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一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機.pdf

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一種 具有 自由度 變換 三構態變胞式 樹木 整枝 伐樹
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摘要
申請專利號:

CN201710182171.4

申請日:

20170324

公開號:

CN106954476A

公開日:

20170718

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01G3/08,A01G23/08 主分類號: A01G3/08,A01G23/08
申請人: 廣西大學
發明人: 王汝貴,孫家興,袁吉偉,黃慕華,陳輝慶
地址: 530004 廣西壯族自治區南寧市西鄉塘區大學路100號
優先權: CN201710182171A
專利代理機構: 廣西南寧公平知識產權代理有限公司 代理人: 黃永校
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201710182171.4

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,包括伐木頭組合機構、履帶式行走系統、機架、驅動連桿、傳動連桿、輸出連桿、銷軸、液壓缸和虎克鉸,機架安裝在履帶式行走系統上,驅動連桿、傳動連桿和輸出連桿通過銷軸相互連接,驅動連桿和傳動連桿安裝在機架上,伐木頭組合機構通過液壓缸和虎克鉸安裝在輸出連桿一端,伐木頭組合機構由刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀組成。工作時,能夠實現三種自由度三種構態變換靈活變胞,通過運動空間的疊加,實現大空間作業;并且該整枝伐樹機由全桿件組成,制造成本低,工作壽命長,維護簡單。該整枝伐樹機能夠在環境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪、伐樹和分段截木作業。

權利要求書

1.一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,包括伐木頭組合機構、履帶式行走系統、機架、驅動連桿、傳動連桿、輸出連桿、銷軸、液壓缸和虎克鉸,其特征在于,具體結構和連接關系為:所述伐木頭組合機構包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀,所述刀鋸機構在伐木頭組合機構的最下方,往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀,所述伐木頭組合機構通過轉動副與虎克鉸連接,伐木頭組合機構通過第二球副機構與液壓缸連接;所述履帶式行走系統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,另一端通過第七銷軸與前連桿連接,所述中搖桿一端通過第六銷軸與機架連接,另一端通過第三銷軸與中連桿連接,所述后搖桿一端通過第五銷軸與機架連接,另一端通過第四銷軸與曲桿連接;所述傳動連桿包括前連桿、中連桿和曲桿,所述前連桿一端通過第七銷軸與前搖桿連接,另一端通過第二銷軸與曲桿連接,所述中連桿一端通過第三銷軸與中搖桿連接,另一端通過第一銷軸與輸出連桿連接,所述曲桿一端通過第四銷軸與后搖桿連接,中部通過第二銷軸與前連桿連接,另一端通過第八銷軸與輸出連桿連接;所述輸出連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接,中部通過第八銷軸與曲桿連接,另一端通過第十銷軸與虎克鉸連接,輸出連桿通過第一球副機構與液壓缸連接。2.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導桿、第三連桿、第四連桿、曲柄、第一小型電機、電機支座、絲桿和第二小型電機,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一小型電機連接,所述電機支座和第一小型電機固性連接,電機支座通過螺旋副和絲桿連接,所述第二小型電機通過轉動副和絲桿連接。3.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,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,所述固定支座固定在伐木頭組合機構上,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。4.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,所述滾輪末端與原動機輸出軸連接,原動機與伐木頭組合機構固定連接,原動機設置于伐木頭組合機構內部,伐木頭組合機構有兩個滾輪,沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構兩側。5.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,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。6.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,所述打枝刀設置于伐木頭組合機構上部,與伐木頭組合機構固定連接。7.根據權利要求1所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,其特征在于,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、第九銷軸和第十銷軸。

說明書

技術領域

本發明涉及樹木整枝伐樹機領域,特別是一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機。

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。現有有關伐樹機的設計,均功能單一,工作空間小,穩定性不足,精度低,不能根據功能需求或者環境的變化,靈活改變構型以適應不同任務和場合,柔性低。

變胞機構是近年來學者提出的重要概念,是能夠變自由度或能夠變構件數目的新型機構,這類機構除了具有類似可展機構的高度收縮和高度可展外,還能夠改變拓撲圖并導致變自由度,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,能夠根據功能需求或環境等變化,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的設計,將產生一類新型的變胞機構式樹木整枝伐樹機,使樹木整枝伐樹機發揮其更大功能。

