一种高直杆爬树修枝机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种高直杆爬树修枝机器人。

背景技术

高直杆树木修枝是林业生产中的一项非常重要的工作，对树木的生长、成材具有重要的作用，在电网系统，电网线路的维护也需要对高直杆树木进行修枝截枝。在当今机械自动化生产普遍的大环境下，市场急需一款能够实现修枝工作的机器人来代替大量人工劳力。爬树修枝机器人主要实现攀爬和修枝两个动作，以替代人们在高空复杂环境中从事危险工作为目标。目前爬树修枝机器人主要集中在德国、日本、中国、欧洲，其他地区也有部分研究成果，总体来看爬树修枝机器人技术的研究尚在起步阶段，现有的爬树机器人普遍存在动力分配不合理、无法实现爬行与锯切状态的及时调整、容易出现卡锯现象、攀爬过程中夹紧力不足、容易打滑下落等问题，有必要对其进行深入研究。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的是提供一种动力分配合理、能够实现良好攀爬、夹紧力足的高直杆爬树修枝机器人。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是，一种高直杆爬树修枝机器人，包括壳体、驱动部、修剪部，所述驱动部、修剪部固定于所述壳体，包括传感修正组件，所述驱动部包括多个驱动轮组件、直线导向组件、夹紧组件，

所述驱动轮组件包括轮子、驱动电机、轮子支撑件、法兰支撑柱、第一铰链座、第二铰链座、销轴，所述第一铰链座与第二铰链座通过销轴转动连接，所述法兰支撑柱一端固定于所述第一铰链座、另一端固定于所述轮子支撑件，所述轮子转动设置在所述轮子支撑件上，所述驱动电机的输出轴与所述轮子的轴心固定连接。

所述直线导向组件包括第一导杆座、第二导杆座、内轴、导向轴，所述内轴一端固定于所述第一导杆座、一端滑动设置于所述导向轴内，所述导向轴一端固定于所述第二导杆座上、另一端套设在所述内轴上。

所述夹紧组件包括头部安装座、勾头、旋转销、限位板、推杆接头、电动推杆、底部安装座，所述电动推杆一端固定于所述底部安装座、另一端固定于所述推杆接头，所述限位板固定于所述头部安装座，所述勾头通过所述旋转销与所述头部安装座转动连接，所述推杆接头活动设置在所述勾头内。

所述修剪部包括滑台步进电机、直线滑台、电锯安装板、电锯、旋转直流电机、旋转支撑板，所述滑台步进电机驱动所述直线滑台滑动，所述旋转支撑板固定设置于所述直线滑台上，所述电锯固定于所述电锯安装板上，所述旋转直流电机固定于所述旋转支撑板上，所述旋转直流电机驱动所述电锯旋转。

所述传感修正组件包括激光测距传感器、漫反射传感器、红外激光安全光幕、可视化两轴云台、压力传感器。

上述技术方案中，还包括有从动轮组件，从动轮组件包括轮子、驱动电机、轮子支撑件、法兰支撑柱、第一铰链座、第二铰链座、销轴，所述第一铰链座与第二铰链座通过销轴转动连接，所述法兰支撑柱一端固定于所述第一铰链座、另一端固定于所述轮子支撑件，所述轮子转动设置在所述轮子支撑件上。

优选的技术方案，所述导向轴一端设置有自润滑塑料轴套，所述自润滑塑料轴套内设置有润滑剂。

优选的技术方案，所述壳体包括两个相对设置的半包围钢构件，包括第一半包围钢构件、第二半包围钢构件，多个所述驱动轮组件通过氮气弹簧固定于所述第一半包围钢构件、第二半包围钢构件上，所述夹紧组件、直线导向组件一端固定于所述第一半包围钢构件上、另一端固定于所述第二半包围钢构件上，所述修剪部固定于所述第二半包围钢构件上。

优选的技术方案，所述可视化两轴云台固定于所述第一半包围钢构件上表面，所述激光测距传感器固定于所述第二半包围钢构件下部，所述红外激光安全光幕固定于所述第一半包围钢构件上表面，所述红外激光安全光幕的发射方向为正对所述第二半包围钢构件，所述漫反射传感器固定于所述第二半包围钢构件上表面，所述压力传感器固定于所述底部安装座的底面。

本发明的工作原理：

第一半包围钢构件、第二半包围钢构件通过多组夹紧组件和直线导向组件相互连接在一起形成闭合环抱结构。第一半包围钢构件、第二半包围钢构件还倾斜安装了两组驱动轮组件和两组从动轮组件，驱动轮组件、从动轮组件通过氮气弹簧与第一半包围钢构件、第二半包围钢构件连接。夹紧组件收缩或者伸长时，直线导向组件跟随收缩或者伸长，带动半包围钢构件相互靠近或者远离，半包围钢构件上安装的主动轮组件和从动轮组件也跟随靠近和远离，实现对树的抱紧和松开。

