高空果實(shí)采集機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、高空果實(shí)采集機(jī)器手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)徐豪陽，蒲志新(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000)摘要：為了提高采集林木球果的效率.保證采種作業(yè)工人安全，減小對(duì)母樹的損壞，研制 了林木球果采集機(jī)器人.該機(jī)器人采用集材J-50型履帶式拖拉機(jī)作行走機(jī)構(gòu)，上部安裝6 自由度機(jī)械手及單片機(jī)程序控制系統(tǒng).其主要技術(shù)參數(shù)為：最大采集高度14 m，最大作業(yè) 半徑6. 8 m，最大采集力2 500 N。試驗(yàn)表明，該機(jī)器人每天可采落葉橙球果約500 kg.關(guān)鍵詞：球果采集設(shè)備機(jī)器人機(jī)械手High fruit collection machine hydraulic system designXu Haoyang，Pu Zhi

2、xin(Liaoning Technical University, Fuxin, 123000)Abstract: people want to improve the efficiency of collecting forest cones. Ensure seed worker safety, reduce the damage to trees, development of cone collecting robot. The robot uses yarding type J-50 crawler tractor for walking mechanism, is install

3、ed at the upper part of 6 degree of freedom manipulator and single-chip control system. Its main technical parameters : the biggest acquisition height 14 m, the maximum radius of operation of 6.8 m, the largest collection of force 2500 N. Experiments show that, the robot can collect leaves orange co

4、nes per day to about 500 kg.Key words: cone Data acquisition equipment robot manipulator0引言高空果實(shí)采集一直以來都是一件困難的事，以前多為人工采摘，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作 效率也不高，還具有一定的危險(xiǎn)性，對(duì)于一些珍貴樹種容易造成傷害。人工采摘的方式一般 就是用竹竿打落果實(shí)或通過搖晃枝干達(dá)到果實(shí)掉落的目的，珍貴樹種需人工攀爬手動(dòng)采集， 危險(xiǎn)且效率低。如林木球果等珍貴的林木果實(shí)，果實(shí)成熟時(shí)間段更加不易采集。目前我國仍 采用工人手持專用工具如刀、剪、斧等折小枝甚至砍大枝的方法采取球果，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng) 度大，作業(yè)安全

5、性差，效率低，而且對(duì)母樹的損傷十分嚴(yán)重。在森林培育中，林術(shù)球果采集 一直是個(gè)難題。多年來國內(nèi)外雖已研制過一些球果采集機(jī)械，如樹干振動(dòng)機(jī)、高空升降車等， 但均未能投入實(shí)際應(yīng)用。為此我國研制出了林木球果采集機(jī)器人。該機(jī)器人其主要技術(shù)參數(shù) 為：最大采集高度14 m，最大作業(yè)半徑6. 8 m,最大采集力2 500 N。試驗(yàn)表明，該機(jī)器人 每天可采落葉橙球果約500 kg，效率約為人工采集的3035倍.該機(jī)囂手采用集材J一50型 履帶式拖拉機(jī)作行走機(jī)構(gòu)，上部安裝5自由度機(jī)械手及單片機(jī)程序控制系統(tǒng).機(jī)械手的采集 主要靠液壓系統(tǒng)工作，由單片機(jī)程序控制。在J-50型履帶式拖拉機(jī)上安裝機(jī)械手，機(jī)械手主 要由大臂

6、，小臂，采集爪組成，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。如圖所示1.車架2.回轉(zhuǎn)盤3.立柱4.大臂5.小臂6 .采集爪7.集果籍2液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析2.1大臂液壓缸油路的工作分析大臂液壓缸液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，大臂液壓缸液壓工作系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)雙向液壓鎖， 一個(gè)電液比例調(diào)速閥和一個(gè)大臂液壓缸組成。大臂液壓缸的工作原理是這樣的：油液由液壓 泵供入上圖的右油路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使液壓缸伸縮的目的。當(dāng) 三位四通電磁換向閥左通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此時(shí)大臂收 縮回落。當(dāng)三位四通電磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱， 此時(shí)大臂

7、伸展上升。此系統(tǒng)中，用到了電液比例調(diào)速閥，他的作用是控制大臂起落的速度， 使其工作協(xié)調(diào)穩(wěn)定。雙向液壓鎖的作用是鎖定作用，當(dāng)液壓泵停止供油時(shí)，大臂能停留在當(dāng) 前位置不動(dòng)。這個(gè)就是大臂液壓缸油路的工作分析。2.2小臂液壓缸油路的工作分析小臂液壓缸液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，小臂液壓缸液壓工作系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)雙向液壓鎖，一 個(gè)電液比例調(diào)速閥和一個(gè)小臂液壓缸組成。小臂液壓缸的工作原理是這樣的：油液由液壓泵 供入上圖的右油路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使液壓缸伸縮的目的。當(dāng)三 位四通電磁換向閥左通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此時(shí)小臂收縮回落。當(dāng)三位四通電