目前尚未見到一種兼具穩定輸出和柔性化、大運動空間、高工作精度,低制造成本、工作壽命長、維護保養簡單,又具有樹木整枝、伐樹和木材截取功能的樹木整枝伐樹機的創新發明設計。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,它具有柔性化、大運動空間、高工作精度、高穩定性、低制造成本、工作壽命長、維護保養簡單等優點,又能夠以實現樹木整枝、伐樹和木材截取的功能。

本發明的技術方案是:一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機,包括伐木頭組合機構、履帶式行走系統、機架、驅動連桿、傳動連桿、輸出連桿、銷軸、液壓缸和虎克鉸,具體結構和連接關系為:

所述伐木頭組合機構包括刀鋸機構、下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀,所述刀鋸機構在伐木頭組合機構的最下方,往上依次是下夾抱機構、滾輪、上夾抱機構和打枝刀,所述伐木頭組合機構通過轉動副與虎克鉸連接,伐木頭組合機構通過第二球副機構與液壓缸連接;所述履帶式行走系統和機架通過轉動副連接;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,另一端通過第七銷軸與前連桿連接,所述中搖桿一端通過第六銷軸與機架連接,另一端通過第三銷軸與中連桿連接,所述后搖桿一端通過第五銷軸與機架連接,另一端通過第四銷軸與曲桿連接;所述傳動連桿包括前連桿、中連桿和曲桿,所述前連桿一端通過第七銷軸與前搖桿連接,另一端通過第二銷軸與曲桿連接,所述中連桿一端通過第三銷軸與中搖桿連接,另一端通過第一銷軸與輸出連桿連接,所述曲桿一端通過第四銷軸與后搖桿連接,中部通過第二銷軸與前連桿連接,另一端通過第八銷軸與輸出連桿連接;所述輸出連桿一端通過第一銷軸與中連桿連接,中部通過第八銷軸與曲桿連接,另一端通過第十銷軸與虎克鉸連接,輸出連桿通過第一球副機構與液壓缸連接。

所述刀鋸機構包括刀鋸、滑塊、導桿、第三連桿、第四連桿、曲柄、第一小型電機、電機支座、絲桿和第二小型電機,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一小型電機連接,所述電機支座和第一小型電機固性連接,電機支座通過螺旋副和絲桿連接,所述第二小型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,所述固定支座固定在伐木頭組合機構上,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,原動機與伐木頭組合機構固定連接,原動機設置于伐木頭組合機構內部,伐木頭組合機構有兩個滾輪,沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構兩側。

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。

所述打枝刀設置于伐木頭組合機構上部,與伐木頭組合機構固定連接。

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、第九銷軸和第十銷軸。

本發明突出優點在于:

1.工作過程中,能夠實現面對樹木整枝和伐樹任務下的多構態變換。整枝伐樹機兩自由度時,能夠以實現整枝或伐樹時的刀鋸的精確定位,并能夠在較大運動空間內作業;整枝伐樹機單自由度時,運動穩定性較高,便于控制;整枝伐樹機零自由度時,前搖桿回轉與機架連接,機構不工作,整體機構占的三維空間小。整枝伐樹機工作時,能夠靈活變胞,改變其運動空間,通過運動空間的疊加,實現在大運動空間內的作業。

2.柔性化程度高,林場作業時,樹木生長形態復雜多變,該樹木整枝伐樹機能夠在其復雜狀況下柔性靈活作業,并且機構由全桿件組成,制造成本低,工作壽命長,機構維護保養簡單。

3.能夠靈活變胞,改變其運動空間,通過運動空間的疊加,實現在大運動空間內的作業。

4.能實現復雜動作,能夠在環境惡劣、地勢崎嶇的森林里進行樹木整枝、修剪,伐樹、截木等作業。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的第一結構示意圖。

