本技術(shù)涉及三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，尤其對楊樹的樹枝進行修剪的機器人。

背景技術(shù)：

國外對樹木修枝剪枝機械的研究起步較早，主要以經(jīng)濟發(fā)達的美、日、德、法、英、意大利、澳大利亞、荷蘭、以色列等為代表。早在20世紀初期，西方國家就已開始在林區(qū)養(yǎng)護培植中始有應(yīng)用；但那時主要是使用簡單的機械式刀剪類工具，柴油和汽油提供動力的小型背負機械。從20世紀80年代開始，各種林區(qū)培植剪枝專用機械才紛紛面世，如剪枝刀、剪枝機、智能剪枝機器手等，林業(yè)木材蓄積率逐步進入了快速發(fā)展時期。典型代表，如美國、瑞典生產(chǎn)的手動式無動力裝置整枝機。其主要原理是在改進普通剪枝鋸的基礎(chǔ)之上，對原有機械增加了一個能夠伸縮的機器“手臂”，它能對8米左右的樹干進行高空作業(yè)。

目前在具有一定程度自動化高空剪枝領(lǐng)域，比較成熟的有ARS、小松公司、斯蒂爾公司等一些公司生產(chǎn)的剪枝鋸；此類裝置以汽油作為動力裝置。該裝置工作時振動較小，剪枝效果好且剪切口對樹木的損傷較小、有效高度在6cm左右；剪枝鋸的有效半徑在21cm左右。但該類機械不但成本較高，維修及保養(yǎng)費用也普遍較高；而且要求工作人員有一定的專業(yè)技能。由于這類機械的作業(yè)高度較低，而其嚴重不符合中國林業(yè)的需要。

隨著科技的不斷進步。國際上一些公司著手研制出能進行高空機械剪枝的自動化機械并且成果顯著。典型代表如日本的星靈公司制造的半自動攀爬式剪枝機械，它運用了無線控制；采用鏈式鋸條及低壓攀爬輪胎；機械上下樹的時候采用遙控方式；但該裝置的局限性較強，它在較直的樹干進行作業(yè)，但對于彎曲較大的樹干則無法工作。還有就是歐洲生產(chǎn)的一種能夠自動升降來實現(xiàn)高空剪枝作業(yè)的薩斯馬升降平臺，它是將剪枝機械固定在多個平臺之上，作業(yè)各個平臺受其獨立的液壓控制而互不影響；它可達高度在5-6m左右、水平面延展在8m左右。還有一款阿富龍升降平臺，也是利用液壓進行控制。另外還有鋼索式升降平臺，它利用絞盤來實現(xiàn)升降功能，它作業(yè)的高度在20m左右，但他們都略顯笨重且自動化程度較低。

對于國內(nèi)而言，大都以手動式半自動化的方式進行作業(yè)，剪枝機械的研究尚處于起步階段。目前上市的產(chǎn)品自動化程度較低，而且型號單一，工作效率不理想。孫坤龍等研制的5XY-5型用于高空剪枝的剪枝裝置采用小功率的汽油機提供動力；工作原理主要是套筒式高速鎖式裝置來使伸縮臂進行工作，然后三角帶減速，經(jīng)由傳動齒輪帶動泵式結(jié)構(gòu)驅(qū)動液壓裝置使剪枝部件工作。該裝置的作業(yè)高度可達5-6m，剪枝鋸的有效直徑為3cm。還有就是采用背負式的高空剪枝機及集多種功能于一身的小型高空剪枝機，此類裝置幾乎都以小功率汽油機提供動力，通過三角帶或者其他類型的鏈式裝置使鋸結(jié)構(gòu)進行剪枝作業(yè)。該類裝置的成本較低且結(jié)構(gòu)較為簡單；作業(yè)時機械的可視角度比較理想，剪枝對樹木的損傷較小且作業(yè)時安全功能較好；維修成本較小。但該類剪枝機械振動較強，手動裝置較重,這個設(shè)計有待進一步提高。

目前，在國內(nèi)處于前沿的是由伊春市林業(yè)局重點項目研制的遙控式攀爬式剪枝機械,其主要設(shè)計采用遙控的方式。該剪枝機械能沿樹干上下攀爬，并在遙控作用下可實現(xiàn)修剪數(shù)目高枝，動力采用的是汽油發(fā)動機。