8、磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱，此 時(shí)小臂伸展上升。此系統(tǒng)中，用到了電液比例調(diào)速閥，他的作用是控制大臂起落的速度，使 其工作協(xié)調(diào)穩(wěn)定。雙向液壓鎖的作用是鎖定作用，當(dāng)液壓泵停止供油時(shí)，小臂能停留在當(dāng)前 位置不動(dòng)。這個(gè)就是小臂液壓缸油路的工作分析。2.3腕部液壓缸油路的工作分析腕部液壓缸液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，腕部液壓缸液壓工作系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)電液比例調(diào)速閥 和腕部液壓缸組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。腕部液壓缸的工作原理是這樣的：油液由液壓泵供 入上圖的右油路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使液壓缸伸縮的目的。當(dāng)三位 四通電磁換向閥左通時(shí)，油液進(jìn)

9、入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此時(shí)采集爪上揚(yáng)。 當(dāng)三位四通電磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱，此時(shí)采集 爪垂下。此系統(tǒng)中，用到了電液比例調(diào)速閥，他的作用是控制腕部活動(dòng)速度，使其工作協(xié)調(diào) 穩(wěn)定。這個(gè)就是腕部液壓缸油路的工作分析。2.4采集爪開和液壓缸油路的工作分析采集爪開和液壓缸液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，采集爪開合液壓缸液壓工作系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)節(jié)流閥， 一個(gè)單向閥和一對(duì)并聯(lián)油缸組成。采集爪開合液壓缸的工作原理是這樣的：油液由液壓泵供 入上圖的右油路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使液壓缸伸縮的目的。當(dāng)三位 四通電磁換向閥左通時(shí)，油液分

10、別進(jìn)入各個(gè)油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此時(shí)采 集爪張開。當(dāng)三位四通電磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱， 此時(shí)采集爪閉合。此系統(tǒng)中，節(jié)流閥和單向閥組成的環(huán)節(jié)起到保護(hù)作用，使油缸中不發(fā)生真 空現(xiàn)象，保證采集爪開合穩(wěn)定。這個(gè)就是采集爪開和液壓缸油路的工作分析。2.5采集爪擺動(dòng)液壓馬達(dá)油路的工作分析采集爪擺動(dòng)液壓馬達(dá)液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，采集爪擺動(dòng)液壓油路由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)雙向液壓鎖，一個(gè) 單向閥，一個(gè)節(jié)流閥和一個(gè)擺動(dòng)液壓馬達(dá)組成。采集爪擺動(dòng)的工作原理這樣的：油液由液壓泵供入上圖的右油路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使擺 動(dòng)液壓馬達(dá)。當(dāng)三位

11、四通電磁換向閥左通時(shí)，油液進(jìn)入擺動(dòng)液壓馬達(dá)的右邊，此時(shí)采集爪向 右擺。當(dāng)三位四通電磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入擺動(dòng)液壓馬達(dá)的左邊，此時(shí)采集爪左擺。此 系統(tǒng)中，節(jié)流閥和單向閥組成的環(huán)節(jié)起到保護(hù)作用，使擺動(dòng)液壓馬達(dá)中不發(fā)生真空現(xiàn)象，保 證采集爪擺動(dòng)穩(wěn)定。雙向液壓鎖的作用是鎖定作用，當(dāng)液壓泵停止供油時(shí)，擺動(dòng)液壓馬達(dá)能 停留在當(dāng)前位置不動(dòng)。這個(gè)就是采集爪擺動(dòng)液壓馬達(dá)油路的工作分析。2.6回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)油路的工作分析回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖所示，回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的工作系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電磁換向閥，一個(gè)節(jié)流閥，一個(gè) 單向閥和一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)組成?；剞D(zhuǎn)液壓馬達(dá)的工作原理是這樣的：油液由液壓泵供入上 圖的右油

12、路，通過三位四通電磁換向閥的左右換位，起到使回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)的目的。當(dāng)三 位四通電磁換向閥左通時(shí)，油液進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的右邊，此時(shí)大臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三位四 通電磁換向閥右通時(shí)，油液進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的左邊，此時(shí)大臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此系統(tǒng)中，節(jié) 流閥和單向閥組成的環(huán)節(jié)起到保護(hù)作用，使回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)中不發(fā)生真空現(xiàn)象，保證大臂的轉(zhuǎn) 動(dòng)穩(wěn)定。這個(gè)就是回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)油路的工作分析。3采集機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制總原理工作分析采集機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制總原理圖1,4-電磁溢流閥；2,3-雙聯(lián)齒輪泵；5, 9,23-節(jié)流閥；6,10,13,15,20,24-三位四通電磁換向閥；7,16,21-雙 向液壓鎖；8-擺動(dòng)液壓馬達(dá)；1

