一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的制作方法

本发明涉及树木整枝伐树机领域，特别是一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机。

背景技术：

中国专利201610396453.x公布了一种伐木机器人，通过四个驱动轮的移动，实现切割的定位，工作精度和柔性低，运动空间小，只能实现伐木任务；中国专利201610419380.1公开了一种用于伐木机的全液压自动伐木装置，此伐木装置由全液压元件组成，其液压元件精度要求高，液压系统制造成本高，工作寿命不长，易漏油，也只能实现伐木任务；中国专利201210335835.3公开了一种伐树截木一体机，此伐树截木机，仅用于伐树截木，不能用于树木整枝、修剪，且此伐木机只能与工程机械配合使用；中国专利201310427637.4公开了一种电动植物整枝机，此植物整枝机，仅用于植物整枝，不能用于伐木、截木。因此有必要设计一种稳定输出，柔性化，运动空间大，制造成本低，工作寿命长，维护保养简单，兼具树木整枝、伐树和木材截取功能的树木整枝伐树机。

变胞机构具有多功能阶段变化、多自由度变化等特征，可根据功能需求或环境等变化，适应不同任务，灵活应用于不同场合。将变胞机构应用于树木整枝伐树机的设计，将产生一类新型的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机，使树木整枝伐树机发挥其更大功能。

目前，尚未见到一种能够全方位调节，并兼具稳定输出和柔性化、运动空间大、工作精度高、制造成本低、维护保养简单特点，又能完成树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取功能的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的创新发明设计。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机，它能够全方位调节，并兼具稳定输出和柔性化、运动空间大、工作精度高、制造成本低维护保养简单特点，又能完成树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取功能。

本发明的技术方案是：一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机，包括倾斜调节液压缸、履带式行走系统、底盘、机架、整枝伐树截木锯组件、驱动连杆、传动连杆、输出连杆、铰链、液压缸和虎克铰，其特征在于，具体结构和连接关系为：

所述倾斜调节液压缸包括第一倾斜调节液压缸和第二倾斜调节液压缸，所述第一倾斜调节液压缸一端通过第十三铰链与底盘连接，另一端通过第十四铰链与机架连接，所述第二倾斜调节液压缸一端通过第十五铰链与底盘连接，另一端通过第十六铰链与机架连接，通过两个倾斜调节液压缸的相互作用，即第一倾斜调节液压缸伸展，第二倾斜调节液压缸压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机的三维空间内的全方位调节；

所述履带式行走系统通过转动副与底盘连接；

所述底盘一端通过第十一铰链与机架连接，另一端通过第十二铰链与机架连接；

所述整枝伐树截木锯组件包括刀锯机构、下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀；所述刀锯机构包括刀锯、滑块、导杆、第三连杆、第四连杆、曲柄、第一小型电机、电机支座、丝杆和第二小型电机，所述刀锯和滑块固性连接，滑块和导杆通过圆柱副连接，所述第三连杆一端通过转动副和滑块连接，另一端通过转动副和第四连杆连接，所述曲柄一端通过转动副和第四连杆连接，另一端通过转动副和第一小型电机连接，所述电机支座和第一小型电机固性连接，电机支座通过螺旋副和丝杆连接，所述第二小型电机通过转动副和丝杆连接；所述下夹抱机构包括螺杆、固定支座、第一连杆、活动支座、螺母和第二连杆，所述固定支座固定于整枝伐树截木锯组件上，固定支座和活动支座通过螺杆连接，螺杆的一端连接螺母，所述第一连杆一端通过转动副和固定支座连接，另一端通过转动副和第二连杆连接，所述第二连杆一端通过转动副和第一连杆连接，中部通过转动副和活动支座连接；所述滚轮末端与原动机输出轴连接，原动机与整枝伐树截木锯组件固定连接，原动机设置于整枝伐树截木锯组件内部，整枝伐树截木锯组件有两个滚轮，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树截木锯组件两侧；所述上夹抱机构和下夹抱机构结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同；所述打枝刀设置于整枝伐树截木锯组件上部，与整枝伐树截木锯组件固定连接；