圖2為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的第二結構示意圖。

圖3為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的零自由度時第一結構狀態圖。

圖4為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的零自由度時第二結構狀態圖。

圖5為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的單自由度時第一結構狀態圖。

圖6為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的單自由度時第二結構狀態圖。

圖7為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的兩自由度時第一結構狀態圖。

圖8為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的兩自由度時第二結構狀態圖。

圖9為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的兩自由度時高處樹木整枝第一結構狀態圖。

圖10為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的兩自由度時高處樹木整枝第二結構狀態圖。

圖11為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的伐木頭組合機構的第一結構示意圖。

圖12為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的伐木頭組合機構的第二結構示意圖。

圖13為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的下夾抱機構的結構示意圖。

圖14為本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的刀鋸機構的結構示意圖。

圖中標記為:1、第一銷軸;2、中連桿;3、第二銷軸;4、曲桿;5、第三銷軸;6、第四銷軸;7、中搖桿;8、后搖桿;9、第五銷軸;10、第六銷軸;11、機架;12、履帶式行走系統;13、輸出連桿;14、前連桿;15、第七銷軸;16、前搖桿;17、第八銷軸;18、第九銷軸;19、第一球副機構;20、液壓缸;21、伐木頭組合機構;22、虎克鉸;23、第二球副機構;24、下夾抱機構;241、螺桿;242、固定支座;243、第一連桿;244、活動支座;245、螺母;246、第二連桿;25、刀鋸機構;251、滑塊;252、導桿;253、第三連桿;254、第四連桿;255、曲柄;256、第一小型電機;257、電機支座;258、絲桿;259、第二小型電機;2510、刀鋸;26、滾輪;27、上夾抱機構;28、打枝刀;29、第十銷軸。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施方式對本發明的技術方案作進一步描述。

如圖1、圖2、圖3、圖11、圖12、圖13和圖14所示,本發明所述的一種具有三種自由度變換的三構態變胞式樹木整枝伐樹機的刀鋸機構,包括伐木頭組合機構21、履帶式行走系統12、機架11、驅動連桿、傳動連桿、輸出連桿13、銷軸、液壓缸20和虎克鉸22,具體結構和連接關系為:

所述伐木頭組合機構21包括刀鋸機構25、下夾抱機構24、滾輪26、上夾抱機構27和打枝刀28,所述刀鋸機構25在伐木頭組合機構21的最下方,往上依次是下夾抱機構24、滾輪26、上夾抱機構27和打枝刀28,所述伐木頭組合機構21通過轉動副與虎克鉸22連接,伐木頭組合機構21通過第二球副機構23與液壓缸20連接;所述履帶式行走系統12和機架11通過轉動副連接;所述驅動連桿包括前搖桿16、中搖7和后搖桿8,所述前搖桿16一端通過第九銷軸18與機架11連接,另一端通過第七銷軸15與前連桿14連接,所述中搖桿7一端通過第六銷軸10與機架11連接,另一端通過第三銷軸5與中連桿2連接,所述后搖桿8一端通過第五銷軸9與機架11連接,另一端通過第四銷軸6與曲桿4連接;所述傳動連桿包括前連桿14、中連桿2和曲桿4,所述前連桿14一端通過第七銷軸15與前搖桿16連接,另一端通過第二銷軸3與曲桿4連接,所述中連桿2一端通過第三銷軸5與中搖桿7連接,另一端通過第一銷軸1與輸出連桿13連接,所述曲桿4一端通過第四銷軸6與后搖桿8連接,中部通過第二銷軸3與前連桿14連接,另一端通過第八銷軸17與輸出連桿13連接;所述輸出連桿13一端通過第一銷軸1與中連桿2連接,中部通過第八銷軸17與曲桿4連接,另一端通過第十銷軸29與虎克鉸22連接,輸出連桿13通過第一球副機構19與液壓缸20連接。

所述刀鋸機構25包括刀鋸2510、滑塊251、導桿252、第三連桿253、第四連桿254、曲柄255、第一小型電機256、電機支座257、絲桿258和第二小型電機259,所述刀鋸25和滑塊251固性連接,滑塊251和導桿252通過圓柱副連接,所述第三連桿253一端通過轉動副和滑塊251連接,另一端通過轉動副和第四連桿254連接,所述曲柄255一端通過轉動副和第四連桿254連接,另一端通過轉動副和第一小型電機256連接,所述電機支座257和第一小型電機256固性連接,電機支座257通過螺旋副和絲桿258連接,所述第二小型電機259通過轉動副和絲桿258連接。

