全 文 ：第 v|卷 第 w期
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林 业 科 学
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伐根清理机器人研制
刘晋浩 陆怀民
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 本文介绍了伐根清理机器人的基本构造和主要功能 o以及液压驱动与控制系统的设计原理 ∀试验
使用表明 o该机器人每天可清理落叶松伐根 tss个左右 o效率为人工清理的 us ∗ ux倍 o最大清理伐根直径为
xxs °° ∀
关键词 } 伐根 o清理设备 o机械手 o机器人
收稿日期 }ussu p su p uz ∀
基金项目 }国家 {yv计划项目k{yv p xtu p |ysv p ttl ∀
ΜΑΝΥΦΑΧΤΥΡΕ ΑΝ∆ ΣΤΥ∆Ψ ΟΦ ΤΗΕ Ρ ΟΒΟΤ ΟΦ ΕΞΧΑς ΑΤΙΝΓ ΤΡΕΕ ΣΤΥΜΠ
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k Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβινtxsswsl
Αβστραχτ } ׫¨ ³¤³¨µ¬±·µ²§∏¦¨§·«¨ ¥¤¶¬¦¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤±§°¤¬±©∏±¦·¬²± ²©·«¨ µ²¥²·²© ¬¨¦¤√¤·¬±ª·µ¨¨¶·∏°³o¤±§¬·¶§¨2
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√¤·¨ ¤¥²∏·tss ¤¯µ¦«¶·∏°³¶³¨µ§¤¼¤±§¬·¶ ©¨©¬¦¬¨±¦¼ º¤¶¤¥²∏·us ∗ ux·¬°¨ ¶·«¤·²©¤º²µ®¨µº«²§¬ªª¨§¶·∏°³¶¥¼«¤±§q
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Κεψ ωορδσ} ≥·∏°³o∞¬¦¤√¤·¬±ª§¨√¬¦¨¶o ¤±¬³∏¯¤·²µo•²¥²·
在森林采伐剩余物中 o伐根占有相当大的比重 o而且用途很广 o可用于硫酸盐纸浆生产 !微生物工业
和制造木塑料等 ∀但由于伐根采掘相当困难 o除少量采用人力挖掘或推土机 !挖掘机等挖掘外 o大都任
其留在采伐迹地上自然腐朽 ∀这样不但浪费了资源 o而且不利于人工或天然更新造林 o降低了林地利用
率并易导致森林病虫害的发生 ∀为此 o国内外都积极研制过伐根清理机械 ∀如 }推齿式拔根机 !绞盘机
钳式拔根机 !杠杆式拔根机 !≠…p vs型振动式拔根机k赵哲申等 ot||vl !牵引式掘根机k薛扬等 ot||ul !
∞Œ∞• p • …型梳根机 ! ‹ 型集根机 o• ≥⁄p yus型铣根机 !„®Πp t挖根机 ∀这些机械共同特点是将
根系一起拔出 o要求功率大 ∀对地表破坏十分严重 o清理伐根的径级小 o且价格贵 !效率低 o因此均未能
得到推广应用 ∀为此本文结合我国国情 !林情研制了一种既先进又经济适用 !高效率 !具有行走功能的
集铣切 !扭动 !提拔功能于一体的伐根清理机器人 ∀
t 总体结构设计
111 伐根清理机器人机构原理
原理见图 t ∀是由一个六连杆机构组成有 y个自由度的机器人 ∀机器人手臂部有 v个自由度来确
定其位置 ov个自由度来确定其方向k吴振彪 ot||z ~熊有伦 ot||y ~李 ≤≥Š等 ot|{| ~•¬¦«¤µ§ ετ αλqot||z ~
