一種混合驅動步進式變胞爬樹機器人的制作方法

本發明涉及機器人設計領域，特別是一種混合驅動步進式變胞爬樹機器人。

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、野外探測監控等方面也日益增多，現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爬動，利用弧形桿件實現抱緊，在實際作業時，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。

液壓驅動易出現液壓油泄漏，混入空氣等雜質后會產生振動噪聲等問題，而且液壓件加工要求高，相比液壓驅動，電動機驅動則具有效率高，信號變化傳遞方便等優點，在自動化要求高的場合具有獨特的優勢，相比小功率伺服電機，大功率常規電機控制簡單、價格便宜，應用與要求不高的場合，因此在實際應用中，通常采用小功率伺服電機與大功率常規電機的混合驅動系統。

目前，未見有驅動簡單，爬樹可靠安全，又能靈活適應于不同直徑、不同形狀樹木，控制簡單、柔性輸出程度高的混合驅動爬樹機器人。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種混合驅動步進式變胞爬樹機器人，它能克服現有爬樹機器人的不足，該爬樹機器人驅動簡單，小功率伺服電機單獨驅動時，便能實現復雜爬樹抱樹運動；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；采用大功率常規電機、小功率伺服電機混合驅動，降低成本，柔性輸出程度高，控制簡單。

本發明通過以下技術方案達到上述目的：一種混合驅動步進式變胞爬樹機器人，包括混合驅動機械腿系統和機架桿組件，具體結構和連接關系為：

所述混合驅動機械腿系統包括第一混合驅動機械腿系統、第二混合驅動機械腿系統、第三混合驅動機械腿系統和第四混合驅動機械腿系統，所述第一混合驅動機械腿系統包括驅動搖桿、從動搖桿、連桿、機械腿小功率伺服電機、機械腿大功率常規電機、連接架，滑套、滑套驅動液壓缸、機械腿、固定爪滾動軸承和弧形限位滑槽，驅動搖桿一端與連桿鉸接，另一端與機械腿小功率伺服電機固定連接，機械腿小功率伺服電機與第一桿通過轉動副連接，并驅動驅動搖桿相對第一桿轉動，從動搖桿一端與連桿鉸接，另一端與第一桿鉸接，連接架既與連桿鉸接，又與滑套通過圓柱副連接，還與機械腿大功率常規電機固定連接，所述滑套與滑套驅動液壓缸通過螺紋連接，所述機械腿大功率常規電機與機械腿連接，所述滑套驅動液壓缸與第一桿鉸接，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，第二混合驅動機械腿系統，第三混合驅動機械腿系統，第四混合驅動機械腿系統與第一混合驅動機械腿系統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大功率常規電機連接，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大功率常規電機連接，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鉸接，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鉸接，另一端與第八桿鉸接，連架桿第四驅動液壓缸一端與第六桿鉸接，另一端與第七桿鉸接，連架桿第五驅動液壓缸一端與第五桿鉸接，另一端與第四桿鉸接，連架桿第六驅動液壓缸一端與第二桿鉸接，另一端與第三桿鉸接。

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°。

本發明的突出優點在于：

1.混合驅動步進式變胞爬樹機器人在爬樹過程中，機械腿可以實現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，根據步態要求不同，單自由度工作時可以實現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，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.混合驅動步進式變胞爬樹機器人，驅動簡單，小功率伺服電機單獨驅動時，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，同時依靠小功率伺服電機的反作用力實現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，實現多方位轉向、避障、改變重心，能適應不同形狀的樹木，采用大功率常規電機、小功率伺服電機混合驅動，降低成本，柔性輸出程度高，控制簡單。

附圖說明

圖1為本發明所述的混合驅動步進式爬樹機器人的結構示意圖。

圖2為本發明所述的驅動搖桿與第一桿垂直時狀態示意圖。

圖3為本發明所述的機械腿相對第一桿向上運動的極限狀態示意圖。

圖4為本發明所述的機械腿相對第一桿向下運動的極限狀態示意圖。

圖5為本發明所述的機械腿向上爬樹時末端運動軌跡的示意圖。

圖6為本發明所述的混合驅動步進式變胞爬樹機器人的第一步爬樹步態示意圖。

圖7為本發明所述的混合驅動步進式變胞爬樹機器人的第二步爬樹步態示意圖。

圖8為本發明所述的連接架示意圖。

圖9為本發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為：

1：第一鉸鏈；2：第八桿；3：連架桿第二大功率常規電機；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：連架桿第一大功率常規電機；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：機械腿大功率常規電機；30：機械腿小功率伺服電機；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方式對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，此僅僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發明的實施方式，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，均屬于本發明保護的范圍。

