本發(fā)明涉及機器人設計領域，特別是一種具有變胞功能的步進式爬樹機器人。

背景技術：

隨著機器人技術水平的不斷提高，仿生機器人的應用漸為廣泛，其中仿生爬樹機器人的應用在樹木整枝、病害防治、蟲害防治、果實采摘、野外探測監(jiān)控等方面也日益增多，現(xiàn)有爬樹機器人主要有仿蛇形纏繞機器人，上下伸縮式機器人，翻轉式機器人等，存在驅動元件眾多，運動速度慢，負載能力小，而且對不同直徑樹木通用性差等問題，不能很好實現(xiàn)爬樹及工作任務。

中國專利zl2012103468033公開了一種四足攀爬機器人，該機器人利用自重自鎖，而且每個抱緊臂都安裝三個電機，驅動較復雜，總體運動速度也較慢，不具適用性；中國專利cn105963931a公布了一種新型自動化爬樹設備，該專利利用液壓缸收縮履帶實現(xiàn)爬動，利用弧形桿件實現(xiàn)抱緊，在實際作業(yè)時，只適用于等截面直挺樹木，樹木粗細變化時不能完成抱緊，應用非常局限。其他公開的有關爬樹機器人的專利基本與上述兩類專利類似。

目前，未見有驅動簡單，爬樹可靠安全，又能適應不同直徑、不同形狀樹木的步進式爬樹機器人。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有變胞功能的步進式爬樹機器人，它能克服現(xiàn)有爬樹機器人的不足，機械腿驅動電機單獨驅動時，便能實現(xiàn)復雜爬樹抱樹運動，驅動簡單；機械腿與樹干有傾斜角度，利用驅動力的反作用力便可實現(xiàn)鎖死，爬樹工作安全可靠；機器人爬樹過程中，轉換自由度，可以改變抱緊角度，實現(xiàn)機器人靈活適應樹木直徑的變化；模擬動物身體構造，使爬樹機器人靈活適應不同形狀樹木。

本發(fā)明通過以下技術方案達到上述目的：一種具有變胞功能的步進式爬樹機器人，包括機械腿系統(tǒng)和機架桿組件，具體結構和連接關系為：

所述機械腿系統(tǒng)包括第一機械腿系統(tǒng)、第二機械腿系統(tǒng)、第三機械腿系統(tǒng)和第四機械腿系統(tǒng)，所述第一機械腿系統(tǒng)包括驅動搖桿、從動搖桿、連桿、機械腿驅動電機、連接架、滑套、滑套驅動液壓缸、機械腿驅動液壓缸、機械腿、固定爪、弧形限位滑槽和滾動軸承，所述驅動搖桿一端與連桿連接，另一端與機械腿驅動電機固定連接，機械腿驅動電機與第一桿連接，并驅動驅動搖桿相對第一桿轉動，從動搖桿一端與連桿連接，另一端與第一桿連接，連接架既與連桿連接，又與滑套通過圓柱副連接，還與機械腿驅動液壓缸連接，所述滑套與滑套驅動液壓缸連接，所述機械腿驅動液壓缸與機械腿連接，所述滑套驅動液壓缸與第一桿連接，所述固定爪與連接架固定連接，所述從動搖桿下方安裝了滾動軸承，滾動軸承在弧形限位滑槽內運動，弧形限位滑槽固定在第一桿下方，第二機械腿系統(tǒng)、第三機械腿系統(tǒng)和第四機械腿系統(tǒng)與第一機械腿系統(tǒng)結構及連接關系相同；