而樹枝修剪機器人所執(zhí)行的主要功能便是對樹木進行剪枝。剪枝機器人在工作過程中就做上下運動，代替人工修剪樹枝。剪枝機器人在模仿人類修剪樹枝，能取代人爬到樹上，大大降低了人工剪枝所引發(fā)的潛在危險，批量作業(yè)時，可以成倍的提高效率，節(jié)約時間成本。東北林業(yè)大學徐軍等人研究的剪枝機器人使用MS320F2407ADSP作為控制芯片并采用模糊PID控制的工作原理，利用異步電機來驅(qū)動機器人的各個部分協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)攀爬樹干的功能。在夾緊電機的作用下，機器人的驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)能根據(jù)樹干的變化而自動地調(diào)整，始終保持著夾緊樹干這一重要功能的實現(xiàn)。當機器人上升到工作高度時，夾緊電機則“抱死”在樹干以防止機體下滑或墜落，動作較為繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本技術(shù)的目的是提供一種上升、切削同時進行，無電纜全電驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單可靠，效率高，可避免線纜繞樹的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人。

本技術(shù)所述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，其三棱柱形主體框架的第一側(cè)面與第二側(cè)面固定相連，第三側(cè)面的一側(cè)與第二側(cè)面的一側(cè)鉸接，第三側(cè)面的另一側(cè)與第一側(cè)面的側(cè)部之間以可拆卸的彈性結(jié)構(gòu)相連；主體框架的三個側(cè)面內(nèi)側(cè)均設(shè)置有轉(zhuǎn)動的輪軸，在各輪軸上設(shè)置有上下兩個行走輪；各輪軸相對于主體框架軸線的傾斜方向一致，且傾斜角度相等，為3-15°；在主體框架上設(shè)置驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的輸出軸與一個輪軸通過傳動機構(gòu)相連，驅(qū)動該輪軸轉(zhuǎn)動，各輪軸上的行走輪沿樹干外周滾動，使得主體框架繞樹干螺旋上升或下降；在主體框架的上部設(shè)置鏈鋸；鏈鋸的切割鏈條向上延伸；在主體框架上設(shè)置用于向驅(qū)動電機和鏈鋸電機供電的電池。

本技術(shù)的有益效果：使用時，先打開第三側(cè)面，移動本機器人使得需要剪枝的樹木的樹干位于第一側(cè)面與第二側(cè)面之間，然后關(guān)閉第三側(cè)面，把第三側(cè)面與第一側(cè)面以彈性結(jié)構(gòu)相連，使得各行走輪在彈性結(jié)構(gòu)的作用下夾緊樹干。然后啟動驅(qū)動電機，通過傳動機構(gòu)驅(qū)動一根輪軸，使得該輪軸上的行走輪（該輪軸上的行走輪為主動輪，其他輪軸上的行走輪是被動輪）轉(zhuǎn)動。由于各輪軸與樹干的軸向方向傾斜，所以各行走輪也與樹干軸向方向傾斜，隨著行走輪的轉(zhuǎn)動，主體框架繞樹干螺旋上升，切割鏈條隨著主體框架螺旋上升，當碰到位于樹干周向的樹枝時，即對樹枝進行鋸切，完成修剪。修剪完成后，驅(qū)動電機反向轉(zhuǎn)動，主體框架即繞樹干螺旋下降。本技術(shù)用圓內(nèi)切三角形的原理以三點接觸樹干的某一截面，而沿樹干方向是兩點支撐，整體框架簡單可靠，符合穩(wěn)定設(shè)計準則；以電池為驅(qū)動電機和鏈鋸電機供電，無需從地面接線，當主體框架繞樹干轉(zhuǎn)動時不會有線纜纏樹問題。以電池作為動力源，便于為啟停、控制及通訊部件提供電源。以彈性結(jié)構(gòu)把第一側(cè)面與第三側(cè)面相連，使得各行走輪能夠?qū)涓僧a(chǎn)生一定的夾緊力，且能夠適用于不同直徑的樹木。各輪軸上有上下兩個行走輪，三根輪軸上共六個行走輪，即使本機器人整體質(zhì)量分布不均勻，主體框架的軸向仍能夠保持與樹干同軸而不會傾斜。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，在主體框架上部設(shè)置先導裝置，先導裝置在垂直于主體框架軸線的方向上位于鏈鋸的內(nèi)側(cè)或外側(cè)；先導裝置包括設(shè)置在主體框架上的向上延伸的先觸板和固定板，先觸板在主體框架的切向方向（與經(jīng)過主體框架軸線的平面相垂直的方向）可相對于固定板移動，在先觸板與固定板之間設(shè)置有常態(tài)時使得先觸板在主體框架切向方向上遠離固定板的壓縮彈簧；在鏈鋸電機的電源電路中連接有控制鏈鋸電機啟停的微動開關(guān)；微動開關(guān)固定在先觸板與固定板之間；當主體框架繞樹干螺旋上升時，先觸板比切割鏈條先觸碰到需要修剪的樹枝，先觸板克服壓縮彈簧的彈力而沿主體框架切向向固定板移動，觸動微動開關(guān)，鏈鋸電機電源接通，鏈鋸啟動；隨著主體框架的螺旋上升，鏈鋸切割樹枝；切割完成后，先觸板在壓縮彈簧的作用下遠離固定板，微動開關(guān)復位，鋸鏈停止運轉(zhuǎn)。采用先導裝置，使得鏈鋸在快接觸到樹枝時才啟動，在鋸斷樹枝后停止，有效的節(jié)約了電能。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，所述可拆卸的彈性結(jié)構(gòu)是：在靠近第三側(cè)面與第一側(cè)面的鄰接處的第三側(cè)面上開有掛鉤孔，用于鉤住所述掛鉤孔的掛鉤通過拉伸彈簧與第一側(cè)面相連；或者，第一側(cè)面上開有掛鉤孔，用于鉤住所述掛鉤孔的掛鉤通過拉伸彈簧與第三側(cè)面相連。扣鉤與掛鉤孔的相連結(jié)構(gòu)，能夠快速裝拆。拉伸彈簧能夠使得行走輪在樹干周向方向夾緊樹干。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，驅(qū)動電機的輸出軸與一個輪軸通過鏈傳動機構(gòu)相連。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，所述驅(qū)動電機設(shè)置在第一側(cè)面上，鏈鋸和電池設(shè)置在第二側(cè)面上。這樣能夠在主體框架的周向方向上合理分配重量，這樣整個機構(gòu)的重量分布比較均勻，不易產(chǎn)生傾斜等問題。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，主體框架采用鋁合金型材制成。

