一种全自动树枝修剪机器人及修剪方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610221814.7
(22)申请日 2016.04.12
(71)申请人 山东国兴智能科技有限公司
地址 264006 山东省烟台市经济技术开发
区香港路18号
(72)发明人 鲍明松　郭亭亭　孙洪秀　郑安　
(51)Int.Cl.
A01G 3/08(2006.01)
(54)发明名称
一种全自动树枝修剪机器人及修剪方法
(57)摘要
本发明涉及一种全自动树枝修剪机器人，由
全地形底盘移动平台、电控单元、可分离末端执
行单元、机械臂、执行单元释放和回收机构、视觉
导航机构、大容量锂电池组成。

本发明不仅设计
了全新的针对树干高度较高的树枝修剪机器人，
实现了对树木枝干的自动识别、计算、测量和自
动修剪，还提出了相对应的该发明机械结构和电
气连接相关的修剪步骤和方法，填补了当前市场
上全自动修剪机器人、高空树木修剪机器人的空
白，提高了树枝修剪的效率，降低了工作人员的
劳动强度，
减少了社会公共服务的运营成本。

权利要求书3页 说明书9页 附图7页CN 105794502 A 2016.07.27
C N 105794502
A
1.一种全自动树枝修剪机器人，其特征在于，包括全地形底盘移动平台、电控单元、可分离末端执行单元、机械臂、执行单元释放和回收机构、视觉导航机构、大容量锂电池，所述电控单元、机械臂、视觉导航机构、大容量锂电池安装于全地形底盘移动平台上，所述机械臂的顶部通过执行单元释放和回收机构与可分离末端执行单元连接，所述大容量锂电池与机器人用电器件连接并为其供电。

2.如权利要求1所述的全自动树枝修剪机器人，其特征在于，所述电控单元由控制柜、微型工控机、底盘移动平台驱动器、导航摄像机三维云台驱动器、电磁吸盘驱动器、绕线辊驱动器、爬高步进电机驱动器、抱紧伸缩电机驱动器、刀距伸缩步进电机驱动器、直流电机驱动器、转向减速电机驱动器组成。

3.如权利要求1所述的全自动树枝修剪机器人，其特征在于，所述可分离末端执行单元由执行单元本体、张合机构、爬高抱紧转向机构、刀距调节机构、刀体及驱动机构组成，执行单元本体为筒形支架，分为左半圆柱支撑体、右半圆柱支撑体，张合机构包括张合支架、张合伺服电机，爬高抱紧转向机构由爬高轮组、抱紧伸缩电机、爬高齿轮组、爬高步进电机、转向减速电机、压力传感器组成，刀距调节机构包括刀距伸缩步进电机、刀距调节载体平台，刀体及驱动机构包括刀体、直流电机。

4.如权利要求1所述的全自动树枝修剪机器人，其特征在于，所述执行单元释放和回收机构由环形钢叉、电磁吸盘、电动绕线辊组成，环形钢叉为本体支架结构，上端面安装固定电磁吸盘，电动绕线辊固定在环形钢叉的侧面。

5.如权利要求1所述的全自动树枝修剪机器人，其特征在于，所述视觉导航机构由道路导航摄像机、双目立体视觉摄像机、导航摄像机三维云台、立体视觉摄像机支架组成，道路导航摄像机通过导航摄像机三维云台固定在全地形底盘移动平台前方，立体视觉摄像机支架底部通过螺栓结构固定在全地形底盘移动平台的前端，双目立体视觉摄像机固定于立体视觉摄像机支架的顶部。