所述驱动连杆包括前摇杆、中摇杆和后摇杆，所述前摇杆一端通过第九铰链与机架连接，另一端通过第七铰链与前连杆连接，所述中摇杆一端通过第六铰链与机架连接，另一端通过第三铰链与中连杆连接，所述后摇杆一端通过第五铰链与机架连接，另一端通过第四铰链与曲杆连接；

所述传动连杆包括前连杆、中连杆和曲杆，所述前连杆一端通过第七铰链与前摇杆连接，另一端通过第二铰链与曲杆连接，所述中连杆一端通过第三铰链与中摇杆连接，另一端通过第一铰链与输出连杆连接，所述曲杆一端通过第四铰链与后摇杆连接，中部通过第二铰链与前连杆连接，另一端通过第八铰链与输出连杆连接；

所述输出连杆一端通过第一铰链与中连杆连接，中部通过第八铰链与曲杆连接，另一端通过第十铰链与虎克铰连接，输出连杆通过第一球副机构与液压缸连接；

所述铰链包括第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链、第七铰链、第八铰链、第九铰链、第十铰链、第十一铰链、第十二铰链、第十三铰链、第十四铰链、第十五铰链和第十六铰链。

所述整枝伐树截木锯组件通过转动副与虎克铰连接，整枝伐树截木锯组件通过第二球副机构与液压缸连接。

所述刀锯机构在整枝伐树截木锯组件的最下方，往上依次是下夹抱机构、滚轮、上夹抱机构和打枝刀。

所述驱动连杆全部运动时，实现八连杆两自由度运动；驱动连杆为前摇杆运动时，所述中摇杆一端与后摇杆一端连接，实现四连杆单自由度运动；驱动连杆全部制动时，所述中摇杆一端与后摇杆一端连接，前摇杆两端均与机架连接，实现零自由度运动。

本发明的突出优点在于：

1.可灵活变胞，改变其运动空间，通过运动空间的叠加，实现在大运动空间内的作业，并可通过两倾斜调节液压缸的相互作用，实现三维空间内全方位倾斜作业，且驱动运动副在机架上，动态稳定性能好，工作效率高。

2.在工作过程中，可实现在面对树木整枝和伐树任务下的三种构态变换，柔性化程度高，可完成复杂树木整枝伐树动作；另外，机构由全杆件组成，制造成本低，工作寿命长，机构维护保养简单。

3.可实现在环境恶劣、地势崎岖的森林里进行树木整枝、修剪、伐树和木材分段截取作业动作。

附图说明

图1为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的第一结构示意图。

图2为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的第二结构示意图。

图3为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的零自由度时第一结构状态图。

图4为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的零自由度时第二结构状态图。

图5为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的单自由度时第一结构状态图。

图6为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的单自由度时第二结构状态图。

图7为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的两自由度时第一结构状态图。

图8为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的两自由度时第二结构状态图。

图9为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的整机倾斜两自由度时高处树木整枝第一结构状态图。

图10为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的整机倾斜两自由度时高处树木整枝第二结构状态图。

图11为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的整枝伐树截木锯组件的第一结构示意图。

图12为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的整枝伐树截木锯组件的第二结构示意图。

图13为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的下夹抱机构的结构示意图。

图14为本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的刀锯机构的结构示意图。

图中标记为：1、第一铰链；2、中连杆；3、第二铰链；4、曲杆；5、第三铰链；6、第四铰链；7、中摇杆；8、后摇杆；9、第五铰链；10、第六铰链；11、机架；12、履带式行走系统；13、输出连杆；14、前连杆；15、第七铰链；16、前摇杆；17、第八铰链；18、第九铰链；19、第一球副机构；20、液压缸；21、整枝伐树截木锯组件；22、虎克铰；23、第二球副机构；24、下夹抱机构；241、螺杆；242、固定支座；243、第一连杆；244、活动支座；245、螺母；246、第二连杆；25、刀锯机构；251、滑块；252、导杆；253、第三连杆；254、第四连杆；255、曲柄；256、第一小型电机；257、电机支座；258、丝杆；259、第二小型电机；2510、刀锯；26、滚轮；27、上夹抱机构；28、打枝刀；29、第十铰链；30、第十一铰链；31、第十二铰链；32、第十三铰链；33、第一倾斜调节液压缸；34、第十四铰链；35、第十五铰链；36、第二倾斜调节液压缸；37、第十六铰链；38、底盘。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1、图2、图3、图9、图10、图11、图12、图13和图14所示，本发明所述的一种可倾式三构态变胞树木整枝伐树机的刀锯机构，包括倾斜调节液压缸、履带式行走系统12、底盘38、机架11、整枝伐树截木锯组件21、驱动连杆、传动连杆、输出连杆13、铰链、液压缸20和虎克铰22，具体结构和连接关系为：