所述機架桿組件包括第一桿、第二桿、第三桿、第四桿、第五桿、第六桿、第七桿和第八桿，第一桿與第二桿通過第一虎克鉸連接，第二桿與第三桿通過第二鉸鏈連接，第三桿與第四桿通過連架桿第一驅動電機連接，第四桿與第五桿通過第三鉸鏈連接，第五桿與第六桿通過第二虎克鉸連接，第六桿與第七桿通過第四鉸鏈連接，第七桿與第八桿通過連架桿第二驅動電機連接，第八桿與第一桿通過第一鉸鏈連接，連架桿第一驅動液壓缸一端與第一桿連接，另一端與第二桿通過第三虎克鉸連接，連架桿第二驅動液壓缸一端與第六桿連接，另一端與第五桿通過第四虎克鉸連接，連架桿第三驅動液壓缸一端與第一桿連接，另一端與第八桿連接，連架桿第四驅動液壓缸一端與第六桿連接，另一端與第七桿連接，連架桿第五驅動液壓缸一端與第五桿連接，另一端與第四桿連接，連架桿第六驅動液壓缸一端與第二桿連接，另一端與第三桿連接。

所述弧形限位滑槽圓弧對應角度為100-105°，所述機械腿與連接架安裝角度為45-50°。

本發(fā)明的突出優(yōu)點在于：

1.步進式爬樹機器人在爬樹過程中，機械腿可以實現(xiàn)兩自由度和單自由度的轉變，屬于變自由度變胞結構，具有多功能階段變化、多拓撲結構變化、多自由度變化特征，使機械腿在爬樹過程中完成復雜的動作。爬樹過程中，根據(jù)步態(tài)要求不同，單自由度工作時可以實現(xiàn)相對樹干向上抱緊或者向上放松等運動，兩個自由度工作時，可以使機械腿在機器人向上運動時保持抱緊，又能改變抱緊角度，適應不同直徑樹木。

2.步進式爬樹機器人，驅動簡單，電機單獨驅動時，便能靈活模仿動物爬樹動作，機械腿能實現(xiàn)相對樹干由抱緊到向上放松，再到向上抱緊樹干的復雜動作，同時依靠驅動力的反作用力實現(xiàn)機械腿在樹干上的鎖死，爬樹工作安全可靠。

3.機架桿組件中的兩個虎克鉸及其驅動裝置，在實際爬樹時，更好模擬動物身體結構，實現(xiàn)多方位轉向、避障、改變重心，能適應不同形狀的樹木。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的步進式爬樹機器人的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的驅動搖桿與第一桿垂直時狀態(tài)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的機械腿相對第一桿向上運動的極限狀態(tài)示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的機械腿相對第一桿向下運動的極限狀態(tài)示意圖。

圖5為本發(fā)明所述的機械腿向上爬樹時末端運動軌跡的示意圖。

圖6為本發(fā)明所述的具有變胞功能的步進式爬樹機器人的第一步爬樹步態(tài)示意圖。

圖7為本發(fā)明所述的具有變胞功能的步進式爬樹機器人的第二步爬樹步態(tài)示意圖。

圖8為本發(fā)明所述的連接架示意圖。

圖9為本發(fā)明所述的弧形限位滑槽示意圖。

附圖中各標記所代表的含義：

1：第一鉸鏈；2：第八桿；3：連架桿第二驅動電機；4：第七桿；5：第四鉸鏈；6：第六桿；7：第二虎克鉸；8：第五桿；9：第三鉸鏈；10：第四桿；11：連架桿第一驅動電機；12：第三桿；13：第二鉸鏈；14：第二桿；15：第一虎克鉸；16：第一桿；17：機械腿；18：弧形限位滑槽；19：滾動軸承；20：固定爪；21：連架桿第一驅動液壓缸；22：第三虎克鉸；23：連架桿第二驅動液壓缸；24：第四虎克鉸；25：連架桿第三驅動液壓缸；26：連架桿第四驅動液壓缸；27：連架桿第五驅動液壓缸；28：連架桿第六驅動液壓缸；29：機械腿驅動液壓缸；30：機械腿驅動電機；31：驅動搖桿；32：連桿；33：連接架；34：滑套；35：從動搖桿；36：滑套驅動液壓缸；37：樹木。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，均屬于本發(fā)明保護的范圍。

