高空果实采集机械手液压控制系统设计

1、高空果实采集机器手液压系统设计徐豪阳，蒲志新(辽宁工程技术大学，阜新，123000)摘要：为了提高采集林木球果的效率.保证采种作业工人安全，减小对母树的损坏，研制 了林木球果采集机器人.该机器人采用集材J-50型履带式拖拉机作行走机构，上部安装6 自由度机械手及单片机程序控制系统.其主要技术参数为：最大采集高度14 m，最大作业 半径6. 8 m，最大采集力2 500 N。试验表明，该机器人每天可采落叶橙球果约500 kg.关键词：球果采集设备机器人机械手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引言高空果实采集一直以来都是一件困难的事，以前多为人工采摘，不仅费时费力，工作 效率也不高，还具有一定的危险性，对于一些珍贵树种容易造成伤害。人工采摘的方式一般 就是用竹竿打落果实或通过摇晃枝干达到果实掉落的目的，珍贵树种需人工攀爬手动采集， 危险且效率低。如林木球果等珍贵的林木果实，果实成熟时间段更加不易采集。目前我国仍 采用工人手持专用工具如刀、剪、斧等折小枝甚至砍大枝的方法采取球果，不仅工人劳动强 度大，作业安全

5、性差，效率低，而且对母树的损伤十分严重。在森林培育中，林术球果采集 一直是个难题。多年来国内外虽已研制过一些球果采集机械，如树干振动机、高空升降车等， 但均未能投入实际应用。为此我国研制出了林木球果采集机器人。该机器人其主要技术参数 为：最大采集高度14 m，最大作业半径6. 8 m,最大采集力2 500 N。试验表明，该机器人 每天可采落叶橙球果约500 kg，效率约为人工采集的3035倍.该机嚣手采用集材J一50型 履带式拖拉机作行走机构，上部安装5自由度机械手及单片机程序控制系统.机械手的采集 主要靠液压系统工作，由单片机程序控制。在J-50型履带式拖拉机上安装机械手，机械手主 要由大臂

6、，小臂，采集爪组成，机构简单实用。如图所示1.车架2.回转盘3.立柱4.大臂5.小臂6 .采集爪7.集果籍2液压控制系统设计与分析2.1大臂液压缸油路的工作分析大臂液压缸液压控制系统原理图如图所示，大臂液压缸液压工作系统由一个三位四通电磁换向阀，一个双向液压锁， 一个电液比例调速阀和一个大臂液压缸组成。大臂液压缸的工作原理是这样的：油液由液压 泵供入上图的右油路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使液压缸伸缩的目的。当 三位四通电磁换向阀左通时，油液进入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此时大臂收 缩回落。当三位四通电磁换向阀右通时，油液进入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱， 此时大臂

7、伸展上升。此系统中，用到了电液比例调速阀，他的作用是控制大臂起落的速度， 使其工作协调稳定。双向液压锁的作用是锁定作用，当液压泵停止供油时，大臂能停留在当 前位置不动。这个就是大臂液压缸油路的工作分析。2.2小臂液压缸油路的工作分析小臂液压缸液压控制系统原理图如图所示，小臂液压缸液压工作系统由一个三位四通电磁换向阀，一个双向液压锁，一 个电液比例调速阀和一个小臂液压缸组成。小臂液压缸的工作原理是这样的：油液由液压泵 供入上图的右油路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使液压缸伸缩的目的。当三 位四通电磁换向阀左通时，油液进入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此时小臂收缩回落。当三位四通电

8、磁换向阀右通时，油液进入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱，此 时小臂伸展上升。此系统中，用到了电液比例调速阀，他的作用是控制大臂起落的速度，使 其工作协调稳定。双向液压锁的作用是锁定作用，当液压泵停止供油时，小臂能停留在当前 位置不动。这个就是小臂液压缸油路的工作分析。2.3腕部液压缸油路的工作分析腕部液压缸液压控制系统原理图如图所示，腕部液压缸液压工作系统由一个三位四通电磁换向阀，一个电液比例调速阀 和腕部液压缸组成。系统结构非常简单。腕部液压缸的工作原理是这样的：油液由液压泵供 入上图的右油路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使液压缸伸缩的目的。当三位 四通电磁换向阀左通时，油液进

9、入油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此时采集爪上扬。 当三位四通电磁换向阀右通时，油液进入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱，此时采集 爪垂下。此系统中，用到了电液比例调速阀，他的作用是控制腕部活动速度，使其工作协调 稳定。这个就是腕部液压缸油路的工作分析。2.4采集爪开和液压缸油路的工作分析采集爪开和液压缸液压控制系统原理图如图所示，采集爪开合液压缸液压工作系统由一个三位四通电磁换向阀，一个节流阀， 一个单向阀和一对并联油缸组成。采集爪开合液压缸的工作原理是这样的：油液由液压泵供 入上图的右油路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使液压缸伸缩的目的。当三位 四通电磁换向阀左通时，油液分

10、别进入各个油缸的上油缸，下油缸中油液排入油箱，此时采 集爪张开。当三位四通电磁换向阀右通时，油液进入油缸的下油缸，上油缸中油液排入油箱， 此时采集爪闭合。此系统中，节流阀和单向阀组成的环节起到保护作用，使油缸中不发生真 空现象，保证采集爪开合稳定。这个就是采集爪开和液压缸油路的工作分析。2.5采集爪摆动液压马达油路的工作分析采集爪摆动液压马达液压控制系统原理图如图所示，采集爪摆动液压油路由一个三位四通电磁换向阀，一个双向液压锁，一个 单向阀，一个节流阀和一个摆动液压马达组成。采集爪摆动的工作原理这样的：油液由液压泵供入上图的右油路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使摆 动液压马达。当三位