所述倾斜调节液压缸包括第一倾斜调节液压缸33和第二倾斜调节液压缸36，所述第一倾斜调节液压缸33一端通过第十三铰链32与底盘38连接，另一端通过第十四铰链34与机架11连接，所述第二倾斜调节液压缸36一端通过第十五铰链35与底盘38连接，另一端通过第十六铰链37与机架11连接，通过两个倾斜调节液压缸的相互作用，即第一倾斜调节液压缸33伸展，第二倾斜调节液压缸36压缩，或者相反，达到整机倾斜状态，实现树木整枝伐树机的三维空间内的全方位调节；

所述履带式行走系统12通过转动副与底盘38连接；

所述底盘38一端通过第十一铰链30与机架11连接，另一端通过第十二铰链31与机架11连接；

所述整枝伐树截木锯组件21包括刀锯机构25、下夹抱机构24、滚轮26、上夹抱机构27和打枝刀28；所述刀锯机构25包括刀锯2510、滑块251、导杆252、第三连杆253、第四连杆254、曲柄255、第一小型电机256、电机支座257、丝杆258和第二小型电机259，所述刀锯25和滑块251固性连接，滑块251和导杆252通过圆柱副连接，所述第三连杆253一端通过转动副和滑块251连接，另一端通过转动副和第四连杆254连接，所述曲柄255一端通过转动副和第四连杆254连接，另一端通过转动副和第一小型电机256连接，所述电机支座257和第一小型电机256固性连接，电机支座257通过螺旋副和丝杆258连接，所述第二小型电机259通过转动副和丝杆258连接；所述下夹抱机构24包括螺杆241、固定支座242、第一连杆243、活动支座244、螺母245和第二连杆246，所述固定支座242固定于整枝伐树截木锯组件21上，固定支座242和活动支座244通过螺杆241连接，螺杆241的一端连接螺母245，所述第一连杆243一端通过转动副和固定支座242连接，另一端通过转动副和第二连杆246连接，所述第二连杆246一端通过转动副和第一连杆243连接，中部通过转动副和活动支座244连接；所述滚轮26末端与原动机输出轴连接，原动机与整枝伐树截木锯组件21固定连接，原动机设置于整枝伐树截木锯组件21内部，整枝伐树截木锯组件21有两个滚轮26，沿竖直中心线对称分布与整枝伐树截木锯组件21两侧；所述上夹抱机构27和下夹抱机构25结构相同，其零部件和零部件之间的连接关系均相同；所述打枝刀28设置于整枝伐树截木锯组件21上部，与整枝伐树截木锯组件21固定连接；

所述驱动连杆包括前摇杆16、中摇杆7和后摇杆8，所述前摇杆16一端通过第九铰链18与机架11连接，另一端通过第七铰链15与前连杆14连接，所述中摇杆7一端通过第六铰链10与机架11连接，另一端通过第三铰链5与中连杆2连接，所述后摇杆8一端通过第五铰链9与机架11连接，另一端通过第四铰链6与曲杆4连接；

所述传动连杆包括前连杆14、中连杆2和曲杆4，所述前连杆14一端通过第七铰链15与前摇杆16连接，另一端通过第二铰链3与曲杆4连接，所述中连杆2一端通过第三铰链5与中摇杆7连接，另一端通过第一铰链1与输出连杆13连接，所述曲杆4一端通过第四铰链6与后摇杆8连接，中部通过第二铰链3与前连杆14连接，另一端通过第八铰链17与输出连杆13连接；