上述的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，行走輪的外周具有輪胎。輪胎能夠增大與樹干的摩擦力。

附圖說明

圖1是三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人的立體圖；

圖2是三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人的另一個視角的立體圖；

圖3是先導裝置的示意圖；

圖4是先觸板與預(yù)修剪的樹枝接觸時的三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人的立體圖；

圖5是先觸板與預(yù)修剪的樹枝接觸時的放大圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本技術(shù)進一步詳細說明。

參見圖1、2所述的楊樹三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人，以鋁合金型材制成的三棱柱形主體框架1的第一側(cè)面11與第二側(cè)面12固定相連，第三側(cè)面13的一側(cè)與第二側(cè)面12的一側(cè)通過樞軸14鉸接，第三側(cè)面的另一側(cè)與第一側(cè)面的側(cè)部之間以可拆卸的彈性結(jié)構(gòu)2相連?？刹鹦兜膹椥越Y(jié)構(gòu)包括掛鉤21、與掛鉤21的后端固定相連的拉伸彈簧22，彈簧22的另一端固定在第一側(cè)面上。在靠近第三側(cè)面與第一側(cè)面的鄰接處的第三側(cè)面13上開有掛鉤孔131，掛鉤21的前端用于鉤住所述掛鉤孔。

三棱柱形主體框架中，其中兩側(cè)面是固定不動的，有一側(cè)面是可以開合的，設(shè)置在固定兩側(cè)面上的輪軸上的行走輪貼合樹干的情況下，第三側(cè)面合上，并靠人力預(yù)拉拉伸彈簧，然后將掛鉤鉤住掛鉤孔，將主體框架緊固在樹上。因為施加的預(yù)緊力比較大，所以在主體框架上升的過程中即使樹的直徑變小，主體框架也能牢牢貼合著樹。

驅(qū)動裝置3主要包括驅(qū)動電機31、鏈傳動機構(gòu)32、輪軸33、行走輪34。主體框架的三個側(cè)面內(nèi)側(cè)均設(shè)置有轉(zhuǎn)動的輪軸33，在各輪軸上設(shè)置有上下兩個行走輪；行走輪的外周具有輪胎。

各輪軸相對于三棱柱形主體框架軸線的傾斜方向一致，且傾斜角度均為7°。驅(qū)動電機設(shè)置在第一側(cè)面上。鏈傳動機構(gòu)32包括主動鏈輪321、從動鏈輪322、鏈條323。驅(qū)動電機的輸出軸上設(shè)置主動鏈輪，從動鏈輪設(shè)置在連接在第一側(cè)面上的那個輪軸的中部。

在第二側(cè)面的上部設(shè)置鏈鋸4；鏈鋸包括驅(qū)動切割鏈條的鏈鋸電機、導鏈板、切割鏈條等。導鏈板、切割鏈條向上延伸；在第二側(cè)面上設(shè)置用于向驅(qū)動電機和鏈鋸供電的電池5。