對照圖1、圖2、圖8、和圖9，本發(fā)明所述的具有變胞功能的步進式爬樹機器人，包括機械腿系統(tǒng)和機架桿組件，具體結構和連接關系為：

所述機械腿系統(tǒng)包括第一機械腿系統(tǒng)、第二機械腿系統(tǒng)、第三機械腿系統(tǒng)和第四機械腿系統(tǒng)，所述第一機械腿系統(tǒng)包括驅動搖桿31、從動搖桿35、連桿32、機械腿驅動電機30、連接架33、滑套34、滑套驅動液壓缸36、機械腿驅動液壓缸29、機械腿17、固定爪20、滾動軸承19和弧形限位滑槽18，驅動搖桿31一端與連桿32通過轉動副連接，另一端與機械腿驅動電機30固定連接，機械腿驅動電機30與第一桿16通過轉動副連接，并驅動驅動搖桿31相對第一桿16轉動，從動搖桿35一端與連桿32連接，另一端與第一桿16連接，連接架33既與連桿32連接，又與滑套34通過圓柱副連接，還與機械腿驅動液壓缸29連接，所述滑套34與滑套驅動液壓缸36連接，所述機械腿驅動液壓缸29與機械腿17連接，所述滑套驅動液壓缸36與第一桿16連接，所述固定爪20與連接架33固定連接，所述從動搖桿35下方安裝了滾動軸承19，滾動軸承19在弧形限位滑槽18內運動，弧形限位滑槽18固定在第一桿16下方，第二機械腿系統(tǒng)、第三機械腿系統(tǒng)、第四機械腿系統(tǒng)與第一機械腿系統(tǒng)結構及連接關系相同；

所述機架桿組件包括第一桿16、第二桿14、第三桿12、第四桿10、第五桿8、第六桿6、第七桿4和第八桿2，第一桿16與第二桿14通過第一虎克鉸15連接，第二桿14與第三桿12通過第二鉸鏈13連接，第三桿12與第四桿10通過連架桿第一驅動電機11連接，第四桿10與第五桿8通過第三鉸鏈9連接，第五桿8與第六桿6通過第二虎克鉸7連接，第六桿6與第七桿4通過第四鉸鏈5連接，第七桿4與第八桿2通過連架桿第二驅動電機3連接，第八桿2與第一桿16通過第一鉸鏈1連接，連架桿第一驅動液壓缸21一端與第一桿16連接，另一端與第二桿14通過第三虎克鉸22連接，連架桿第二驅動液壓缸23一端與第六桿6連接，另一端與第五桿8通過第四虎克鉸24連接，連架桿第三驅動液壓缸25一端與第一桿16連接，另一端與第八桿2連接，連架桿第四驅動液壓缸26一端與第六桿6連接，另一端與第七桿4連接，連架桿第五驅動液壓缸27一端與第五桿8連接，另一端與第四桿10連接，連架桿第六驅動液壓缸28一端與第二桿14連接，另一端與第三桿12連接。

所述弧形限位滑槽18圓弧對應角度為100-105°，所述機械腿17與連接架33安裝角度為45-50°。

工作原理及過程：

對照圖2、圖3、圖4和圖5，驅動搖桿31與連桿32垂直時，滑套34滑動到連接架33的中間；機械腿驅動電機30單獨作用效果，如由圖2所示狀態(tài)轉變?yōu)閳D3所示狀態(tài)，可以實現(xiàn)機械腿17相對第一桿16向上同時抱緊樹干的運動，如作用效果由圖4所示狀態(tài)轉變?yōu)閳D2所示狀態(tài)，可以實現(xiàn)機械腿17相對第一桿16向上同時放松樹干的運動，即作用效果由圖4轉變?yōu)閳D2再轉變?yōu)閳D3所示狀態(tài)時，機械腿17相對于第一桿16，由抱緊做向上放松運動再做向上抱緊運動，反之作用效果由圖3所示轉變?yōu)閳D2再轉變?yōu)閳D4所示狀態(tài)，實現(xiàn)了機械腿17相對于第一桿16由抱緊狀態(tài)到向下放松再到向下抱緊的運動，也是機械腿17帶動爬樹機器人向上運動的過程，而滑套驅動液壓缸36參與如圖3所示轉變?yōu)閳D2再轉變?yōu)閳D4所示的過程，保證機器人向上運動時，機械腿17一直保持對樹干的抱緊，滑套驅動液壓缸36的驅動過程為，由圖3所示狀態(tài)轉變?yōu)閳D2所示狀態(tài)時，滑套驅動液壓缸36逐漸伸出，并在圖2所示狀態(tài)時至最大行程，由圖2所示狀態(tài)轉變?yōu)閳D4所示狀態(tài)時，滑套驅動液壓缸36逐漸回縮，并在圖4所示狀態(tài)時縮至原始狀態(tài)，這一過程中機械腿驅動電機30與滑套驅動液壓缸36相互配合，實現(xiàn)一個自由度與兩個自由度的自動轉換，實現(xiàn)機器人在向上運動的過程中，機械腿17一直保持抱緊。

