CN109258243B - 一种四自由度林木除雪机器人及其除雪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度林木除雪机器人及其除雪方法。它包括运动抱爪机构、除雪抱爪机构和连接臂三部分。运动抱爪机构具有抱紧树木枝干提供支撑、沿树干轴向行走、沿树干截面旋转的功能，除雪抱爪机构具有树枝间的位置变换和结合机械和超声波振动对林木进行除雪的功能，连接臂提供了两个关节的旋转运动，使末端的除雪机构能灵活运转。使用时只需将运动抱爪机构扣接于树干上，然后通过远程遥控即可驱动机器人爬至树端的任意位置进行除雪。具有除雪效率高、工作面积大、操作便捷等优点，十分适宜于对种植于南方的大型乔木、树冠茂密树种或者珍贵树种等在冬季的除雪工作。

Description

一种四自由度林木除雪机器人及其除雪方法

技术领域

本发明涉及一种新型四自由度林木除雪机器人及其除雪方法，特别是针对南方冬季的大型乔木、树冠茂盛树木或者珍贵树种的除雪保养工作。

背景技术

近年来由于全球气候变化异常，每年南方冬季都会降大雪，而南方有很多的常绿树种，在冬天依然树冠茂密，在下雪天就会在叶片上积累厚厚的积雪，经常会压断树枝，甚至直接压断树木主干，使树木整体倒伏。不仅给珍贵的林木资源造成极大的损害，还经常发生树枝掉落砸伤行人，砸坏汽车等二次损害。而目前市面上很少有对这种树木除雪的产品，工作人员只能通过长杆型的设备直接拍打树梢的积雪来除雪，这种除雪方式有如下缺点：1、对于高大树木就需要很长的杆型机构，设备体积大。2、依靠纯机械拍打，除雪效率低，容易给树木造成二次损伤。3、工作人员劳动强度高，且站在树附近容易被掉落物砸中。

所以，目前急需一款能够高效除雪，不会给树木造成损伤，而操作人员又可以远程操控的产品。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型四自由度除雪机器人及其除雪方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种四自由度林木除雪机器人，包括运动抱爪机构、除雪抱爪机构和连接臂；其中运动抱爪机构包括抱紧电机、旋转杆、连杆、连接座、抱爪、固定滑轨、滑块、直行轮模组和旋转轮模组；除雪抱爪机构包括抱爪模组、弹簧调节器、环形弹簧、除雪杆和超声波发射器；其中抱爪模组与运动抱爪机构结构相同；连接臂包括主运动端电机、主运动端转动模组、连接杆臂、除雪端电机、除雪端转动模组和连接U型座；

连接臂的一侧和运动抱爪机构铰接形成运动关节，连接臂的另一侧和除雪抱爪机构铰接形成运动关节；抱紧电机与旋转杆连接并可带动旋转杆旋转，旋转杆的左右两边各和一根连杆铰接，两个连杆的另一端均与连接座铰接，左右两个连接座分别与一个抱爪固连；连接座还和滑块固连，滑块滑动连接在运动抱爪机构的固定滑轨上，直行轮模组和旋转轮模组设置在抱爪上；

抱爪模组连同其上的两个除雪抱爪固连组成除雪抱爪机构的主架，环形弹簧扣接在除雪抱爪上，弹簧调节器和环形弹簧连接，环形弹簧和除雪杆连接，除雪杆末端连接有超声波发射器，

连接臂上的连接杆臂的两端分别铰接有主运动端转动模组和除雪端转动模组，两个铰接处分别由主运动端电机和除雪端电机单独驱动；主运动端转动模组通过连接U型座与运动抱爪机构连接，除雪端转动模组通过连接U型座与除雪抱爪机构连接。

优选的，所述的抱爪模组包括抱紧电机、旋转杆、连杆、连接座、固定滑轨、滑块；抱紧电机与旋转杆连接并可带动旋转杆旋转，旋转杆的左右两边各和一根连杆铰接，两个连杆的另一端均与连接座铰接，左右两个连接座分别与一个除雪抱爪固连；连接座还和滑块固连，滑块滑动连接在固定滑轨上。

优选的，所述的直行轮模组和旋转轮模组均由电机和轮子组成，直行轮模组的轮子安装方向和地面垂直，旋转轮模组的轮子安装方向和地面平行，直行轮模组和旋转轮模组的旋转轴相互垂直。

优选的，超声波发射器用于产生高频振动，使雪水产生共振达到除雪目的。

优选的，除雪机器人有四个空间自由度。

优选的，所述的四自由度林木除雪机器人还包括设置在四自由度林木除雪机器人上的控制单元和无线通信模块，控制单元与运动抱爪机构、除雪抱爪机构和连接臂内的电机相连，无线通信模块与控制单元相连。

本发明还提供了一种所述四自由度林木除雪机器人的除雪方法，其包括以下步骤：

1)先将松动的抱爪松套在树干上，抱紧电机旋转带动旋转杆，旋转杆将连杆向中心拉动，连杆通过连接座在滑块的导向下将左右抱爪向中心滑动，从而抱紧树干，然后直行轮模组的轮子转动，带动机器人沿树干爬行；