11、四通电磁换向阀左通时，油液进入摆动液压马达的右边，此时采集爪向 右摆。当三位四通电磁换向阀右通时，油液进入摆动液压马达的左边，此时采集爪左摆。此 系统中，节流阀和单向阀组成的环节起到保护作用，使摆动液压马达中不发生真空现象，保 证采集爪摆动稳定。双向液压锁的作用是锁定作用，当液压泵停止供油时，摆动液压马达能 停留在当前位置不动。这个就是采集爪摆动液压马达油路的工作分析。2.6回转液压马达油路的工作分析回转液压马达液压控制系统原理图如图所示，回转液压马达的工作系统由一个三位四通电磁换向阀，一个节流阀，一个 单向阀和一个回转液压马达组成。回转液压马达的工作原理是这样的：油液由液压泵供入上 图的右油

12、路，通过三位四通电磁换向阀的左右换位，起到使回转液压马达回转的目的。当三 位四通电磁换向阀左通时，油液进入回转液压马达的右边，此时大臂逆时针转动。当三位四 通电磁换向阀右通时，油液进入回转液压马达的左边，此时大臂顺时针转动。此系统中，节 流阀和单向阀组成的环节起到保护作用，使回转液压马达中不发生真空现象，保证大臂的转 动稳定。这个就是回转液压马达油路的工作分析。3采集机械手液压系统控制总原理工作分析采集机械手液压系统控制总原理图1,4-电磁溢流阀；2,3-双联齿轮泵；5, 9,23-节流阀；6,10,13,15,20,24-三位四通电磁换向阀；7,16,21-双 向液压锁；8-摆动液压马达；1

13、1,28-采集爪开合液压缸；12,19-电液比例调速阀；14-腕部液压缸；17-小 臂液压缸；18-压力继电器；22-大臂液压缸；25-回转液压马达；26,27-压力表如图所示，机械手的6个自由度分别有回转液压马达25,大臂液压缸22,小臂液压缸17, 腕部液压缸14，采集爪开合液压缸11,28和摆动液压马达8来控制。液压缸11,28为梳齿状的 开合缸，梳齿状采集爪宽0.5m，长0.85m，上下两片，可开合（采集爪最大开度为上下两梳齿 间距0.9m）用来抓取球果。下梳齿左右两侧最外面一齿是新月形侧板，以防止摘下的球果从 两侧滚出去。该液压系统为双泵双回路系统，油源为J-50拖拉机的发动机直接驱

14、动的双联高 压齿轮泵2,3.系统中左边摆动马达8,开合缸11,28,腕部缸14和小臂缸17由泵3供油，为一 独立回路，泵3的调压及卸荷由电磁溢流4实现，压力由压力表26显示。右边大臂缸22和回转 马达25由泵2供油，为另一独立回路，泵2的调压及卸荷电磁溢流1控制，压力由压力表27显 示。三位四通电磁换向阀6,10，13, 15, 20和24分别用来控制各执行器的运动方向。系统中 全部电器元件均由24V蓄电池供电。摆动液压马达8驱动采集爪左右摆动，单边摆动量为135度，摆动速度由节流阀5调节。 采集爪摆动后定位由双向液压锁7完成。两个并联的采集爪开合缸11,28的开合运动速度由节 流阀9调节。腕

15、部缸14控制采集爪的俯仰可达90度。由于腕部缸14和小臂缸17一般不同时工 作，故采用同一电液比例调速阀12进行伺服控制。大臂缸22用电液比例调速阀19进行伺服控 制。工作中通过对2个电液比例调速阀12和19的开口进行控制，以达到大臂与小臂或大臂与 腕部的协调动作。回转马达25通过蜗轮蜗杆和齿轮齿圈减速器驱动回转盘带动机械手左右回 转，其工作速度由节流阀23来调节。压力继电器18用于大臂缸22的过载保护，当作业过程中 发生过载时即发出使阀1电磁铁通电的电信号，使泵2卸荷。在采集爪抓取果枝和采集球果的复合动作中，须适时调节采集爪的开台、俯仰和左右 摆动动作。采完一根果枝后，采集爪上升或下降对准相

16、邻果枝再行采集，连续采若干个果枝 后，机械手下降，将采集爪对准拖拉机后部的集果箱后张开，将爪内积聚的球果倒入箱中。 不停循环操作，直到完成采集任务。4 结论高空果实采集机械手的液压系统设计就是这样的，通过单片机程序的控制能顺利完成 高空果实采集任务，比人工采集效率高出很多，既安全又节省资源。液压系统在高空果实采 集机械手的总体设计中站很重要的地位，整体机构几乎都是液压系统，本文也只着重介绍了 该机械手的液压系统设计这一部分，没有介绍全面，望大家见谅。目前高空果实采集机械手 也只能做到这种地步，它还有很多不足之处，采集过程比较粗糙，还远没有达到完美的地步。 高空果实采集机械手还有更大的发展余地。

17、我们可以在其上安装各种传感器，智能设备，使 其达到全自动自行采集，无需人工控制。这样能够更准确的采集果实，对树木保护的更到位。 我很期待高空果实采集机械手能向着智能方向发展，不过任重道远，我们需要继续努力。参考文献张利平现代液压技术应用220例北京：化学工业出版社，2004.8张利平液压传动系统设计与使用北京：化学工业出版社，2010.3张利平液压控制系统及设计北京：化学工业出版社，2006.4刘极峰机器人技术基础北京：高级教育出版社，2006.5(2010重印)章宏甲，黄谊液压传动北京：机械工业出版社，1997黄谊，章宏甲机床液压传动习题集北京：机械工业出版社，1999章宏甲液压与气压传动北京：机械工业出版社，2000.5MasaakiSenga.Modeling and analysis of power steeringsys