對照圖5，機械腿向上運動時，在機械腿驅動電機30的單獨作用下可以實現(xiàn)爬樹抱緊的一系列運動，模仿動物爬樹過程腿部動作，即機械腿17由抱緊樹干，到向上逐漸放松，再到向上逐漸抱緊的過程，圖5中θ1、θ2值的大小反映了機械腿17與樹木37的抱緊程度。

對照圖2、圖3、圖4和圖5，機械腿17與固定爪20構成了一個腳爬工具，且與樹干傾斜一定角度，因此機械腿驅動電機30的驅動力不僅能實現(xiàn)機械腿17向上爬樹同時抱緊樹干的運動，還能實現(xiàn)機械腿17對樹干的鎖死，滿足可靠穩(wěn)定的爬樹要求，同時機械腿17與機械腿驅動液壓缸29連接，可以自動根據(jù)樹干直徑調節(jié)機械腿驅動液壓缸29的伸縮長度，實現(xiàn)普遍適用功能。

對照圖6、圖7、和圖8，機械腿17與第三機械腿系統(tǒng)中的機械腿動作相同，并且與第二機械腿系統(tǒng)中的機械腿相反，第二機械腿系統(tǒng)中的機械腿與第四機械腿系統(tǒng)中的機械腿動作相同，因此在爬樹過程中，第一步，如圖6所示，機械腿17和第三機械腿系統(tǒng)中的機械腿相對機體向上運動，而第二機械腿系統(tǒng)中的機械腿和第四機械腿系統(tǒng)中的機械腿相對機體向下運動，即第二機械腿系統(tǒng)中的機械腿和第四機械腿系統(tǒng)中的機械腿，帶動機器人主體向上運動，第二步與第一步相同，第二機械腿系統(tǒng)中的機械腿和第四機械腿系統(tǒng)中的機械腿相對機體向上運動，機械腿17和第三機械腿系統(tǒng)中的機械腿相對機體向下運動，即機械腿17和第三機械腿系統(tǒng)中的機械腿帶動機器人主體向上運動，這兩個步驟依次進行便實現(xiàn)了爬樹機器人快速爬樹。

當爬樹機器人需要在樹干上保持靜止，以完成如整枝、監(jiān)控、病蟲防治等工作時，從動搖桿35所連滾動軸承19在弧形限位滑槽18內運動到上極限位置被鎖死，只由滑套驅動液壓缸36驅動，實現(xiàn)對樹干的完全抱緊，第二機械腿系統(tǒng)、第三機械腿系統(tǒng)和第四機械腿系統(tǒng)中的機械腿與機械腿17狀態(tài)完全相同，此時爬樹機器人便牢牢抱緊在樹干上。

驅動連架桿第三驅動液壓缸25和連架桿第四驅動液壓缸26，或者同時驅動連架桿第五驅動液壓缸27和連架桿第六驅動液壓缸28，可以實現(xiàn)左右轉向，同時驅動連架桿第一驅動液壓缸21和連架桿第二驅動液壓缸23可以實現(xiàn)向上彎腰，同時驅動連架桿第一驅動電機11和連架桿第二驅動電機3可以實現(xiàn)左右對折即實現(xiàn)重心的改變，靈活適應各種工況。