所述输出连杆13一端通过第一铰链1与中连杆2连接，中部通过第八铰链17与曲杆4连接，另一端通过第十铰链29与虎克铰22连接，输出连杆13通过第一球副机构19与液压缸20连接；

所述铰链包括第一铰链1、第二铰链3、第三铰链5、第四铰链6、第五铰链9、第六铰链10、第七铰链15、第八铰链17、第九铰链18、第十铰链29、第十一铰链30、第十二铰链31、第十三铰链32、第十四铰链34、第十五铰链35和第十六铰链37。

所述整枝伐树截木锯组件21通过转动副与虎克铰22连接，整枝伐树截木锯组件21通过第二球副机构23与液压缸20连接。

所述刀锯机构25在整枝伐树截木锯组件21的最下方，往上依次是下夹抱机构24、滚轮26、上夹抱机构27和打枝刀28。

工作原理及过程：

如图1和图2所示，前摇杆16绕着第九铰链18转动，由于前摇杆16和前连杆14通过第七铰链15连接，进而带动前连杆14转动，中摇杆7绕着第六铰链10转动，由于中摇杆7和中连杆2通过第三铰链5连接，进而带动中连杆2转动，后摇杆8绕着第五铰链9转动，由于后摇杆8和曲杆4通过第四铰链6连接，前连杆14和曲杆4通过第二铰链3连接，进而使曲杆4作平面运动，中连杆2与输出连杆13通过第一铰链1连接，曲杆4与输出连杆13通过第八铰链17连接，进而使输出连杆13作两自由度运动。

如图5和图6所示，第三铰链5和第四铰链6处于重叠位置时，中摇杆7和后摇杆8停止转动，前摇杆16绕着第九铰链18转动，由于前摇杆16和前连杆14通过第七铰链15连接，进而带动前连杆14转动，前连杆14和曲杆4通过第二铰链3连接，进而带动曲杆4转动，而此时曲杆4、中连杆2和输出连杆13可看做一根杆，即认为输出连杆13作单自由度运动。

如图3和4所示，第三铰链5和第四铰链6处于重叠位置时，中摇杆7和后摇杆8停止转动，前摇杆16回转至与机架11连接，前摇杆16停止转动，即实现输出连杆13零自由度运动。

如图13所示，由于驱动螺杆241转动，由于螺杆241和固定支座242和活动支座244通过螺旋副连接，进而带动活动支座244的平动，由于固定支座242和第一连杆243通过转动副连接，第二连杆246一端通过转动副和第一连杆243连接，中部通过转动副和活动支座244连接，进而带动第二连杆246的转动。

如图14所示，第二小型电机259驱动丝杆258转动，由于丝杆258和电机支座257通过螺旋副连接，进而带动电机支座257的平动，第一小型电机256驱动曲柄255转动，由于曲柄255和第四连杆254通过转动副连接，第三连杆253一端通过转动副和第四连杆254连接，一端通过转动副和滑块251连接，滑块251和导杆252通过圆柱副连接，进而带动滑块251在导杆252上的移动，由于滑块251和刀锯2510固性连接，进而带动刀锯2510的移动。

如图3、图4、图11和图12所示，通过驱动液压缸20，使液压缸20伸长，进而带动虎克铰22和整枝伐树截木锯组件21之间的转动副转动，实现整枝伐树截木锯组件2l的整体转动。

如图9和图10所示，第二倾斜调节液压缸36处于伸展状态，第一倾斜调节液压缸33处于压缩状态，机架11和底盘38通过第十一铰链30和第十二铰链31连接，产生相对转动，整机处于倾斜状态，完成三维空间内的树木整枝、修剪等工作。

如图2、图4、图6和图8所示，整枝伐树截木锯组件21处于竖直状态时，树木整枝伐树机在较低位置进行作业，可实现整棵树木伐锯功能。

如图1、图3、图5、图7、图9和图10所示，整枝伐树截木锯组件21处于水平状态，树木整枝伐树机在较低位置进行作业，可实现木材分段截取功能；在较高位置工作时，可实现树木的整枝修整功能。