13、1,28-采集爪開合液壓缸；12,19-電液比例調(diào)速閥；14-腕部液壓缸；17-小 臂液壓缸；18-壓力繼電器；22-大臂液壓缸；25-回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)；26,27-壓力表如圖所示，機(jī)械手的6個(gè)自由度分別有回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)25,大臂液壓缸22,小臂液壓缸17, 腕部液壓缸14，采集爪開合液壓缸11,28和擺動(dòng)液壓馬達(dá)8來控制。液壓缸11,28為梳齒狀的 開合缸，梳齒狀采集爪寬0.5m，長0.85m，上下兩片，可開合（采集爪最大開度為上下兩梳齒 間距0.9m）用來抓取球果。下梳齒左右兩側(cè)最外面一齒是新月形側(cè)板，以防止摘下的球果從 兩側(cè)滾出去。該液壓系統(tǒng)為雙泵雙回路系統(tǒng)，油源為J-50拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)

14、動(dòng)的雙聯(lián)高 壓齒輪泵2,3.系統(tǒng)中左邊擺動(dòng)馬達(dá)8,開合缸11,28,腕部缸14和小臂缸17由泵3供油，為一 獨(dú)立回路，泵3的調(diào)壓及卸荷由電磁溢流4實(shí)現(xiàn)，壓力由壓力表26顯示。右邊大臂缸22和回轉(zhuǎn) 馬達(dá)25由泵2供油，為另一獨(dú)立回路，泵2的調(diào)壓及卸荷電磁溢流1控制，壓力由壓力表27顯 示。三位四通電磁換向閥6,10，13, 15, 20和24分別用來控制各執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)方向。系統(tǒng)中 全部電器元件均由24V蓄電池供電。擺動(dòng)液壓馬達(dá)8驅(qū)動(dòng)采集爪左右擺動(dòng)，單邊擺動(dòng)量為135度，擺動(dòng)速度由節(jié)流閥5調(diào)節(jié)。 采集爪擺動(dòng)后定位由雙向液壓鎖7完成。兩個(gè)并聯(lián)的采集爪開合缸11,28的開合運(yùn)動(dòng)速度由節(jié) 流閥9調(diào)節(jié)。腕

15、部缸14控制采集爪的俯仰可達(dá)90度。由于腕部缸14和小臂缸17一般不同時(shí)工 作，故采用同一電液比例調(diào)速閥12進(jìn)行伺服控制。大臂缸22用電液比例調(diào)速閥19進(jìn)行伺服控 制。工作中通過對(duì)2個(gè)電液比例調(diào)速閥12和19的開口進(jìn)行控制，以達(dá)到大臂與小臂或大臂與 腕部的協(xié)調(diào)動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)25通過蝸輪蝸桿和齒輪齒圈減速器驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)機(jī)械手左右回 轉(zhuǎn)，其工作速度由節(jié)流閥23來調(diào)節(jié)。壓力繼電器18用于大臂缸22的過載保護(hù)，當(dāng)作業(yè)過程中 發(fā)生過載時(shí)即發(fā)出使閥1電磁鐵通電的電信號(hào)，使泵2卸荷。在采集爪抓取果枝和采集球果的復(fù)合動(dòng)作中，須適時(shí)調(diào)節(jié)采集爪的開臺(tái)、俯仰和左右 擺動(dòng)動(dòng)作。采完一根果枝后，采集爪上升或下降對(duì)準(zhǔn)相

16、鄰果枝再行采集，連續(xù)采若干個(gè)果枝 后，機(jī)械手下降，將采集爪對(duì)準(zhǔn)拖拉機(jī)后部的集果箱后張開，將爪內(nèi)積聚的球果倒入箱中。 不停循環(huán)操作，直到完成采集任務(wù)。4 結(jié)論高空果實(shí)采集機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是這樣的，通過單片機(jī)程序的控制能順利完成 高空果實(shí)采集任務(wù)，比人工采集效率高出很多，既安全又節(jié)省資源。液壓系統(tǒng)在高空果實(shí)采 集機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)中站很重要的地位，整體機(jī)構(gòu)幾乎都是液壓系統(tǒng)，本文也只著重介紹了 該機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一部分，沒有介紹全面，望大家見諒。目前高空果實(shí)采集機(jī)械手 也只能做到這種地步，它還有很多不足之處，采集過程比較粗糙，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美的地步。 高空果實(shí)采集機(jī)械手還有更大的發(fā)展余地。

17、我們可以在其上安裝各種傳感器，智能設(shè)備，使 其達(dá)到全自動(dòng)自行采集，無需人工控制。這樣能夠更準(zhǔn)確的采集果實(shí)，對(duì)樹木保護(hù)的更到位。 我很期待高空果實(shí)采集機(jī)械手能向著智能方向發(fā)展，不過任重道遠(yuǎn)，我們需要繼續(xù)努力。參考文獻(xiàn)張利平現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220例北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.8張利平液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.3張利平液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4劉極峰機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)北京：高級(jí)教育出版社，2006.5(2010重印)章宏甲，黃誼液壓傳動(dòng)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997黃誼，章宏甲機(jī)床液壓傳動(dòng)習(xí)題集北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999章宏甲液壓與氣壓傳動(dòng)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.5MasaakiSenga.Modeling and analysis of power steeringsys