摘 要

目前我国林区多位于南方丘陵地带，使用便携式伐木设备安全性不足，而大型伐木机械如联合采伐机受限于地形不便于推广。为此，本文设计了一种基于足式自平衡机器人并配以机械臂牵引链锯来完成伐木作业的自动化的伐木机器人。该伐木机器人的底座是足式机器人，其机身是一个刚体，在机器人机身的顶部设有机械臂装置且机械臂的执行端设有链锯，在机器人主体的下部设有包括四条腿的行走部件，位于机器人的躯干内部的电机驱动机器人的腰部关节转动，位于机器人腰部关节内部的电机驱动机器人肩部关节转动，位于机器人膝部关节内部的电机驱动机器人下肢转动。通过机器人四条三自由度的腿部机构相互配合，能够使机器人在凹凸不平的路面上仍然能保持躯干主体的平衡。机体上装有一个四自由度机械臂，在机械臂的末端配一个链锯设备，通过机械臂的空间运动和链锯的切削运动，实现对树木的砍伐。该机器人能够在复杂山地、丘陵等地域进行稳定的林业作业，有较高的自动化程度、提高生产效率并且节省人力。

关键词：伐木机械；自平衡机器人；丘陵；

Structure design of self-balancing logging robot

with self-walking hilly

ABSTRACT

At present, most of China's forest areas are located in the southern hilly areas, the use of portable logging equipment safety is insufficient, and large logging machinery such as joint logging machine is limited to the terrain is not easy to promote.For this reason, this paper designs an automatic logging robot based on foot self-balancing robot with robotic arm traction chainsaw to complete logging operation. The base of the logging robot is a foot robot, the fuselage of which is a rigid body, with a robotic arm device at the top of the robot fuselage and a chainsaw on the executive end of the robotic arm, a walking part comprising four legs in the lower part of the robot body, and a motor driving robot in the inside of the robot's torso to rotate the waist joint, The motor driving the robot's shoulder joint rotates inside the robot's waist joint, which is located inside the robot's knee joint and the lower extremity of the motor drive robot rotates. Through the combination of four three degrees of freedom leg mechanism of the robot, the robot can still maintain the balance of the main body of the torso on the rugged pavement. The body is fitted with a four-DOF robotic arm, with a chainsaw device at the end of the robotic arm, through the space movement of the robotic arm and the cutting movement of the chainsaw to achieve the felling of trees.The robot is able to carry out stable forestry operations in complex mountainous areas, hills and other regions, with high degree of automation, increased production efficiency and labor savings.

Keywords: logging machinery; self-balancing robot; hilly;

目 录

1 绪论 ………………………………………………………………………………………1

1.1 研究背景和意义………………………………………………………………………1

1.2 国内外研究现状………………………………………………………………………… 1

1.2.1 林业采伐机械的发展现状……………………………………………………… 3

1.2.2 足式机器人的发展现状…………………………………………………………3

1.3 本章小结…………………………………………………………………………………5

2自走式丘陵自平衡伐木机器人总体结构设计…………………………………………………6

2.1 自走式丘陵自平衡伐木机器人总体结构介绍…………………………………………6

2.2 自走式丘陵自平衡伐木机器人工作状态模拟…………………………………………7

2.3 本章小结………………………………………………………………………………9

3 行走装置设计…………………………………………………………………………………10

3.1 行走装置的结构设计…………………………………………………………………10

3.2 电机减速器的选型……………………………………………………………………11

3.3 腿部的具体结构设计 …………………………………………………………………12

3.3.1 膝部关节设计及安装……………………………………………………………12

3.3.2 足部关节设计及安装……………………………………………………………13

3.3.3 肩部关节设计及安装……………………………………………………………14

3.3.4 腰部关节设计及安装…………………………………………………………15

3.4 本章小结………………………………………………………………………………16

4 机械臂装置设计………………………………………………………………………………18

4.1 机械臂结构确定………………………………………………………………………18

4.2 液压元件确定…………………………………………………………………………19

4.3 机械臂基座的安装……………………………………………………………………21

4.4 本章小结………………………………………………………………………………22

5 工作装置设计…………………………………………………………………………………23

5.1 工作装置结构确定……………………………………………………………………23

5.2 本章小结………………………………………………………………………………25

6 自平衡系统和工作装置………………………………………………………………………26

6.1 自平衡系统设计和功能实现…………………………………………………………26

6.2 路径实施规划和反馈…………………………………………………………………27

6.3 工作装置执行设计……………………………………………………………………28

6.4 本章小结………………………………………………………………………………28

7强度校核 ………………………………………………………………………………………29

7.1 下肢连接处强度校核…………………………………………………………………29

7.2 膝部关节处强度校核…………………………………………………………………30

7.3 机械臂电机支座处强度校核…………………………………………………………30

结论………………………………………………………………………………………………32

致谢………………………………………………………………………………………………33

参考文献…………………………………………………………………………………………34

1 绪论

1.1 研究背景和意义

我国林区多处于南方丘陵地带，多陡坡，环境复杂，而林业长期以来依靠人工作业，工作环境恶劣，生产效率低,易发生人员伤亡事故。我国现阶段伐木机械主要以便携式为主，主要是油锯，如051A型、GJ85型，但在产品的安全性上还落后于发达国家，如Stihl的036型和Husqvarna的317XP型油锯。由于丘陵地形的复杂性，人工进入林区易发生人员伤亡事故，所以人工作业不适合在丘陵地带广泛开展。国外的木材采伐机械最典型的是联合采伐机，依靠其多功能的工作头能实现一次完成木材的采伐、打枝、造材功能，大大提高了采伐效率。但是，由于我国林区多在丘陵地带，地面崎岖不平，由低矮山丘组成，切割破碎、无一定方向，而越障能力不足的轮式和履带式机械无法在丘陵地形正常行驶。

近年来，足式自平衡机器人快速发展，比如美国波士顿动力公司的Big dog 四足机器人，将控制理论、计算机和多传感器技术结合液压系统驱动实现了机器人的保持平衡、主动避障和规划路径的功能。杭州宇树科技有限公司发布了一款名为Laikago的四足机器人，该机器人可以实现爬斜坡、穿过石子路和受到外力撞击后保持平稳的功能并且成为了第一款商用的足式机器人，并能够实现量产。因为足式机器人可以在不连续的地面上支撑，来选择最佳的支撑点，所以此类的足式机器人非常适合在丘陵地带上开展作业。

考虑到以上因素，本设计提出了一种自走式丘陵自平衡伐木机器人，其特点是以足式机器人为底座，配以机械臂和伐木作业的工作头。其中电机驱动的足有较强的越障能力，可以实现在丘陵地带的平稳行走，同时配备上GPS导航模块、视觉识别系统、距离传感器等设备，可以完成在丘陵地形的自动化伐木工作。此方案减少了伐木作业对人员的需求，实现了丘陵地带的机械化采伐，大大提高采伐的效率，避免人员在伐木作业中受到伤害^[1~5]。