森林是地球上功能最完善的陆地生态系统，与人类的繁衍、生存和发展息息相关。根据《中国林业统计年鉴(2015)》[1]显示，2015年全国林地面积为31 259.00万hm2，森林面积20 768.73万hm2(其中人工林面积6 933.38万hm2)，森林覆盖率为21.63%。林业发展的核心任务是培育和发展森林，加速后备资源的抚育，抚育作业的机械化是林业发展非常重要的一个方面。

立木整枝是指借用某种工具对人工林进行剪除衰老枝、弱枝以及弯曲枝的抚育措施[2]，是森林抚育作业的主要环节之一。人工林进行整枝作业可以带来许多益处，如保持植物的自然态势，改善通风透光条件，剪除不利于植物生长的部分，调节营养生长和生殖生长的关系等[3]。

1 人工林立木整枝机械研究现状

1.1 国内研究现状

我国的人工林立木整枝作业起步较晚，整枝作业多是利用无动力的手工工具或者油锯。随着营林技术水平的提高和生产的需要，国内出现了各种形式的立木整枝机械，如手持自动或半自动式整枝机械、背负式和车载式整枝机械等[4]。

在21世纪初，我国学者开始加大对整枝机械的研究，使得立木整枝机械得到了快速发展。2000年，刘学龙等[5]对 5ZDB-185A型便携式电动园林整枝机进行了改进，以汽油发动机组为动力源，带动锯片旋转切削树枝。2006年，邹运梅等[6]研制出了背负式可调高枝修剪机，以安装在背架上的小型汽油机为动力，并且在刀具上做了改进，减轻了园林工人的劳动强度。2015年，朱广勇等[7]对树木剪枝液压剪剪切机构进行了设计和优化，使其在剪切过程中不会产生附加力矩。

近年来，由于人工智能的发展，立木整枝作业机器人也得到了快速发展。立木整枝作业机器人是一种移动式机器人，其到达作业地点的方式主要有两种，一是使用车辆运送到待整枝的树下，另一种是自主运动到待整枝的树下[8]。针对立木机器人的关键技术，如避让机构(实时避障、立木枝干自动识别和无线遥控发射系统)，各学者对此进行了不断的研究和改进。2006年，张俊梅等[9]设计了一种基于 EDA技术的自动立木整枝机无线遥控发射系统，通过优化CPLD内部逻辑电路有效消除了逻辑竞争冒险，降低了噪声干扰，确保了系统逻辑设计的正确性。2009年，李文彬等[10]对避让机构进行了运动仿真分析，设计了一种可以自动使切削机构避开树枝的避让装置，保证了锯切机构能顺利地进行切削。2018年，方朋朋等[11]对人工势场法(APF)的避障失败进行了研究，在此基础上用粒子群算法对APF算法进行优化，使得移动机器人可以逃出局部极小值点，顺利地到达目标位置。

1.2国外研究现状

国外对人工林立木整枝机械的研究要早于我国，并已开发出多种形式的人工林立木整枝机，如前西德开发的立木链锯打枝机、法国研制的移动式液压打枝机[12]、日本的液压剪枝机等。意大利、瑞典等国也研制出自动升降台来进行高空剪枝，如意大利的萨斯马升降台和瑞典的阿弗龙升降台等[13]。

由于林业作业劳动强度大、受作业环境的影响严重，以及世界上发达国家劳动力匮乏，所以林业机器人在发达国家发展较快，特别是日本、美国、德国和瑞典等国家，尤以日本水平最高[14-16]。2011年，Ueki等[17]模仿日本伐木工攀爬的方式研发出一种木耳式整枝机器人，其融合了垂直和螺旋攀登的创新策略，具有轻量化和高速度的特点。2018年，Gui等[18]提出一种新型爬树机器人剪枝机制，其具有被动和主动防坠落机制，以及垂直或螺旋爬上树干的能力，能使整枝机器人更好地进行立木整枝作业。

针对现有整枝机械的不足，如工作效率低、劳动强度大、修枝质量和高度很难达到抚育技术的要求、机械设备过大过重等问题，设计出了一种结构简单紧凑，体积小、质量轻的微型人工林立木整枝机。该项目的研究与开发不仅可以加快中幼林抚育的速度，而且可以减轻工人劳动强度，提高生产效率。

2 整枝机总体方案设计

2.1 总体方案确定

目前的营林抚育作业机械都在向轻便、灵活、高效的方向发展，为了使整枝机作业灵活，满足任意角度、任意位置切削，设计使电机输出轴与刀具轴成90°。在综合考虑齿轮传动、带传动、链传动等结构特点后，为了满足切削刀具轴高速旋转的要求，最终确定在电机与切削刀具之间采用二级传动方式。带传动的传动平稳，能缓冲吸振，因此宜布置在传动装置的高速级，而锥齿轮传动则可以用来实现轴方向的改变，故一级传动采用带传动，二级传动采用直齿锥齿轮传动，以此实现整枝作业。整枝机结构简图如图1所示。