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专利号: 2019108498200
申请人: 浙江工业大学之江学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-25
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,包括支架、门(10)和从动轮机构;

所述支架由上支架(3)、下支架(5)以及若干个中间支架和立柱组成;所述上支架(3)与下支架(5)之间固连有立柱a(71)、立柱b(72)、立柱c(73)、立柱d(74)、立柱e(75)以及立柱f(76);所述立柱a(71)和立柱b(72)之间固连有中间支架a(4),所述立柱c(73)和立柱d(74)之间固连有中间支架b(6),所述立柱e(75)和立柱f(76)之间固连有中间支架c(7);所述中间支架a(4)、中间支架b(6)和中间支架c(7)上均装有丝杆电机;

所述门(10)与上支架(3)和下支架(5)铰接,所述门(10)上装有控制器(22)、主动轮转向电机(12)、主动轮(11)、电锯(14)和地磁传感器;

所述控制器(22)用于接收应变片(21)与地磁传感器信号和输出驱动指令,所述主动轮转向电机(12)上装有主动轮电机(13),主动轮电机(13)与主动轮(11)连接;所述主动轮转向电机(12)用于调整主动轮(11)的偏转角度γ,通过主动轮电机(13)驱动主动轮(11),爬树修剪机器人沿着树木呈角度γ螺旋上升;

所述电锯(14)包括棘轮a(16)、棘轮b(17)、电锯转向电机(18)和弹簧(19);

所述棘轮a(16)固连在电锯转向电机(18)上,棘轮a(16)与棘轮b(17)相互配合构成棘轮装置,使得电锯转向电机(18)只能单向转动;所述电锯转向电机(18)用于调整所述电锯(14)对树木的切入角度,以提高切割效率;所述弹簧(19)套在棘轮装置上,当切割力矩大于弹簧(19)的预紧力时,所述棘轮装置发生滑移,保护电锯(14)不会损坏;

所述门(10)上还打有通孔用于穿过衔铁(8);所述衔铁(8)外部套有衔铁弹簧(81),所述衔铁(8)能够被电磁铁(82)吸引,所述电磁铁(82)固连于电磁铁支架(83)上,所述电磁铁支架(83)固连在门(10)上;所述电磁铁(82)由地磁传感器控制;所述控制器(22)用于将爬树修剪机器人的航向角期望值初始化为角度α,当地磁传感器检测到爬树修剪机器人朝向为角度α时,电磁铁(82)吸引衔铁(8)将门(10)闭合,将树木包裹在爬树修剪机器人内部。

所述从动轮机构包括丝杆(1)、从动轮底座(2)、光轴a(51)、光轴b(61)、压簧a(52)、压簧b(62)、应变片(21)、轴承a(53)、轴承b(63)、从动轮机架a(54)、从动轮机架b(64)、从动轮a(55)和从动轮b(65);

所述丝杆(1)的一端与中间支架上的丝杆电机相连,所述丝杆(1)的另一端与从动轮底座(2)形成螺旋副;对称分布的光轴a(51)和光轴b(61)与从动轮底座(2)形成移动副;所述压簧a(52)和压簧b(62)均安装在动轮底座(2)上,压簧a(52)和压簧b(62)用于减少震动对爬树修剪机器人本体的影响以及应变片(21)的疲劳损伤,以保护其机械电气结构;所述应变片(21)贴于从动轮底座(2)上,用于表征从动轮a(55)和从动轮b(65)对树木的压力大小,丝杆电机通过所述控制器(22)调节丝杆(1)的伸缩量,控制从动轮a(55)和从动轮b(65)对树木的压力;所述从动轮a(55)和从动轮b(65)分别与从动轮机架a(54)和从动轮机架b(64)连接,所述从动轮机架a(54)和从动轮机架b(64)通过轴承a(53)和轴承b(63)与压簧a(52)和压簧b(62)连接,使得所述从动轮a(55)和从动轮b(65)能自由地调整角度。

2.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述从动轮机构有三个,分别与中间支架a(4)、中间支架b(6)和中间支架c(7)连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述门(10)上还装有蓄电池(9),为爬树修剪机器人提供电能。

4.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述压簧a(52)和压簧b(62)用于吸收震动,减少应变片(21)采集的突变的波形,避免丝杆电机的频繁启停。

5.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述电锯(14)上装有电锯防护罩(20)。

6.根据权利要求1所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述控制器(22)读取丝杆(1)伸缩量,以t时刻爬树修剪机器人所在树干的横截面的中心建立坐标系,对树干t时刻微分段的坐标轴两个正交方向长度进行计算,通过正交长度数据,引入椭圆方程拟合该微分段近似椭圆形态模型,控制器(22)通过近似椭圆形态模型得到t时刻的树干直径与圆度;所述控制器(22)通过主动轮(11)上的绝对值编码器读取机器人前进路程长度,结合主动轮(11)偏转角度计算得出t时刻机器人行进高度h:其中,N(t)表征t时刻绝对值编码器的累积脉冲输出,P表示该编码器的分辨率精度,d表示主动轮(11)直径,角度γ表示主动轮(11)偏转角度;为简化模型,减少所述控制器(22)的计算量,在计算爬树修剪机器人的行进的弧度数θ时,从近似椭圆形态模型简化为圆,形态模型保持椭圆圆弧不变,得到行进的弧度数θ为:其中,h为式(1)中求解得到t时刻的高度值,a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半;记录t时刻的高度h和弧度数θ以及采样点两个正交方向长度,如果树木截面形状和高度符合要求,通知用户可以进行砍伐取材;如果树木直径和高度不符合要求,将当前树木数据与数据库内历史树木数据做皮尔逊相关系数ρx,y计算:其中,X表示当前树木的圆度,Y为数据库内历史树木的圆度,cov(X,Y)表示当前树木数据和历史树木数据的协方差,σX与σY分别表示当前树木数据和历史树木数据的方差;将当前树木数据与历史树木数据一一进行皮尔逊相关系数运算,将取得最大值时所指向的历史树木数据作为当前修剪树木的历史采集数据,用户可根据该历史树木数据观察树木的生长情况,并调整种植模式以提高产量和木材质量,同时机器人会将该数据写入并更新数据库。

7.根据权利要求6所述的一种具有记忆与决策功能的爬树修剪机器人,其特征在于,所述t时刻近似椭圆形态模型为:

其中,a与b分别表征机器人行进时经过t时刻的微分段时采样点两个正交方向长度的一半,x(t)与y(t)表示该微分段树木的形态学建模方程。