一種氣動(dòng)競(jìng)賽機(jī)器人的研制

吳翠琴，鄺先驗(yàn)

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

機(jī)器人競(jìng)賽是人類高智能技術(shù)之間的對(duì)抗賽,融機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、嵌入式控制、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理與圖像識(shí)別、知識(shí)工程與專家系統(tǒng)、決策、軌跡規(guī)劃、多智能體的協(xié)調(diào)以及無線通訊等理論和技術(shù)于一體,是以各類體育競(jìng)賽為載體的高科技對(duì)抗。為給當(dāng)代大學(xué)生提供一個(gè)探索科技、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的實(shí)踐舞臺(tái)，從2002年開始，中央電視臺(tái)每年舉辦一次“全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”。本文以參加第八屆CCTV 亞太機(jī)器人大賽國(guó)內(nèi)選拔活動(dòng)“為了勝利的鑼鼓聲讓我們一起上路”的旅客機(jī)器人為例,介紹一種氣動(dòng)競(jìng)賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)。比賽綱要：全自動(dòng)的機(jī)器人轎夫在前面，后面是手動(dòng)的機(jī)器人轎夫。他們合作把坐在轎子里面的自動(dòng)的旅客機(jī)器人抬起來，這個(gè)過程中設(shè)置了各種各樣的任務(wù)，包括爬山和過樹林。轎子和旅客機(jī)器人一定不可以掉下來。當(dāng)旅客機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的時(shí)候，它必須要敲三聲鼓。三個(gè)傳統(tǒng)的日本鼓垂直安放在平臺(tái)上。第一個(gè)敲響三個(gè)鼓的參賽團(tuán)隊(duì)為勝利者。作為本年度的參賽隊(duì)之一，本文主要介紹旅客機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 比賽場(chǎng)地

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)快速擊鼓，我們?cè)O(shè)計(jì)自動(dòng)旅客機(jī)器人應(yīng)輕巧靈活，還要求機(jī)器人穩(wěn)定性好，該機(jī)器人采用履帶式輪，可以大大提高機(jī)器人在轎子上以及擊鼓期間的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)上主要包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)。整體展開高度2.0m，折疊高度70cm，主體部分高15cm，壓低重心，提高擊鼓時(shí)期的機(jī)身穩(wěn)定性。立柱材料方面最下面為鋼制，降低重心，上面兩節(jié)及鼓槌為鋁合金材質(zhì)，減輕重量，手臂機(jī)構(gòu)采用氣缸驅(qū)動(dòng),以壓縮空氣瓶為氣源，升降速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性均可得到保證。旅客機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。初步選定所用氣缸缸徑，根據(jù)行程范圍確定氣缸行程。然后選擇與氣缸相關(guān)的連接件和導(dǎo)向裝置，裝配成獨(dú)立功能模塊。各模塊都依次設(shè)計(jì)好后進(jìn)行部裝，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人主要由立柱、手腕、手臂、手爪（鼓槌）組成，立柱為一個(gè)雙作用氣缸，可以進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)；手臂為一個(gè)伸縮缸，可以實(shí)現(xiàn)伸出和縮回動(dòng)作；手腕為一個(gè)雙作用擺動(dòng)氣缸，可以進(jìn)行上下擺動(dòng)。在擊鼓時(shí)要求的動(dòng)作順序?yàn)椋?/p>

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

按照已經(jīng)確定的整體設(shè)計(jì)方案，旅客機(jī)器人的主要任務(wù)就是擊鼓，而這一機(jī)構(gòu)的動(dòng)力元件我們選擇使用氣缸，并用電磁閥加以控制。其特性是在同等功率下，相對(duì)于電器裝置，氣壓裝置而言體積小，重量輕，功率密度大,結(jié)構(gòu)緊湊，控制比較方便，容易與電子控制系統(tǒng)相結(jié)合，適合自動(dòng)化程度高的場(chǎng)合。這些特性十分符合對(duì)比賽機(jī)器人的要求。氣動(dòng)機(jī)器人的氣動(dòng)原理如圖所示。每個(gè)氣缸裝有2個(gè)單向節(jié)流閥用以進(jìn)行速度控制，裝有2個(gè)磁性接近開關(guān)用以進(jìn)行位置檢測(cè)，并由一個(gè)兩位五通電磁換向閥進(jìn)行動(dòng)作控制。

圖3 氣動(dòng)控制回路圖

2.2 利用PLC進(jìn)行多氣缸動(dòng)作控制

應(yīng)用PLC控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，該設(shè)計(jì)中全部采用雙電控電磁閥作為驅(qū)動(dòng)氣缸的主控閥，具有存儲(chǔ)數(shù)量大、執(zhí)行速度快等特點(diǎn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)選用的是S7-200系列中的CPU24的型號(hào)。該型號(hào)PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為14入10出，基本位布爾運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間為0.22us，用戶存儲(chǔ)器容量8K字節(jié)。而且它還具備6路30kHz七單相高速計(jì)數(shù)器和2路20kHz高速脈沖輸出。I/O接口與圖所示，SQ1-SQ6為行程開關(guān)，Y1-Y6為電磁閥。

圖4 PLC I/O接線

3 結(jié)束語

本文介紹的氣動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案參加了中央電視臺(tái)舉辦的第八屆CCTV全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽,比賽的結(jié)果表明,本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,行進(jìn)速度快,運(yùn)行平穩(wěn),達(dá)到設(shè)計(jì)要求,取得了較好的成績(jī),為氣動(dòng)控制系統(tǒng)用于競(jìng)賽機(jī)器人提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

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