由于两个半包围构件上的主动轮组件和从动轮组件和水平方向成一定角度倾斜安装，抱紧树干后形成了一个升角，驱动轮转动时，可实现整个装置的螺旋式爬升或者下降。第二半包围构件上安装有修剪部，在爬树过程中实现对树枝的修剪。

同时，机器人还配置有激光测距传感器、漫反射传感器、红外激光安全光幕、可视化两轴云台、压力传感器等多个传感器，分别实现高度测量，侧枝测量，树直径测量、设备上方实时观测、压力反馈自动抱紧树干等功能，通过多传感器融合，可以实现自动攀爬修枝功能。

本发明的优点是：

1、本发明能够高效完成速生林修枝维护工作，提高爬树修枝的工作效率，替代人工进行高空修枝作业，降低了高空作业风险，对于电网运行的安全和电力供应有重要推动作用。

2、本发明的第一半包围钢构件、第二半包围钢构件上均设置有多个驱动轮组件和从动轮组件，可以更加稳定地环抱树干；

3、本发明的驱动轮组件和从动轮组件均通过氮气弹簧固定于壳体上，氮气弹簧行程变化但是弹力可以维持平稳不变，保持轮子与树干之间的恒定夹紧力，在爬树过程中，每个轮子可以单独贴近或者远离树干中心，能很好地适应树干上的凸起；

4、本发明采用多组直线导向组件，能够承受爬树过程中的形变和弯矩，增加了机器人整体的刚性。直线导向组件从侧面插入半包围的钢构件上的固定底座，然后采用肘节式销钉限位，既保证了导向机构的快速安装，也保证了导向轴不会在爬树过程中脱落；

5、本发明的传感修正组件由多台不同功能的传感器组成，能够实现高度测量，侧枝测量，树直径测量、设备上方实时观测、压力反馈自动抱紧树干等功能，通过多传感器融合，可以实现自动攀爬修枝功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明驱动轮组件结构示意图；

图3为本发明夹紧组件结构示意图；

图4为本发明直线导向机构结构示意图；

图5为本发明修剪部结构示意图；

图6为本发明法兰支撑柱结构示意图。

其中：1、驱动轮组件；2、氮气弹簧；3、第一半包围钢构件；4、夹紧组件；5、直线导向组件；7、从动轮组件；8、修剪部；9、激光测距传感器；10、漫反射传感器；11、可视化两轴云台；12、红外激光安全光幕；101、第一铰链座；102、销轴；103、第二铰链座；104、法兰支撑柱；105、轮子支撑件；106、驱动电机；107、轮子；108、偏转夹角；401、头部安装座；402、勾头；403、旋转销；404、限位板；405、推杆接头；406、电动推杆；407、底部安装座；408、压力传感器；501、第一导杆座；502、内轴；503、塑料轴套；504、导向轴；505、第二导杆座；801、滑台步进电机；802、直线滑台；803、电锯安装板；804、电锯；805、旋转直流电机；806、旋转支撑板。

具体实施方式

实施例：如图1所示，一种高直杆爬树修枝机器人，包括壳体、驱动部、修剪部8，驱动部、修剪部8固定于壳体，包括传感修正组件，驱动部包括驱动轮组件1、直线导向组件5、夹紧组件4。

如图2所示，驱动轮组件1包括轮子107、驱动电机106、轮子支撑件105、法兰支撑柱104、第一铰链座101、第二铰链座103、销轴102，第一铰链座101与第二铰链座103通过销轴102转动连接，法兰支撑柱104一端固定于第一铰链座101、另一端固定于轮子支撑件105，轮子107转动设置在轮子支撑件105上，驱动电机106的输出轴与轮子107的轴心固定连接。

从动轮组件7包括轮子107、驱动电机106、轮子支撑件105、法兰支撑柱104、第一铰链座101、第二铰链座103、销轴102，第一铰链座101与第二铰链座103通过销轴102转动连接，法兰支撑柱104一端固定于第一铰链座101、另一端固定于轮子支撑件105，轮子107转动设置在轮子支撑件105上。

从动轮组件7与驱动轮组件1相比，区别在于没有驱动电机106。

如图4所示，直线导向组件5包括第一导杆座501、第二导杆座505、内轴502、导向轴504，内轴502一端固定于第一导杆座501、一端滑动设置于导向轴504内，导向轴504一端固定于第二导杆座505上、另一端套设在内轴502上。

如图3所示，夹紧组件4包括头部安装座401、勾头402、旋转销403、限位板404、推杆接头405、电动推杆406、底部安装座407，电动推杆406一端固定于底部安装座407、另一端固定于推杆接头405，限位板404固定于头部安装座401，勾头402通过旋转销403与头部安装座401转动连接，推杆接头405活动设置在勾头402内。

如图5所示，修剪部8包括滑台步进电机801、直线滑台802、电锯安装板803、电锯804、旋转直流电机805、旋转支撑板806，滑台步进电机801驱动直线滑台802滑动，旋转支撑板806固定设置于直线滑台802上，电锯804固定于电锯安装板803上，旋转直流电机805固定于旋转支撑板806上，旋转直流电机805驱动电锯804旋转。