6.权利要求1-5任一所述的全自动树枝修剪机器人的修剪方法，其特征在于，包括以下步骤：
St1：道路导航摄像机通过导航摄像机三维云台固定在全地形底盘移动平台前方，导航摄像机三维云台驱动器的驱动下，导航摄像机三维云台可以实现空间三维的运动，进而带动道路导航摄像机三维运动，实现对全地形底盘移动平台周围环境状况及前方道路状况的监控和自主导航运动；同时，微型工控机控制底盘移动平台驱动器驱动全地形底盘移动平台前进；
St2：当发现需要修剪的树枝时，全地形底盘移动平台放慢速度前进，慢慢靠近需要修剪的树木，进入可控范围内，最终实现树木处于全地形底盘移动平台的前方或侧前方；
St3：此后双目立体视觉摄像机开始工作，实现对树木的空间三维坐标定位，定位完毕后，微型工控机控制机械臂带动可分离末端执行单元、执行单元释放和回收机构靠近树干；在该过程中，微型工控机通过驱动张合伺服电机控制张合支架的打开，进而带动左半圆柱支撑体和右半圆柱支撑体的打开，最终带动执行单元本体的打开，实现对执行单元本体对树干的进入；执行单元本体进入树干后，微型工控机通过驱动张合伺服电机带动执行单元本体闭合，实现对树干的全方位包裹；在上述过程的开端，双目立体视觉摄像机还需要确定树干的粗细、需要修剪树枝的高度及树枝的分布等信息；
St4：此后为可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构分离过程，过程为：微型工控机控制电磁吸盘驱动器掉电操作，从而使得电磁吸盘和可分离末端执行单元之间没有吸合力，从而为下一步的分离提供电气控制条件；
St5：所述爬高抱紧转向机构开始工作，过程为：由于所述爬高轮组为橡胶轮子和支架结构，轮子主要用来实现与树干的摩擦压紧作用，微型工控机通过控制爬高步进电机驱动器进而实现对爬高步进电机的驱动，通过爬高齿轮组的传动作用，实现对爬高轮组的驱动，此时爬高轮组上橡胶轮子开始在树干上旋转，进而带动整套可分离末端执行单元沿树干上升；在该过程中，由于可分离末端执行单元与执行单元释放和回收机构开始分离，距离变长，因此需要通过微型工控机控制绕线辊驱动器驱动电动绕线辊进行放线；同时，在该过程中，所述压力传感器安装在爬高轮组上，可以实时监测轮组与树干的压力，发送至控制器，供控制器分析处理后，控制抱紧伸缩电机的运动，实现执行单元本体与爬高轮组的距离可调，从而控制爬高轮组与树干的压力值恒定；
St6：爬高抱紧转向机构继续上升到需要修剪的树枝高度后停止运动，由于在步骤St3中已经由双目立体视觉摄像机确定了树干的粗细、需要修剪树枝的高度及树枝的分布等信息，此时开始进入刀距调整过程，具体过程为：微型工控机通过控制刀距伸缩步进电机驱动器驱动刀距伸缩步进电机实现转轴的伸缩，进而带动刀体及驱动机构的前进和后退，进而实现刀体和执行单元本体轴心处距离的调整，当调整到位后，爬高抱紧转向机构停止工作；
St7：该过程为刀体旋转和切割过程，当然旋转和切割过程为同时进行的，具体步骤为：
①旋转过程：所述转向减速电机的本体安装在抱紧伸缩电机的伸缩机构上，转向减速电机的转轴则安装爬高轮组的本体上，通过转向减速电机的运动，可以带动爬高轮组的转向，从而实现爬高轮组任意角度的转向；当爬高轮组的轴线与树干的轴线垂直时，爬高轮组可以带动整套执行单元本体沿树干外周的切线方向转动，即实现了围绕树干的圆周运动，如果此时执行单元本体上设置有树枝修剪机构，则可以实现对树干上树枝的修剪；由于爬高轮组的任意角度可调，此时可以带动爬高轮组沿任意角度实现对树干的攀爬，不受树枝的影响；
②切割过程：在上述旋转过程中，由于整套刀体及驱动机构会触碰到需要修剪的树枝，因此该过程中，微型工控机控制直流电机驱动器驱动直流电机高速旋转，进而带动刀体的铝合金锯片高速旋转，实现对待修剪树枝的修剪作用；
St8：当上述过程中的旋转过程和切割过程进行一个周期后，则该树干区域内的多余树枝已经被修剪、清楚干净，如果需要继续修剪上部的树枝，此时重复St5-St7过程；
St9：当一颗树干上的所有需要修剪的树枝被修剪完毕后，修剪机器人上的可分离末端执行单元开始进入回收阶段，具体的为：像步骤St5过程一样，只是爬高抱紧转向机构开始向下工作，进入下降阶段，下降到较低的高度时，此时爬高抱紧转向机构所在的高度与修剪机器人上所在的执行单元释放和回收机构的上端面一致或者稍高于执行单元释放和回收机构时，开始进入对可分离末端执行单元的回收工作；在爬高抱紧转向机构下降过程中，由于可分离末端执行单元与执行单元释放和回收机构开始靠近，距离变短，因此需要通过微型工控机控制绕线辊驱动器驱动电动绕线辊进行收线操作；
St10：在该过程中，进入可分离末端执行单元与树干的分离过程，具体为：微型工控机通过驱动张合伺服电机，从而控制张合支架的打开，进而带动左半圆柱支撑体和右半圆柱
支撑体的打开，最终带动执行单元本体的打开，实现对执行单元本体对树干的可分离；
St11：此后，由于可分离末端执行单元与树干已经分离，此后为可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构的回收过程，过程为：微型工控机控制电磁吸盘驱动器得电操作，从而使得电磁吸盘和可分离末端执行单元之间产生吸合力，从而可分离末端执行单元被执行单元释放和回收机构回收，至此，全自动树枝修剪机器人完成一棵树干的树枝修剪工作。