¤±¶¨∏µετ αλqot|{|l ∀
112 总体结构设计
伐根清理机器人总体结构如图 u所示 ∀主要由行走机构 !伐根清理机械手 !单片机控制系统等组
成 ∀行走机构采用 • ≠ p ys型履带式挖掘机底盘 ~机械手由回转盘 !大臂 !小臂和伐根清理旋切头等组
成 ∀
旋切头为筒式结构 o由两个液压马达经齿轮传动结构k图 u中未绘出l驱动下端有锯齿式万能刨旋
图 t 伐根清理机器人机构原理图
ƒ¬ªqt  ¦¨«¤±¬¶° §µ¤º¬±ª²©·«¨ µ²¥²·²© ¬¨¦¤√¤·¬±ª·µ¨¨¶·∏°³
λt !λu !λv !λw !λx !λy 分别为各臂的臂长
λt !λu !λv !λw !λx !λy }¨±ª·«²© ¤¨¦«¥²²° ~
Ηt !Ηu !Ηv !Ηw !Ηx !Ηy 为各关节轴的转角
Ηt !Ηu !Ηv !Ηw !Ηx !Ηy }
• ²·¤·¬±ª¤±ª¯¨²© ¤¨¦«¤¬¬¶q
齿刀具的旋筒对伐根进行切削作业 ∀侧根切断后 o由
旋切头内的夹紧油缸及其杆系传动机构k图 u中未绘
出l驱动铰装在筒壁上的 w个均布槽中的夹爪将伐根
夹紧 o在大小臂联合作用下将伐根拔除 o并堆放到指
定位置 ∀
u 液压驱动系统设计k费仁元等 ot||{l
伐根清理机器人采用双泵双回路全液压驱动 o原
理如图 v所示 o是在 • ≠ p ys履带式挖掘机液压系统
基础上重新改造而成的 ∀
由发动机驱动的两个 ≤…2‹ 型高压齿轮泵 v和 u
分别给两个摆线齿轮液压马达 uz和 u{供油 ∀驱动
左 !右两侧履带行走 o行走速度与方向由驾驶员操纵
手动换向阀 t{ !t|来完成 ∀泵 v同时为两个旋切液压
马达 tv !腕部油缸 tx和小臂油缸 tz供油 o泵 u则同时
为回转液压马达 vu !大臂油缸 vy和夹紧油缸 ws供油 ∀
图 u 伐根清理机器人结构简图
ƒ¬ªqu ≥·µ∏¦·∏µ¤¯ §µ¤º¬±ª²©·«¨ µ²¥²·²© ¬¨¦¤√¤·¬±ª·µ¨¨¶·∏°³
t1 回转盘 ≥¯ º¨¬±ª³¤±~u1 大臂油缸 Œ±±¨ µ¥²²° ¦¼¯¬±§¨µ~
v1 小臂油缸 ’∏·¨µ¥²²° ¦¼¯¬±§¨µ~w1 腕部油缸 • µ¬¶·¦¼¯¬±§¨µ~
x1 旋切液压马达 •²·¤·¬±ª¤±§¦∏·¬±ª«¼§µ¤∏¯¬¦°²·²µ~
y1 旋筒 • ²·¤·¬±ª·∏¥¨ ~z1 夹爪 ≤¯ ¬³¬±ª¦¯¤º q
旋切液压马达 tv为两个 …‹ p tys型摆线
齿轮马达 o过载补油阀 tt !tu为液压马达 tv作
过载保护 ∀电磁阀 z可使两泵合流实现高速
旋切 o单泵供油时旋筒转速为 ussµ#°¬±pt o合
流后可达 wssµ#°¬±pt o实际转速可由节流阀 {
进行调节 ∀压力继电器 wu作过载保护 ∀
夹紧油缸 ws安装在旋切头内部 o经杆系
传动机构驱动铰接于旋筒壁上 w个长槽孔中
的爪具 o可夹紧或松开伐根 ∀夹紧时爪下端向
内最大可倾斜 t{β o完全可以夹住伐根 ~松开时
爪回位到槽孔中 o不影响对伐根的旋切作业 ∀
过载补油阀 v{ !v|对油缸 ws起过载保护作用 o
并可调节夹紧力的大小 o夹紧油缸的运动速度
由节流阀 wt调节 ∀
大臂油缸 vy !小臂油缸 tz !腕部油缸 tx和
回转液压马达 vu由电液比例调速阀 x !y与单片计算机组成电液比例控制系统进行控制 o可以实现机械
臂各关节的联动动作的控制与调节 ∀
v 控制系统设计k吴振彪等 ot||z ~何立民 ot||s ~马忠梅等 ot|||l
旋切液压马达和夹紧油缸的速度由节流阀调节后在伐根清理作业过程中不再进行自动调节控制 o
其余液压执行元件由两个闭环控制系统进行控制 o控制系统框图如图 w所示 ∀油泵 u和电液比例调速
