絲桿328連接。

所述下夾抱機構33包括螺桿331、固定支座332、第一連桿333、活動支座335、螺母335和第二連桿336，所述固定支座332固定于整枝伐木裝置25上，固定支座332和活動支座334通過螺桿331連接，螺桿331的一端連接螺母335，所述第一連桿333一端通過轉動副和固定支座332連接，另一端通過轉動副和第二連桿336連接，所述第二連桿336一端通過轉動副和第一連桿333連接，中部通過轉動副和活動支座334連接。

所述滾輪34末端與原動機輸出軸連接，原動機與整枝伐木裝置25固定連接，原動機設置于整枝伐木裝置25內部，整枝伐木裝置25有兩個滾輪34，沿豎直中心線對稱分布與整枝伐木裝置25兩側。

所述上夾抱機構35和下夾抱機構33結構相同，其零部件和零部件之間的連接關系均相同。

所述打枝刀36設置于整枝伐木裝置25上部，與整枝伐木裝置25固定連接。

工作原理及過程：

如圖3和圖4所示，機構為十連桿單自由度時，第三銷軸4和第五銷軸9處于重疊位置，后搖桿10、后連桿6和中搖桿11可看成平面四連桿機構，長桿5和中連桿2通過第五銷軸9連接，中連桿2和輸出連桿19通過第一銷軸1連接，輸出連桿19和長桿5通過第十二銷軸22連接，因此長桿5、中連桿2和輸出連桿19可看成一根桿，前搖桿29繞著第九銷軸18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉動，長桿5和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使輸出連桿19作單自由度運動。

如圖5和圖6所示，機構為十連桿兩自由度運動時，前搖桿29繞著第九銷軸18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉動，中搖桿11繞著第七銷軸13轉動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五銷軸9連接，三角架7兩端均與中連桿2連接，此時可將三角架7和中連桿2看成一根桿，進而帶動中連桿2轉動，后搖桿10繞著第六銷軸12轉動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四銷軸8連接，進而帶動后連桿6轉動，長桿5和后連桿6通過第三銷軸4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使長桿5實現平面運動，輸出連桿19和中連桿2通過第一銷軸1連接，輸出連桿19中部和長桿5通過第十二銷軸22連接，進而使輸出連桿19作兩自由度運動。

如圖7和圖8所示，機構為十一連桿兩自由度運動時，前搖桿29繞著第九銷軸18轉動，由于前連桿28和前搖桿29通過第十三銷軸27連接，進而帶動前連桿28轉動，支架桿16和前連桿28通過第十一銷軸21連接，進而帶動支架桿16繞著第八銷軸17轉動，中搖桿11繞著第七銷軸13轉動，由于中連桿2和中搖桿11通過第五銷軸9連接，進而帶動中連桿2轉動，由于三角架7和中搖桿11通過第五銷軸9連接，進而帶動三角架7轉動，后搖桿10繞著第六銷軸12轉動，由于后連桿6和后搖桿10通過第四銷軸8連接，進而帶動后連桿6轉動，第二銷軸3和第三銷軸4處于重疊位置，此時后搖桿10、后連桿6、三角架7和中搖桿11構成平面五連桿機構，長桿5和后連桿6通過第三銷軸4連接，長桿5中部和支架桿16通過第十銷軸20連接，進而使長桿5實現平面運動，輸出連桿19和中連桿2通過第一銷軸1連接，輸出連桿19中部和長桿5通過第十二銷軸22連接，進而使輸出連桿19作兩自由度運動。

如圖3、圖4、圖11和圖12所示，通過驅動液壓缸24，使液壓缸24伸長，進而帶動虎克鉸26和整枝伐木裝置25之間的轉動副轉動，實現整枝伐木裝置25的整體轉動。

如圖2、圖4、圖6和圖8所示，整枝伐木裝置25處于豎直狀態(tài)時，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業(yè)，可實現整棵樹木伐鋸功能。

如圖1、圖3、圖5、圖7、圖9和圖10所示，整枝伐木裝置25處于水平狀態(tài)，樹木整枝伐樹機器人在較低位置進行作業(yè)，可實現木材分段截取功能；在較高位置工作時，可實現樹木的整枝修整功能。

如圖4所示，第一角位移傳感器40、第二角位移傳感器41和第三角位移傳感器42分別安裝于后搖桿10、中搖桿11和前搖桿29上，第一角位移傳感器40通過調控后搖桿10的轉動角度，實現對后搖桿10的控制，第二角位移傳感器41通過調控中搖桿11的轉動角度，實現對中搖桿11的控制，第三角位移傳感器42通過調控前搖桿29的轉動角度，實現對前搖桿29的控制；距離傳感器43安裝于整枝伐木裝置21，通過測量與樹木的距離，來實現對樹木的夾抱和伐鋸；位移傳感器44安裝于整枝伐木裝置25，整枝伐木裝置25夾抱樹木，通過樹木在整枝伐木裝置25上移動的位移，來實現對木材分段截?。煌ㄟ^各傳感器的相互配合，實現樹木整枝伐樹機器人的自動化。