一种全自动树枝修剪机器人及修剪方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种针对杨树、梧桐等树木的树枝进行修剪的机器人，还涉及与机械和电气结构配套的修剪方法，属于机械、自动化及机器人技术领域。

背景技术
[0002]园林树木修剪是园林建设中的一项极为重要的技术措施，树木修剪的作用是：调节树体结构，促进生长平衡，消除树体隐患，恢复树木生机。

另外，修剪还可以保持树木的健康生长和良好树形，便于管理和具有更高的观赏价值，防止对人们生命财产的损害，收到艺术上的美学效果。

[0003]随着中国城镇化建设的发展，各城镇的绿化面积不断增加，因此由大量的树枝需要进行修剪。

然而，要修剪高度较高的树枝难度较大，目前，主要借助可移动的升降工具，由多名树枝修剪工人手持切割工具进行修剪。

这样修剪树枝对工人的劳动强度较大，效率不高，且工人作业时存在一定的安全隐患。

[0004]目前大多数果树修剪器为手持式修剪器，手持式果树修剪机一般由手柄、电机、圆盘锯片和电源线组成，所述的手柄一端通过电机外壳与电机连接，另一端设有电源线，手柄外侧设有控制开关，这样的结构不能对高出维护人员臂长范围内的枝干进行修剪，需要借用爬梯来完成，增强了劳动的强度，而且需要电源线来供电，使用空间有局限，而且电源线容易被损坏，导致安全性差。

当然国内还有一些修剪车，但是修剪车一般并没有配备专门的修剪刀头，仍然需要人工进行辅助操作，实现对高空树木的树枝修剪工作。

[0005]例如，实用新型专利201420539702.2公布了一种用于树木修剪的移动机器人，包括：滚轮式车体行进机构，所述滚轮式车体行进机构的行进方式采用调整两个独立电机轮转速实现转弯；所述电机可控制圆盘锯的旋转，所述控制系统可控制横杆的旋转。

该树木修剪机器人动力充沛、操作简单、运行稳定，而且节约人力成本、灵活度高。

但是该实用新型专利仍旧需要人工进行操作，且并不能对树木枝干较高的杨树等树木进行修剪，存在一定弊端。

[0006]发明专利201410512605.9则公开了一种枝条修剪粉碎机器人及方法，包括机械手臂、安装在机械手臂前端的修剪末端执行器、控制单元、摄像机；该发明集对枝条进行选择性剪枝与粉碎为一体，减少了为了枝条粉碎进行的枝条搬运环节，可以进行实时粉碎。