阀 y控制回转液压马达 vu和大臂油缸 vy的工作速度 o油泵 v和电液比例调速阀 x控制小臂油缸 tz和
腕部油缸 tx的工作速度 ∀由计算机同时控制两个电液比例调速阀开口的大小 o进行速度调节与协调 o
可以控制机械手左右回转 !大臂升降 !小臂升降 !旋切头俯仰 o以及旋筒左右旋转和四爪夹具的夹紧与松
开等动作 ∀
wtt 林 业 科 学 v|卷
图 v 伐根清理机器人液压系统原理图
ƒ¬ªqv °µ¬±¦¬³¯¨§µ¤º¬±ª²©«¼§µ¤∏¯¬¦¶¼¶·¨° ²±·«¨ µ²¥²·²© ¬¨¦¤√¤·¬±ª·µ¨¨¶·∏°³
t !w1 电磁溢流阀 ∞¯ ¦¨·µ²°¤ª±¨ ·¬¦§¬¶¦«¤µª¨ √¤¯√¨~u !v1 高压齿轮泵 ‹¬ª«2³µ¨¶¶∏µ¨ ª¨¤µ³∏°³~x !y1 电液比例调速阀 ∞¯ ¦¨·µ¬¦2«¼§µ¤∏¯¬¦³µ²³²µ2
·¬²±¤¯ ª²√ µ¨±¬±ª√¤¯√¨ ~z1 电磁阀 ¤ª±¨ ·¬¦√¤¯√¨ ~{ !wt1 节流阀 ׫µ²·¯¨√¤¯√¨ ~|1 冷却器 ≤²²¯ µ¨~ts1 电液换向阀 ∞¯ ¦¨·µ²°¤ª±¨ ·¬¦2«¼§µ¤∏¯¬¦2²³2
µ¨¤·¨§§¬µ¨¦·¬²± ¦²±·µ²¯ √¤¯√¨ ~tt !tu !vs !vt !vw !vx !v{ !v|1 过载补油阀 ˜±§¨µ²√ µ¨·«¨ ²¯¤§³µ²√¬§¬±ª²¬¯ √¤¯√¨~tv1旋切液压马达 ‹¼§µ¤∏¯¬¦°²·²µ
©²µµ²·¤·¬±ª¤±§¦∏·¬±ª~tw !ty !u| !vv !vz1 电磁换向阀 ≥²¯ ±¨²¬§2²³¨µ¤·¨§§¬µ¨¦·¬²±¤¯ ¦²±·µ²¯ √¤¯√¨ ~tx1 腕部油缸 • µ¬¶·¦¼¯¬±§¨µ~tz1 小臂油缸
’∏·¨µ¥²²° ¦¼¯¬±§¨µ~t{ !t|1 手动换向阀 ‹¤±§2²³¨µ¤·¨§§¬µ¨¦·¬²±¤¯ ¦²±·µ²¯ √¤¯√¨~us !ut1单向节流阀 ’±¨ 2º¤¼·«µ²·¯¨√¤¯√¨ ~uu1 回转接头 •²2
·¤·¤¥¯¨²¬¯ ³¬³¨ ­²¬±¬±ª∏±¬·~uv !uw !ux !uy1 安全阀 • ¨¯¬¨©√¤¯√¨ ~uz !u{1 行走液压马达 ‹¼§µ¤∏¯¬¦°²·²µ·µ¤√¨¯¬±ª~vu1 回转液压马达 ‹¼§µ¤∏¯¬¦
°²·²µ~vy1大臂油缸 Œ±±¨ µ¥²²° ¦¼¯¬±§¨µ~ws1 夹紧油缸 ≤ ¬¯³³¬±ª¦¼¯¬±§¨µ~wu1压力继电器 °µ¨¶¶∏µ¨ µ¨ ¤¯¼ q
图 w中 o机械手回转角 Ηt !大臂仰角 Ηu !小臂与大臂之间的夹角 Ηv !旋切头相对与小臂的夹角 Ηw 由
角位移传感器进行检测和反馈 o同时通过安装在转台前方的摄像机对伐根的位置及其与旋切头的相对
位置进行识别 o由计算机控制机械手各关节的运动 o使旋切头能正确地垂直对准伐根 ∀
计算机控制系统安装在驾驶室内 o利用手柄和键盘进行操作 o由一台 x1x英寸图像显示器显示图
象 ∀机械手运动有自动与手动控制两种功能 o驾驶员可自行选择 ∀
w 伐根清理试验
在对伐根清理机器人的主要设计参数 !性能 !指标 !系统地进行定性与定量综合分析后 o根据该/机
器人的技术要求0优化了试验设计 o如对旋切刀具材料的耐用度k陈建为等 ot|||l !切削速度 !进刀量 !切
削深度等因素作回归正交试验设计 o确定了试验项目 !试验条件和试验方法 ∀
411 试验项目
主要针对 tw项技术参数进行测定 ∀
412 试验条件
样地 落叶松 !桦树林迹地 o坡度 s ∗ tvβ o伐根 txs ∗ tzs个#«°pu ~样机 技术状态正常油水加满 !