壳体包括两个相对设置的半包围钢构件，包括第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件，多个驱动轮组件1通过氮气弹簧2固定于第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件上，夹紧组件4、直线导向组件5一端固定于第一半包围钢构件3上、另一端固定于第二半包围钢构件上，修剪部8固定于第二半包围钢构件上。

驱动轮组件1共有四组、从动轮组件7共有四组，两组驱动轮组件1和两组从动轮组件7为一组，分别固定安装于第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件，安装时，从动轮组件7在下方，而驱动轮组件1在上方。驱动轮组件1、从动轮组件7通过铰链座固定在第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件上。

如图6所示，驱动轮组件1、从动轮组件7内的法兰支撑柱104两个法兰面有一偏转夹角108，此夹角为机器人螺旋攀爬的升角。使得驱动轮组件1、从动轮组件7和水平方向成一定角度倾斜安装，抱紧树干后形成了一个升角，驱动轮转动时，可实现机器人的螺旋式爬升或者下降。

直线导向组件5设置有四组，设置于第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件之间，直线导向组件5的第一导杆座501固定于第一半包围钢构件3上，第二导杆座505固定于第二半包围钢构件。直线导向组件5从侧面插入半包围的钢构件上固定底座，然后采用肘节式销钉限位，既保证了导向机构的快速安装，也保证了导向轴504不会在爬树过程中脱落。

导向轴504一端设置有自润滑塑料轴套503，自润滑塑料轴套503内设置有润滑剂。内轴502和导向轴504之间通过自润滑塑料轴套503连接，可以起到润滑减少摩擦的作用。

夹紧组件4的推杆接头405可以快速插进勾头402里，复位弹簧将勾头402始终固定在限位板404的位置以保证推杆接头405可以锁紧，拆卸时扒开限位块，勾头402被弹开，推杆接头405收缩，实现快速拆卸。

夹紧组件4的底部安装座407底面设置有两个压力传感器408，根据力的变化，自动实现推杆的收缩。

传感修正组件包括激光测距传感器9、漫反射传感器10、红外激光安全光幕12、可视化两轴云台11、压力传感器408。

可视化两轴云台11固定于第一半包围钢构件3上表面，激光测距传感器9固定于第二半包围钢构件下部，红外激光安全光幕12固定于第一半包围钢构件3上表面，红外激光安全光幕12的发射方向为正对第二半包围钢构件，漫反射传感器10固定于第二半包围钢构件上表面，压力传感器408固定于底部安装座407的底面。

本实施例的使用方法：

对一排影响线缆的杉木进行修剪。杉木的高度约为15米，胸径约为0.1-0.3米。

将驱动轮组件1、从动轮组件7、直线导向组件5、夹紧组件4、传感修正组件安装在第一半包围钢构件3、第二半包围钢构上，将第一半包围钢构件3、第二半包围钢构放置在杉木树干的两侧，然后直线导向组件5的内轴502插设在导向轴504内，夹紧组件4的连接推杆接头405卡在勾头402内。第一半包围钢构件3、第二半包围钢构件通过多组夹紧组件4和直线导向组件5相互连接在一起形成闭合环抱结构。

启动驱动轮组件1，由于驱动轮组件1、从动轮组件7内的法兰支撑柱104两个法兰面有一偏转夹角108，驱动轮会沿着杉木树干螺旋攀爬。当遇到树干上的凸起时，氮气弹簧2行程虽变化但是弹力可以维持平稳不变，能够保证轮子107与树干之间的恒定夹紧力，在爬树过程中，每个轮子107可以单独贴近或者远离树干中心，使得驱动轮组件1紧紧地趴在树干上。

夹紧组件4和直线导线组件，也可以进行行程的变化同时又能够紧紧地趴在树干上。

在行进过程中，激光测距传感器9对机器人的实时高度进行测量；漫反射传感器10对侧枝进行测量；红外激光安全光幕12对树干直径进行测量，从而调整夹紧组件4的力度；可视化两轴云台11对机器人上方进行实时观测，能够有效防止意外发生；压力传感器408安装在底部安装座407上，根据力的变化，自动实现推杆的收缩，以保证始终抱紧树干。

传感修正组件回传的信息指出检测到侧枝时，修剪部8的电锯804对侧枝进行修剪，修剪时直线滑台802滑动，推动电锯804进行直线运动，从而更好地修剪侧枝。传感修正组件回传信息指出树径低于0.1米时，修剪部8的旋转直流电机805驱动电锯804进行90°旋转，使电锯804处于水平位置，启动电锯804，直线滑台802滑动，推动电锯804进行直线运动，从而实现修剪顶枝。

当修剪完成后，驱动轮组件1进行反向运动，由于偏转夹角的存在，驱动轮组件1会沿着杉木树干螺旋下滑。