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4 液压控制环节
4.1液压控制的优点
对于机械手的控制方式有气压传动控制与液压传动控制等方法，它们各自都有其优缺点。其中气压传动的优点有：回路中的介质为空气，取之不尽用之不竭，而且在那些易燃易爆的环境下使用，更是为工作人员提供了安全的工作环境；空气在回路中的流动阻力较小，便于远距离的传输动力；参与控制的执行元件的结构较为简单，制造方便，且易于维护，所以使用的寿命比较长。但是气压传动系统还是存在着许多的缺点，如：因为它的传动介质是空气，空气的可压缩性相当高，这会导致传动系统的平稳性变差，容易影响我们对系统控制的准确性；气压传动在工作的时候会产生相当大的噪音，这将会影响周围的环境，而我们的目的是设计一个可以在公共场合使用的机器人，如果噪音过大则它在应用是必然会产生不必要的麻烦；虽然本次设计的机器人的体积并不是很小，但总的来说其实也只是一个小型的机器人，而气压传动要想达到和液压传动所达到的功率一致则需要的体积将会远远大于液压系统的体积大小。所以我们在经过深思熟虑后决定采用液压传动系统来做为本次设计的机械手的控制系统。更多的原因是因为液压系统的优点与我们想要的控制方案很吻合。
采用液压系统进行控制的原因是其具备与整体机器人系统的良好适配性：①在相同功率的情况下，液压系统的执行元件的体积相当小、重量比较轻、整体结构较为紧凑。例如同功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右，还有我国制造的1m3型挖掘机在采用液压传动后，它的整体质量与采用机械传动时相比减轻了足足1t的重量。这样就能让我们设计的机器人的重量减轻，减少了由于质量给驱动系统带来的压力；②液压传动系统的各种元件，可根据实际需要进行方便、灵活地布置；③液压系统的装置工作状况比较平稳，由于重量比较轻所以惯性小，整个液压系统的反应很快，液压装置能相当容易的实现机械手的快速启动、制动和频繁的变更方向；④系统的操纵与控制非常方便，可以实现较大范围内的无级调速(其调速范围可达2000：1，可以比较容易得到极低的速度)，它甚至可以在运行的过程中进行调速而不会对运动本身产生较大的影响。如此方便的调整方式，让机器人能够在机械手运行中如果出现错误能够及时的修正；⑤液压系统的工作介质一般会采用矿物油作为其工作介质，这样可以让相对运动的平面之间能够自行润滑，使机械手的使用寿命更长，达到节约资源的目的；⑥液压系统可以较为轻易的实现直线运动，通过连接方式的不同可以使机械手做到在各个方向上的运动；⑦对实现机器的自动化和实现整体控制系统的过载保护有很大的帮助，让机械手在运行的过程中确保了安全的第一要务。如果采用电液联合控制甚至使用计算机进行控制的话，可以实现大负核、高精确度、远程自动控制；⑧液压系统的各种元件已经实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和使用，这样对于机械手的液压系统的元件选择就有了一个可靠的标准。
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4.2液压系统控制油路图
液压系统的控制采用的是电气与液压共同作用来达到自动控制的目标，使社会的人力资源能够大大的减少，并用于其他有需求的地方。这样的液压系统设计有着丰富的社会经济价值，也只有这样的液压控制系统才会真正的被人们所认可并且被人们大量的使用，才能够真正的应用于实际生活中。
根据垃圾捡拾机器人的机械手工作分析得到如下图4.1所示的液压控制油路图：
图4.1液压油路控制图
通过上面的液压油路控制图可以知道该系统是由4个三相四通电磁换向阀来分别控制4个油缸的运动，换向阀与油缸之间则通过锁紧回路连接起来，如此一来油缸就可以更为准确的停在某个要求的位置，这样就提高了移动机器人的机械手在工作的时候的精准度和效率。而整个机械手运动的速度则要依靠电磁比例溢流阀按照一定的比例来控制整个油路里的压力大小来对整体的速度进行控制，同时可以使油路中的压力不会上升的过高。
而这五个电磁阀的接通会产生的效果如下所述：
当1YA 接通时，溢流阀会在油路里的压力过高时进行降压使油路中的压力不至于对液压设备造成破坏，起到了过载保护的作用。
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当2YA 接通时，机械手的手爪会张开，起到松开垃圾和为下次垃圾的抓取做准备的作用。
当3YA 接通时，机械手的手爪会闭合，以此来实现抓取目标垃圾的目的。 当4YA 接通时，手臂1即与摆动台连接的部分开始向下放下手臂。 当5YA 接通时，手臂1开始向上提高手臂。
当6YA 接通时，手臂2即与装载有机械手手爪的部分向后摆动。 当7YA 接通时，手臂2向前摆动。