各种测量仪器仪表及工具合格 ∀
413 试验方法
人工直接观察测量 o读取 !记录试验数据 ∀通过仪器k传感器 !非接触式测速仪 !测力仪等l和数据采
集仪自动获取试验数据 ∀按照试验设计要求的试验次数进行循环作业试验 作业循环工艺参数k每循
环工作时间l测定 ∀
该试验是在大兴安岭图强林业局奋斗林场进行 o驾驶员操作机器人进入采伐迹地 o停稳后按下作业
启动键 o输入密码 o液晶显示器会显示出各系统的状态情况 o并给出提示 ∀利用键盘选择相应的已固化
在 ∞°• ’ 芯片中的执行程序或输入命令 o机械手便可进行自动控制作业 ∀如采用手动作业 o驾驶员操
纵控制手柄 o使机械手回转 !变幅 !使旋切头垂直对准伐根 o启动旋切液压马达 o同时机械臂下行进给旋
xtt 第 w期 刘晋浩等 }伐根清理机器人研制
切伐根 o待伐根的侧根全部切断后 o关闭旋切液压马达 o启动夹紧油缸 o利用四爪夹紧伐根 o提升机械臂
将伐根拔出 o再启动回转液压马达将伐根送到指定地点归堆或运输伐根的车辆上方 o松开四爪夹具伐根
自动落下 ∀完成一个伐根清理过程后 o转动机械手清理下一个伐根k再进行下一个循环作业l ∀
图 w 伐根清理机器人计算机控制系统框图
ƒ¬ªqw ≤²°³∏·¨µ2¦²±·µ²¯ ¶¼¶·¨° ²©·«¨ µ²¥²·²© ¬¨¦¤√¤·¬±ª·µ¨¨¶·∏°³
作业循环工艺参数有以下 {个 }机械手由停放位置伸至适合高度时间k„l ~机械手由一个伐根回转
到相邻的另一个伐根时间k…l ~旋筒中心垂直对准伐根中心的时间k≤l ~启动旋切达到均匀旋转时间
k⁄l ~旋切进行k包括停止l时间k∞l ~夹紧伐根时间kƒl ~提拔伐根时间kŠl ~归堆或装车时间k‹l ∀测得
各项工艺参数值见表 t ∀
试验表明 o该机器人一人操作 o在伐区迹地内每一个停留位置可清理机器人周边 w ∗ { °范围内的
全部伐根 o最大可清理伐根径级为 xxs °°∀平均每 v ∗ w °¬±可清理一个伐根每天ky «l o可清理伐根
tss个左右 o效率是人工挖掘伐根的 us ∗ ux倍 ∀清理伐根后在迹地上仅形成直径为 zss °°的坑穴 o对
地表破坏极小 o而且可以在坑穴中直接植树 ∀
ytt 林 业 科 学 v|卷
表 1 作业循环工艺参数
Ταβ . 1 Τεχηνολογιχαλ παραµετερσ οφ οπερατιοναλ χιρχυλατορ ¶
次数 ׬°¨ ¶ k„l k…l k≤l k⁄l k∞l kƒl kŠl k‹l 每循环总平均值≤¬µ¦∏¯¤·¬²± ªµ¤§¨ ¤√ µ¨¤ª¨
t tx1t u1{ v{1t t1t zs1u u1t tx1t vt1u
u tw1{ v1u vz1u t1u zs1u u1v tx1v u|1|
v tx1| u1| v|1{ t1s{ zw1t u1x tw1| u{1{
w ty1s v1v vy1| s1|| zy1u u1{ tv1u uz1v
x tx1x v1t v{1u t1u y|1{ u1x tw1{ u|1w
y tw1| v1u v| t1su zv1s u1v tw1u u{1|
z ty1t u1| vz1x s1|{ zu1u u1u tx1s vs1s
{ ty1y u1{ vz1w t1uw zt1s u1z tx1x u{1y