2)到达枝干分叉处时，需要从一根树枝到达另一根树枝时，旋转轮模组的轮子旋转，实现机器人绕着树干的旋转运动，找到合适的转换角度；

3)步骤2)完成后，连接臂旋转，除雪抱爪机构的除雪抱爪抱住目标树枝，然后松开运动抱爪机构，在连接臂带动下，运动抱爪机构也抓住目标树枝，此时松开除雪抱爪机构将机器人主体转动到目标树枝；

4)直行轮模组的轮子转动，带动机器人沿树干爬行，抵达除雪点附近时，旋转轮模组旋转，除雪抱爪和除雪杆对累积在树枝和叶片上的积雪进行机械敲打去除，另外，超声波发射器可以产生高频的振动，使雪水产生共振，协助除雪。

本发明具有除雪效率高、工作面积大、操作便捷等优点，而且不会给树木造成损伤，操作人员又可以进行远程操控，配合控制系统，可以实现灵活地在树上的任意角落行走，十分适宜于对种植于南方的大型乔木、树冠茂密树种或者珍贵树种等在冬季的除雪工作。

附图说明

图1为本发明林木除雪机器人的示意图；

图2为本发明林木除雪机器人运动抱爪机构示意图；

图3为本发明林木除雪机器人运动抱爪机构单抱爪示意图；

图4为本发明林木除雪机器人除雪抱爪机构的示意图；

图5为本发明林木除雪机器人连接臂机构的示意图；

图中，运动抱爪机构1、除雪抱爪机构2、连接臂3、抱紧电机11、旋转杆12、连杆13、连接座14、抱爪15、固定滑轨16、滑块17、直行轮模组18、旋转轮模组19、除雪抱爪21、弹簧调节器22、环形弹簧23、除雪杆24、超声波发射器25、抱爪模组26、主运动端电机31、主运动端转动模组32、连接杆臂33、除雪端电机34、除雪端转动模组35、连接U型座36

具体实施方式

如图1所示，连接臂3的左侧和运动抱爪机构1铰接形成运动关节，连接臂3的右侧和除雪抱爪机构2铰接形成运动关节。运动抱爪机构1可以实现抱紧树木枝干提供支撑、沿树干轴向行走、沿树干截面旋转的功能，除雪抱爪机构2具有抱紧树木枝干，配合运动抱爪机构1实现树枝间的位置变换，另外还可以结合除雪抱爪的机械除雪和超声波振动除雪进行对林木的除雪，连接臂3两端关节提供了两个旋转运动，使末端的除雪机构能灵活运转。

如图2所示，抱紧电机11可带动旋转杆12旋转，旋转杆12和左右两边各一根的连杆13铰接，连杆13另一端与连接座14铰接，左右连接座14分别和抱爪15固连，如图3所示，是一侧的抱爪机构，连接座14和滑块17固连，滑块17和固定滑轨16滑动连接，抱爪上的直行轮模组18由电机和轮子组成，轮子的安装方向和地面垂直，旋转轮模组19安装方向和地面平行。直行轮模组18和旋转轮模组19的旋转轴相互垂直，且轮子的形状近似为球形。工作时，先将松动的抱爪15松套在树干上，抱紧电机11旋转带动旋转杆12，旋转杆12将连杆13向中心拉动，连杆13通过连接座14在滑块17的导向下将左右抱爪15向中心滑动，从而抱紧树干，然后直行轮模组18的轮子转动，带动机器人沿树干爬行。另外还可以通过旋转轮模组19的轮子旋转，实现机器人绕着树干的旋转运动，为后续的除雪工作提供动力。

如图4所示，除雪抱爪机构有一个和运动抱爪机构结构相同的抱爪模组26，抱爪模组26和除雪抱爪21固连，环形弹簧23扣接在除雪抱爪21上，弹簧调节器22和环形弹簧23连接，环形弹簧23和除雪杆24连接，除雪杆24末端连接有超声波发射器25。在除雪机器人需要从一根树枝到达另一根树枝时，通过除雪抱爪21抱住目标树枝，然后松开运动抱爪机构，在连接臂3带动下，将机器人主体转动到目标树枝。除雪时，在运动抱爪机构绕树枝旋转运动和连接臂3的基础上，除雪抱爪21和除雪杆24都可以对累积在树枝和叶片上的积雪进行机械敲打去除，另外，超声波发射器25可以产生频率较高的振动，使雪水产生共振，协助除雪。

如图5所示，连接臂3上的连接杆臂33的两端分别铰接有主运动端转动模组32和除雪端转动模组35，两个铰接处分别由主运动端电机31和除雪端电机34单独驱动，配合前述运动抱爪机构1的行走和旋转两个运动，实现了除雪的四自由度作业，灵活抵达空间任意方位。

Claims (6)