当8YA 接通时，液压摆动缸进行顺时针摆动，从而通过摆动缸使整个机械手做顺时针的摆动。
当9YA 接通时，带动整个机械手进行逆时针的摆动。
10S 行程开关，发出信号对机械手进行控制，让机械手手爪松开，并放下垃圾。 11S 行程开关，发出信号，控制单叶片摆动液压缸开始摆动。 而与机械手相连接的调速阀则是用于控制机械手手爪抓紧垃圾的速度。
整个机械手的液压工作过程如下：首先，通过传感器可以得到目标垃圾的位置信号，然后在接收到这个信号时电气控制系统会对3YA，4YA，6YA，7YA进行控制，逐渐的把机械手手爪移动到了垃圾的上方并进行抓取垃圾操作。其中4YA先得电使手臂1的活塞杆推出，让手臂1向下摆动；6YA或7YA得电(具体情况视垃圾的位置而定），使手臂2向后或向前摆动；3YA得电，机械手手爪开始对垃圾进行抓取。接收到垃圾已经被抓取完毕的信号后，让5YA与9YA得电使手臂1的活塞缸和摆动液压缸工作，在机械手手臂向上移动到合适位置时使5YA失电，摆动液压缸在9YA得电的情况下，开始进行逆时针摆动。当摆动液压缸旋转到一定角度后就会触发行程开关，然后2YA得电，机械手手爪松开，垃圾进入垃圾箱中。在机械手手爪张开到最大时触发行程开关使8YA得电摆动液压缸开始顺时针摆动使机械手回归初始位置。
4.3液压系统油缸选型
4.3.1摆动液压缸的选型
随着液压缸技术的不断发展，液压缸已经出现了许多不懂的类型，其中摆动液压缸就可以分成螺旋摆动液压缸、叶片摆动液压缸和齿轮齿条液压缸这三种类型。其中齿轮齿条摆动液压缸具有许许多多的优良特质，但是它的体积相对于其他两种来说略显偏大，故不作考虑。
本文讨论了下列两种摆动液压缸的具体情况，它们分别是叶片型摆动液压缸和螺旋型摆动液压缸这两种。通过把这两种摆动液压缸的特点进行比较后，我们可以发现螺旋型摆动液压缸的整体密封效果非常好，且具有很高的旋转扭矩并且能够在非常高的工作压力在正常的运行，但是它的制造要求的精度是非常高的。而叶片型摆动液压缸的整体结构非常
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的紧凑，而且它的输出转矩比较大，可是它的整个液压缸的密封效果较差，会出现一定的泄露情况。由于本次设计的移动机器人系统在对机械手的控制过程中所需要的压力并不是很大，属于中低压系统，而叶片摆动液压缸在中低压系统中诸如转位、往复摆动和间歇性运动等运行状态对比螺旋摆动液压缸具有相当大的优势，故选用叶片摆动液压缸。
叶片型摆动液压缸在根据它的内部结构中叶片的数量，还可以分成单叶片摆动液压缸和多叶片摆动液压缸，而这两个类型的差别之一是单叶片摆动液压缸所能达到的最大转角不能够超过280度，而多叶片摆动液压缸的最大转角则不能够超过150度。又因为本次设计的移动机械手所需要的摆动角度为180度，故选用单叶片摆动液压缸。
通过从液压设计手册上面查到的的两种单叶片摆动液压缸的规格如下表，试选用型号为BM-150的液压缸。
表4-1摆动液压缸技术参数表
4.3.2手臂1与2的液压缸选型
因为机械手臂是要在不同方向上进行摆动的，所以这也就导致了液压缸也是要随着机械手臂的摆动进行摆动的，则选择使用的液压缸为缸端部为“尾部耳环连接”方式进行连接而不必要使用环套来进行连接，活塞杆的端部则不选择使用螺纹连接而是采用了单耳环结构的连接方式。而单耳环的尺寸则选择为：内径为16mm，外径为32mm，厚度为20mm。如下图4.2所示
图4.2手臂活塞缸结构图
活塞缸的速度比：
A1D242?2?22?1.33 式（4.1） ?? 2A2D?d4?2
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4.3.3机械手手爪活塞缸选型
机械手上的手爪粗腰具备抓取与放置的功能则液压缸必须要能够进行直线运动又由于液压缸是要固定在机械手的手臂上的，则根据查找（液压传动设计手册）后，选择使用单杆双作用型带有不可调的缓冲装置的液压缸。再从（液压传动设计手册）中按照需要选择液压缸的安装方式：因为这个液压缸是要固定在机械手的手臂上的，所以我们选择使用“尾部耳环连接”的方式来进行目标固定，再在液压缸的中间位置使用一个环套固定在机械手手臂上。
借由表4-1和手爪的行程来设定油缸的行程为50mm，则可以确定机械手手爪的液压缸的行程也为50mm，然后再根据（液压传动设计手册）表4-2，表6-3等可以选择出该液压缸的各项数据分别为：内径为40mm,活塞杆的直径为20mm，供油孔的直径为8mm，导向行程为40mm，液压缸的外径为50mm，缸体和缸盖的连接方式我们选择使用内螺纹的连接方式，活塞与活塞杆的连接方式则使用螺纹连接的方式，活塞杆端部的螺纹尺寸为M12*15。如下图4.3所示
图4.3手爪活塞缸图 表 4-1活塞行程系列 (mm)
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