而且利用枝条和树叶就地粉碎的碎末作为有机肥料，返回到土壤中，降低了生产成本，减少了作物对化学合成肥料的使用量，促进了有机水果产业的发展。

但是该发明专利存在一个致命弱点，即：树木的枝条可修剪范围受机械手长度的制约，对于那些高大的树木树枝或树木较高位置的树枝的修剪无能为力。

[0007]发明专利201310046491.9公布了一种杨树自动修枝装置，包括：攀爬机构、旋转机构和修枝锯执行机构。

攀爬机构集驱动与压紧功能于一体，在保证车轮压紧树干的同时，为机器爬升提供所需动力；旋转机构通过连接支撑杆固定在攀爬机构的上部，实现绕树干的整周转动；修枝锯执行机构固定在旋转机构上，修枝锯电机及圆盘锯在电动推杆的作用下
可在径向方向进给，到达所需剪枝位置，修枝锯高速旋转沿树枝侧向锯切，完成修枝操作。

该杨树自动修枝装置结构简单、操作方便、定位准确，并且修枝自动化程度高，无需人工直接参与，安全性好。

能够实现贴近主干进行修枝，有利于减小枝桩长度，减少死节，提高木材质量。

但是该发明专利的压紧功能由于弹簧弹力和行程有限，只能对某一直径范围内的树干有效，对于过粗、过细的树干并不适用。

更重要的，如果树干的上下部分直径不同，则该装置失效。

另外，该装置的自动化程度不高，仍然需要人工的操作，浪费人力和物力。

[0008]为了提高树枝修剪的效率，尽可能的适用高低树木树枝的修剪，降低工人劳动强度，因此设计一种全自动的树木修剪机器人非常必要。

发明内容
[0009]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全自动树枝修剪机器人，可以实现对杨树、梧桐等高度较高的树木进行树枝修剪，本发明还提供该机器人的修剪方法。

[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0011]一种全自动树枝修剪机器人，包括全地形底盘移动平台、电控单元、可分离末端执行单元、机械臂、执行单元释放和回收机构、视觉导航机构、大容量锂电池，所述电控单元、机械臂、视觉导航机构、大容量锂电池安装于全地形底盘移动平台上，所述机械臂的顶部通过执行单元释放和回收机构与可分离末端执行单元连接，所述大容量锂电池与机器人用电器件连接并为其供电。

[0012]所述电控单元由控制柜、微型工控机、底盘移动平台驱动器、导航摄像机三维云台驱动器、电磁吸盘驱动器、绕线辊驱动器、爬高步进电机驱动器、抱紧伸缩电机驱动器、刀距伸缩步进电机驱动器、直流电机驱动器、转向减速电机驱动器组成。

[0013]所述可分离末端执行单元由执行单元本体、张合机构、爬高抱紧转向机构、刀距调节机构、刀体及驱动机构组成，执行单元本体为筒形支架，分为左半圆柱支撑体、右半圆柱支撑体，张合机构包括张合支架、张合伺服电机，爬高抱紧转向机构由爬高轮组、抱紧伸缩电机、爬高齿轮组、爬高步进电机、转向减速电机、压力传感器组成，刀距调节机构包括刀距伸缩步进电机、刀距调节载体平台，刀体及驱动机构包括刀体、直流电机。

[0014]所述执行单元释放和回收机构由环形钢叉、电磁吸盘、电动绕线辊组成，环形钢叉为本体支架结构，上端面安装固定电磁吸盘，电动绕线辊固定在环形钢叉的侧面。

[0015]所述视觉导航机构由道路导航摄像机、双目立体视觉摄像机、导航摄像机三维云台、立体视觉摄像机支架组成，道路导航摄像机通过导航摄像机三维云台固定在全地形底盘移动平台前方，立体视觉摄像机支架底部通过螺栓结构固定在全地形底盘移动平台的前端，双目立体视觉摄像机固定于立体视觉摄像机支架的顶部。