| tx1{ v1w v{1y t1u zs1{ u1w tx1u u|1v
ts tw1| v1t vy1z t1sz zw1v u1z tx1y vt1s
tt tw1x v1u v|1s t1tu zx1t u1t tv1v vs1t
tu tx1| v1v vz1y t1s zw1x u1u tv1t uz1t
平均值  ¤¨± √¤¯∏¨ tx1x v1t v{ t1t zu1y u1w tw1y u|1v
tzy1y
x 结论
采用六自由度机械手 o可满足在地面不平的采伐迹地上进行伐根清理作业的动作要求 ∀
机械手采用双泵双回路液压系统驱动和计算机系统控制 o能实现伐根自动清理作业 o提高了伐根清
理效率 ∀
换装不同直径和长度的旋筒 o可用于清理径级 !根系不同的伐根 ∀大兴安岭落叶松为水平根系 o没
有垂直向下的主根 o侧根分布深度一般不超过 wss °° o因此本样机旋筒最大入土深度设计为 xss °°∀
有些树种如农业区的杨树 !榆树等树种具有散生根系或主直根系 o需依具体情况加大旋筒径级和长度 ∀
利用该机器人清理伐根 o效率与人工挖掘相比可提高 us ∗ ux倍 ∀与推齿式 !杠杆式等拔根机相比 o
功率可减少一半k本机功率 x{1{ ®• l o且对地表破坏小 !避免了水土流失 ∀如用拔根机每清理一个兴安
岭落叶松伐根 o将会破坏地表 ts °u 以上 o用本机清理只可留下直径 zss °°坑穴并可直接植树造林有
很好的社会 !生态环境效益 ∀
本机亦可用于城市改造 !输变电线路安装 !道路修建清除伐根 o以及其它需要挖坑作业的场合 ∀
参 考 文 献
陈建为 o刘晋浩 o葛安华 q新型智能伐根清理机器人切削力的计算 q森林工程 ot||| otxkvl }vx
费仁元 o张慧彗 q机器人机械设计和分析 q北京 }北京工业大学出版社 ot||{
何立民 q ≤≥ p xt系列单片应用系统设计 q北京 }北京航空航天大学出版社 ot||s
李 ≤ ≥ Š o冈萨雷斯 • ≤ q机器人学 q杨静宇 o李德昌 o李根深等译 q北京 }中国科学技术出版社 ot|{|
马忠梅 !籍顺心编著 o单片机的 ≤语言应用程序设计 o北京 }北京航空航天大学出版社 ot||| }utu p uyy
吴振彪 q工业机器人 q武汉 }华中理工大学出版社 ot||z }tuu p twu
熊有伦 q机器人应用技术基础 q武汉 }华中理工大学出版社 ot||y
薛 扬 o由兴敏 q机械掘根实践研究 q林业机械 ot||ukyl }z p {
赵哲申 o齐 国 o贾君兰 q ≠…p vs型振动式拨根机的研制及试验 q林业机械 ot||v okwl }|{
•¬¦«¤µ§   o¬ ÷ o≥¤¶·µ¼ ≥ ≥ q„ ¤·«¨ °¤·¬¦¤¯ Œ±·µ²§∏¦·¬²±·² •²¥²·¬¦¤±¬³∏¯¤·¬²±q徐卫良 o钱瑞明译 q北京 }北京机械工业出版社 ot||z }xt
p twu
¤±¶¨∏µ• o⁄²·¼ Žq„ µ²¥²·°¤±¬³∏¯¤·²µº¬·«ty µ¨¤¯ ¬±√¨ µ¶¨ ®¬±¨ °¤·¬¦¶²¯∏·¬²±¶qŒ±·¨µ±¤·¬²±¤¯ ²∏µ±¤¯ ²© •²¥²·¬¦¶• ¶¨¨¤µ¦«ot|{| o{kxl }zx p z|
ztt 第 w期 刘晋浩等 }伐根清理机器人研制