對照圖1、圖2、圖8和圖9，本發明所述的混合驅動步進式變胞爬樹機器人，包括混合驅動機械腿系統和機架桿組件，具體結構和連接關系為：

所述混合驅動機械腿系統包括第一混合驅動機械腿系統、第二混合驅動機械腿系統、第三混合驅動機械腿系統和第四混合驅動機械腿系統，所述第一混合驅動機械腿系統包括驅動搖桿31、從動搖桿35、連桿32、機械腿小功率伺服電機30、連接架33、滑套34、滑套驅動液壓缸36、機械腿大功率常規電機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，另一端與機械腿小功率伺服電機30固定連接，機械腿小功率伺服電機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鉸接，另一端與第一桿16鉸接，連接架33既與連桿32鉸接，又與滑套34通過圓柱副連接，還與機械腿大功率常規電機29固定連接，所述滑套34與滑套驅動液壓缸36通過螺紋連接，所述機械腿大功率常規電機29與機械腿17連接，所述滑套驅動液壓缸36與第一桿16鉸接，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，第二混合驅動機械腿系統、第三混合驅動機械腿系統、第四混合驅動機械腿系統與第一混合驅動機械腿系統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通過連架桿第一大功率常規電機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通過連架桿第二大功率常規電機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鉸接，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鉸接，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鉸接，另一端與第八桿2鉸接，連架桿第四驅動液壓缸26一端與第六桿6鉸接，另一端與第七桿4鉸接，連架桿第五驅動液壓缸27一端與第五桿8鉸接，另一端與第四桿10鉸接，連架桿第六驅動液壓缸28一端與第二桿14鉸接，另一端與第三桿12鉸接。

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角度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；機械腿小功率伺服電機30單獨作用效果，如由圖2所示狀態轉變為圖3所示狀態，可以實現機械腿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所示狀態轉變為圖2所示狀態，可以實現機械腿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轉變為圖2再轉變為圖3所示狀態時，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所示轉變為圖2再轉變為圖4所示狀態，實現了機械腿17相對于第一桿16由抱緊狀態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所示轉變為圖2再轉變為圖4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所示狀態轉變為圖2所示狀態時，滑套驅動液壓缸36逐漸伸出，并在圖2所示狀態時至最大行程，由圖2所示狀態轉變為圖4所示狀態時，滑套驅動液壓缸36逐漸回縮，并在圖4所示狀態時縮至原始狀態，這一過程中機械腿小功率伺服電機30與滑套驅動液壓缸36相互配合，實現一個自由度與兩個自由度的自動轉換，實現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，在機械腿小功率伺服電機30的單獨作用下可以實現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，因此機械腿小功率伺服電機30的驅動力不僅能實現機械腿17向上爬樹同時抱緊樹干的運動，還能實現機械腿17對樹干的鎖死，滿足可靠穩定的爬樹要求，同時機械腿17與機械腿大功率常規電機29通過普通絲杠連接，可以自動根據樹干直徑調節機械腿17的伸縮長度，實現普遍適用功能。

對照圖6、圖7、和圖8，機械腿17與第三混合驅動機械腿系統中的機械腿動作相同，并且與第二混合驅動機械腿系統中的機械腿相反，第二混合驅動機械腿系統中的機械腿與第四混合驅動機械腿系統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和第三混合驅動機械腿系統中的機械腿相對機體向上運動，而第二混合驅動機械腿系統中的機械腿和第四混合驅動機械腿系統中的機械腿相對機體向下運動，即第二混合驅動機械腿系統中的機械腿和第四混合驅動機械腿系統中的機械腿，帶動機器人主體向上運動，第二步與第一步相同，第二混合驅動機械腿系統中的機械腿和第四混合驅動機械腿系統中的機械腿相對機體向上運動，機械腿17和第三混合驅動機械腿系統中的機械腿相對機體向下運動，即機械腿17和第三混合驅動機械腿系統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，實現對樹干的完全抱緊，第二混合驅動機械腿系統、第三混合驅動機械腿系統和第四混合驅動機械腿系統中的機械腿與機械腿17狀態完全相同，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可以實現向上彎腰，同時驅動連架桿第一大功率常規電機11和連架桿第二大功率常規電機3可以實現左右對折即實現重心的改變，靈活適應各種工況。