[0016]上述全自动树枝修剪机器人的修剪方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0017]St1：道路导航摄像机通过导航摄像机三维云台固定在全地形底盘移动平台前方，导航摄像机三维云台驱动器的驱动下，导航摄像机三维云台可以实现空间三维的运动，进而带动道路导航摄像机三维运动，实现对全地形底盘移动平台周围环境状况及前方道路状况的监控和自主导航运动；同时，微型工控机控制底盘移动平台驱动器驱动全地形底盘移动平台前进；
[0018]St2：当发现需要修剪的树枝时，全地形底盘移动平台放慢速度前进，慢慢靠近需
要修剪的树木，进入可控范围内，最终实现树木处于全地形底盘移动平台的前方或侧前方；[0019]St3：此后双目立体视觉摄像机开始工作，实现对树木的空间三维坐标定位，定位完毕后，微型工控机控制机械臂带动可分离末端执行单元、执行单元释放和回收机构靠近树干；在该过程中，微型工控机通过驱动张合伺服电机控制张合支架的打开，进而带动左半圆柱支撑体和右半圆柱支撑体的打开，最终带动执行单元本体的打开，实现对执行单元本体对树干的进入；执行单元本体进入树干后，微型工控机通过驱动张合伺服电机带动执行单元本体闭合，实现对树干的全方位包裹；在上述过程的开端，双目立体视觉摄像机还需要确定树干的粗细、需要修剪树枝的高度及树枝的分布等信息；
[0020]St4：此后为可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构分离过程，过程为：微型工控机控制电磁吸盘驱动器掉电操作，从而使得电磁吸盘和可分离末端执行单元之间没有吸合力，从而为下一步的分离提供电气控制条件；
[0021]St5：所述爬高抱紧转向机构开始工作，过程为：由于所述爬高轮组为橡胶轮子和支架结构，轮子主要用来实现与树干的摩擦压紧作用，微型工控机通过控制爬高步进电机驱动器进而实现对爬高步进电机的驱动，通过爬高齿轮组的传动作用，实现对爬高轮组的驱动，此时爬高轮组上橡胶轮子开始在树干上旋转，进而带动整套可分离末端执行单元沿树干上升；在该过程中，由于可分离末端执行单元与执行单元释放和回收机构开始分离，距离变长，因此需要通过微型工控机控制绕线辊驱动器驱动电动绕线辊进行放线；同时，在该过程中，所述压力传感器安装在爬高轮组上，可以实时监测轮组与树干的压力，发送至控制器，供控制器分析处理后，控制抱紧伸缩电机的运动，实现执行单元本体与爬高轮组的距离可调，从而控制爬高轮组与树干的压力值恒定；
[0022]St6：爬高抱紧转向机构继续上升到需要修剪的树枝高度后停止运动，由于在步骤St3中已经由双目立体视觉摄像机确定了树干的粗细、需要修剪树枝的高度及树枝的分布等信息，此时开始进入刀距调整过程，具体过程为：微型工控机通过控制刀距伸缩步进电机驱动器驱动刀距伸缩步进电机实现转轴的伸缩，进而带动刀体及驱动机构的前进和后退，进而实现刀体和执行单元本体轴心处距离的调整，当调整到位后，爬高抱紧转向机构停止工作；
[0023]St7：该过程为刀体旋转和切割过程，当然旋转和切割过程为同时进行的，具体步骤为：
[0024]①旋转过程：所述转向减速电机的本体安装在抱紧伸缩电机的伸缩机构上，转向减速电机的转轴则安装爬高轮组的本体上，通过转向减速电机的运动，可以带动爬高轮组的转向，从而实现爬高轮组任意角度的转向；当爬高轮组的轴线与树干的轴线垂直时，爬高轮组可以带动整套执行单元本体沿树干外周的切线方向转动，即实现了围绕树干的圆周运动，如果此时执行单元本体上设置有树枝修剪机构，则可以实现对树干上树枝的修剪；由于爬高轮组的任意角度可调，此时可以带动爬高轮组沿任意角度实现对树干的攀爬，不受树枝的影响；
[0025]②切割过程：在上述旋转过程中，由于整套刀体及驱动机构会触碰到需要修剪的树枝，因此该过程中，微型工控机控制直流电机驱动器驱动直流电机高速旋转，进而带动刀体的铝合金锯片高速旋转，实现对待修剪树枝的修剪作用；
[0026]St8：当上述过程中的旋转过程和切割过程进行一个周期后，则该树干区域内的多
余树枝已经被修剪、清楚干净，如果需要继续修剪上部的树枝，此时重复St5-St7过程；[0027]St9：当一颗树干上的所有需要修剪的树枝被修剪完毕后，修剪机器人上的可分离末端执行单元开始进入回收阶段，具体的为：像步骤St5过程一样，只是爬高抱紧转向机构开始向下工作，进入下降阶段，下降到较低的高度时，此时爬高抱紧转向机构所在的高度与修剪机器人上所在的执行单元释放和回收机构的上端面一致或者稍高于执行单元释放和回收机构时，开始进入对可分离末端执行单元的回收工作；在爬高抱紧转向机构下降过程中，由于可分离末端执行单元与执行单元释放和回收机构开始靠近，距离变短，因此需要通过微型工控机控制绕线辊驱动器驱动电动绕线辊进行收线操作；
[0028]St10：在该过程中，进入可分离末端执行单元与树干的分离过程，具体为：微型工控机通过驱动张合伺服电机，从而控制张合支架的打开，进而带动左半圆柱支撑体和右半圆柱支撑体的打开，最终带动执行单元本体的打开，实现对执行单元本体对树干的可分离；[0029]St11：此后，由于可分离末端执行单元与树干已经分离，此后为可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构的回收过程，过程为：微型工控机控制电磁吸盘驱动器得电操作，从而使得电磁吸盘和可分离末端执行单元之间产生吸合力，从而可分离末端执行单元被执行单元释放和回收机构回收，至此，全自动树枝修剪机器人完成一棵树干的树枝修剪工作。