1.一种四自由度林木除雪机器人，其特征在于包括运动抱爪机构（1）、除雪抱爪机构（2）和连接臂（3）；

运动抱爪机构（1）包括抱紧电机（11）、旋转杆（12）、连杆（13）、连接座（14）、抱爪（15）、固定滑轨（16）、滑块（17）、直行轮模组（18）和旋转轮模组（19）；

除雪抱爪机构（2）包括除雪抱爪（21）、弹簧调节器（22）、环形弹簧（23）、除雪杆（24）、超声波发射器（25）和抱爪模组（26）；

连接臂（3）包括主运动端电机（31）、主运动端转动模组（32）、连接杆臂（33）、除雪端电机（34）、除雪端转动模组（35）和连接U型座（36）；

连接臂（3）的一侧和运动抱爪机构（1）铰接形成运动关节，连接臂（3）的另一侧和除雪抱爪机构（2）铰接形成运动关节；抱紧电机（11）与旋转杆（12）连接并可带动旋转杆（12）旋转，旋转杆（12）的左右两边各和一根连杆（13）铰接，两个连杆（13）的另一端均与连接座（14）铰接，左右两个连接座（14）分别与一个抱爪（15）固连；连接座（14）还和滑块（17）固连，滑块（17）滑动连接在运动抱爪机构（1）的固定滑轨（16）上，直行轮模组（18）和旋转轮模组（19）设置在抱爪上；

抱爪模组（26）连同两个除雪抱爪（21）固连组成除雪抱爪机构（2）的主架，环形弹簧（23）扣接在除雪抱爪（21）上，弹簧调节器（22）和环形弹簧（23）连接，环形弹簧（23）和除雪杆（24）连接，除雪杆（24）末端连接有超声波发射器（25），

连接臂（3）上的连接杆臂（33）的两端分别铰接有主运动端转动模组（32）和除雪端转动模组（35），两个铰接处分别由主运动端电机（31）和除雪端电机（34）单独驱动；主运动端转动模组（32）通过连接U型座（36）与运动抱爪机构（1）连接，除雪端转动模组（35）通过连接U型座（36）与除雪抱爪机构（2）连接。

2.根据权利要求1所述的四自由度林木除雪机器人，其特征在于所述的抱爪模组（26）包括抱紧电机（11）、旋转杆（12）、连杆（13）、连接座（14）、固定滑轨（16）、滑块（17）；抱紧电机（11）与旋转杆（12）连接并可带动旋转杆（12）旋转，旋转杆（12）的左右两边各和一根连杆（13）铰接，两个连杆（13）的另一端均与连接座（14）铰接，左右两个连接座（14）分别与一个除雪抱爪（21）固连；连接座（14）还和滑块（17）固连，滑块（17）滑动连接在固定滑轨（16）上。

3.根据权利要求1所述的四自由度林木除雪机器人，其特征在于所述的直行轮模组（18）和旋转轮模组（19）均由电机和轮子组成，直行轮模组（18）的轮子安装方向和地面垂直，旋转轮模组（19）的轮子安装方向和地面平行，直行轮模组（18）和旋转轮模组（19）的旋转轴相互垂直。

4.根据权利要求1所述的四自由度林木除雪机器人，其特征在于超声波发射器（25）用于产生高频振动，使雪水产生共振达到除雪目的。

5.根据权利要求1所述的四自由度林木除雪机器人，其特征在于还包括设置在四自由度林木除雪机器人上的控制单元和无线通信模块，控制单元与运动抱爪机构（1）、除雪抱爪机构（2）和连接臂（3）内的电机相连，无线通信模块与控制单元相连。

6.一种权利要求1所述四自由度林木除雪机器人的除雪方法，其特征在于包括以下步骤：

1)先将松动的抱爪（15）松套在树干上，抱紧电机（11）旋转带动旋转杆（12），旋转杆（12）将连杆（13）向中心拉动，连杆（13）通过连接座（14）在滑块（17）的导向下将左右抱爪（15）向中心滑动，从而抱紧树干，然后直行轮模组（18）的轮子转动，带动机器人沿树干爬行；

2)到达枝干分叉处时，需要从一根树枝到达另一根树枝时，旋转轮模组（19）的轮子旋转，实现机器人绕着树干的旋转运动，找到合适的转换角度；

3)步骤2）完成后，连接臂（3）旋转，除雪抱爪机构（2）的除雪抱爪（21）抱住目标树枝，然后松开运动抱爪机构（1），在连接臂（3）带动下，运动抱爪机构（1）也抓住目标树枝，此时松开除雪抱爪机构（2）将机器人主体转动到目标树枝；

4) 直行轮模组（18）的轮子转动，带动机器人沿树干爬行，抵达除雪点附近时，旋转轮模组（19）旋转，除雪抱爪（21）和除雪杆（24）对累积在树枝和叶片上的积雪进行机械敲打去除，另外，超声波发射器（25）可以产生高频的振动，使雪水产生共振，协助除雪。

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