所述下夾抱機構24包括螺桿241、固定支座242、第一連桿243、活動支座244、螺母245和第二連桿246,所述固定支座242固定于伐木頭組合機構21上,固定支座242和活動支座244通過螺241連接,螺桿241的一端連接螺母245,所述第一連桿243一端通過轉動副和固定支座242連接,另一端通過轉動副和第二連桿246連接,所述第二連桿246一端通過轉動副和第一連桿243連接,中部通過轉動副和活動支座244連接。

所述滾輪26末端與原動機輸出軸連接,原動機與伐木頭組合機構21固定連接,原動機設置于伐木頭組合機構21內部,伐木頭組合機構21有兩個滾輪26,沿豎直中心線對稱分布與伐木頭組合機構21兩側。

所述上夾抱機構27和下夾抱機構24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28設置于伐木頭組合機構21上部,與伐木頭組合機構21固定連接。

所述銷軸包括第一銷軸1、第二銷軸3、第三銷軸5、第四銷軸6、第五銷軸9、第六銷軸10、第七銷軸15、第八銷軸17、第九銷軸18和第十銷軸29。

工作原理及過程:

如圖1至圖3所示,前搖桿16繞著第九銷軸18轉動,由于前搖桿16和前連桿14通過第七銷軸15連接,進而帶動前連桿14轉動,中搖桿7繞著第六銷軸10轉動,由于中搖桿7和中連桿2通過第三銷軸5連接,進而帶動中連桿2轉動,后搖桿8繞著第五銷軸9轉動,由于后搖桿8和曲桿4通過第四銷軸6連接,前連桿14和曲桿4通過第二銷軸3連接,進而使曲桿4作平面運動,中連桿2與輸出連桿13通過第一銷軸1連接,曲桿4與輸出連桿13通過第八銷軸17連接,進而使輸出連桿13作兩自由度運動。

如圖5和圖6所示,第三銷軸5和第四銷軸6處于重疊位置時,中搖桿7和后搖桿8停止轉動,前搖桿16繞著第九銷軸18轉動,由于前搖桿16和前連桿14通過第七銷軸15連接,進而帶動前連桿14轉動,前連桿14和曲桿4通過第二銷軸3連接,進而帶動曲桿4轉動,而此時曲桿4、中連桿2和輸出連桿13能夠看做一根桿,即認為輸出連桿13作單自由度運動。

如圖3和4所示,第三銷軸5和第四銷軸6處于重疊位置時,中搖桿7和后搖桿8停止轉動,前搖桿16回轉至與機架11連接,前搖桿16停止轉動,即實現輸出連桿13零自由度運動。

如圖13所示,由于驅動螺桿241轉動,由于螺桿241和固定支座242和活動支座244通過螺旋副連接,進而帶動活動支座244的平動,由于固定支座242和第一連桿243通過轉動副連接,第二連桿246一端通過轉動副和第一連桿243連接,中部通過轉動副和活動支座244連接,進而帶動第二連桿246的轉動。

如圖14所示,第二小型電機259驅動絲桿258轉動,由于絲桿258和電機支座257通過螺旋副連接,進而帶動電機支座257的平動,第一小型電機256驅動曲柄255轉動,由于曲柄255和第四連桿254通過轉動副連接,第三連桿253一端通過轉動副和第四連桿254連接,一端通過轉動副和滑塊251連接,滑塊251和導桿252通過圓柱副連接,進而帶動滑塊251在導桿252上的移動,由于滑塊251和刀鋸2510固性連接,進而帶動刀鋸2510的移動。

如圖3、圖4、圖11和圖12所示,通過驅動液壓缸20,使液壓缸20伸長,進而帶動虎克鉸22和伐木頭組合機構21之間的轉動副轉動,實現伐木頭組合機構21的整體轉動。

如圖2、圖4、圖6和圖8所示,伐木頭組合機構21處于豎直狀態時,樹木整枝伐樹機在較低位置進行作業,能夠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,伐木頭組合機構21處于水平狀態,樹木整枝伐樹機在較低位置進行作業,能夠實現木材分段截取功能;在較高位置工作時,能夠實現樹木的整枝修整功能。

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