[0030]本发明的有益效果是：
[0031](1)本发明不仅设计了全新的针对树干高度较高的树枝修剪机器人，实现了对树木枝干的自动识别、计算、测量和自动修剪，还提出了相对应的该发明机械结构和电气连接相关的修剪步骤和方法，填补了当前市场上全自动修剪机器人、高空树木修剪机器人的空白，提高了树枝修剪的效率，降低了工作人员的劳动强度，减少了社会公共服务的运营成本。

[0032](2)本发明通过加入视觉导航机构，实现对树干的粗细、需要修剪树枝的高度及树枝的分布等信息的无接触式测量，为后续的全自动修剪机器人的自动修剪功能奠定了基础，对于促进提高我国树枝修剪机械的现代化、智能化和无人化具有不可估量的意义。

[0033](3)本发明通过设计全新的执行单元释放和回收机构，利用环形钢叉、电磁吸盘、电动绕线辊的作用，并配合机械臂，实现对特定金属部件或机构回收和释放工作，当然，该结构不仅可以与本发明中的可分离末端执行单元配合使用，还可以应用到其它类似结构的机构回收和释放结构中去，通用性广，结构简单，实用程度高。

[0034](4)本发明通过设计的可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构的配合动作，并且利用电动绕线辊的收线和放线作用，用以连接可分离末端执行单元和执行单元释放和回收机构之间的电气连接，实现了树枝修剪机构和机器人本体的分离，可以完全实现修剪机构的脱离本体工作，克服了现有的机器人在进行对高度较高的树干进行树枝修剪时需要使用加上机械臂的弊端，降低了树枝修剪机器人的成本。

附图说明
[0035]图1为本发明全自动树枝修剪机器人的立体结构示意图。

[0036]图2为本发明全自动树枝修剪机器人的主视结构示意图。

[0037]图3为本发明全自动树枝修剪机器人的电控单元结构示意图。