參見圖1、2、5，在第二側(cè)面的上部設(shè)置先導裝置6，先導裝置在垂直于主體框架軸線的方向上位于鏈鋸的外側(cè)。先導裝置包括固定板61、先觸板62、壓縮彈簧63等。固定板61固定在第二側(cè)面上部并向上延伸，先觸板62在與經(jīng)過主體框架軸線的平面相垂直的方向（也就是主體框架的切向方向）可相對于固定板移動，在先觸板與固定板之間設(shè)置有常態(tài)時使得先觸板在主體框架的切向方向上遠離固定板的壓縮彈簧63。

在鏈鋸電機的電源電路中連接有控制鏈鋸電機啟停的微動開關(guān)64；微動開關(guān)固定在先觸板與固定板之間。

先導裝置的原理是以一微動開關(guān)設(shè)置在先觸板與固定板之間，先導板在隨主體框架在螺旋上升時，位置略先于鏈鋸，當先觸板觸碰到樹枝存在時，會產(chǎn)生壓力，產(chǎn)生一定的位移，導致微動開關(guān)被觸動，微動開關(guān)啟動鏈鋸，開始工作，當樹枝被切割完之后，由于壓縮彈簧的作用，金屬片恢復原來的位置，微動開關(guān)復位，鏈鋸停止工作。加上此判斷機構(gòu)，有助于節(jié)省電能，使得本機器人持續(xù)工作時間更長。

使用時，移動本機器人使得需要剪枝的楊樹樹干位于第一側(cè)面與第二側(cè)面之間，然后關(guān)閉第三側(cè)面，把掛鉤鉤在與第三側(cè)面上的掛鉤孔上，使得各行走輪在拉伸彈簧的作用下夾緊樹干7。此時樹干的軸線與主體框架的軸線是基本平行的。然后通過遙控裝置啟動驅(qū)動電機，通過鏈傳動機構(gòu)驅(qū)動設(shè)置在第一側(cè)面上的輪軸，使得該輪軸上的上下兩個行走輪（該輪軸上的兩個行走輪為主動輪，其他輪軸上的行走輪是被動輪）轉(zhuǎn)動。各輪軸上的行走輪沿樹干外周滾動，使得主體框架繞樹干螺旋上升或下降。

當主體框架繞樹干順時針螺旋上升（從上往下看）時，當樹干的周邊有需要修剪的樹枝71時，先觸板比切割鏈條先觸碰到需要修剪的樹枝，先觸板克服壓縮彈簧的彈力而沿樹干切向向固定板移動，觸動微動開關(guān)，鏈鋸電機電源導通，鏈鋸啟動；隨著主體框架的螺旋上升，鏈鋸切割樹枝；切割完成后，先觸板在壓縮彈簧的作用下遠離固定板，微動開關(guān)復位，鏈鋸停止。

三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人的主要特點：

1、輕量化設(shè)計，本主體框架采用三棱柱體結(jié)構(gòu)，鋁合金型材，上下兩層各三只輪子的方式，在滿足穩(wěn)定性要求的前提下重量上大為減輕。也降低了對電池功率、容量、輪胎的承載能力等的要求。

2、以電池+電機代替汽油機，減少排放、保護環(huán)境。無電纜全電驅(qū)動，避免了線纜繞樹的問題。

3、可結(jié)合新能源進行對電池充電，所攜帶電池可便捷地為未來功能擴展模塊——狀態(tài)檢測、信息采集、通訊、控制等功能單元提供穩(wěn)定電源。

4、輪胎抱緊樹干，螺旋式上升，鏈鋸作為切割端，完成一定面積的枝干的切割。

本機器人利用抱著樹干的主體框架搭載上工作部件以實現(xiàn)工作。機器人工作部件主要由運動部分和修剪部分組成，運動部分主要包括三組行走輪，在機器人抱緊樹干后以螺旋上升的方式完成修剪部分的移動，修剪部分由微動開關(guān)判別機構(gòu)和鏈鋸已壓到樹枝，鏈鋸啟動，開始切割。

工作流程為：首先將機器人卡在樹上、啟動，機器人抱樹干環(huán)繞式上升，碰撞到樹枝之后鏈鋸開始工作直到切割完成。在上升至既定任務(wù)高度之后，機器人停止，鏈鋸不再工作。電機反轉(zhuǎn)、機器人原路返回，到達地面，自動停止。

本機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，上升、切削同時進行，一次上下動作完成一棵楊樹的修剪，工作效率比較高，同時輪胎對樹木的附著性比較好，接觸屬于軟接觸，不會對樹木產(chǎn)生任何損害。三棱柱形電驅(qū)動樹枝修剪機器人具有爬樹功能，自啟動修枝功能，采用了全電驅(qū)動輕量化設(shè)計，相比現(xiàn)有其他方案，具有操作簡單，可靠性高，適于集群操作，將電能驅(qū)動變成現(xiàn)實，環(huán)保無污染的特點，可適用于不同樹齡的楊樹修枝，滿足不同林場的需求，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。