氣動系統(tǒng)在競賽機器人中的應用

譚梓煒（深圳市創(chuàng)客工場科技有限公司 廣東 深圳 518000）

氣動系統(tǒng)在競賽機器人中的應用

譚梓煒
（深圳市創(chuàng)客工場科技有限公司 廣東 深圳 518000）

Makeblock是融合機械 、電子、軟件三者相結(jié)合的創(chuàng)意實現(xiàn)平臺。借助 Makeblock，你可以快速搭建高性能氣動機器人。本文主要介紹了 Makeblock和氣動機器人的原理。

Makeblock 氣動機器人 原理；

一、Makeblock簡介

Makeblock是一款專為Makeblock平臺電子控制而開發(fā)的免費應用，同時您也可以用它來和Arduino平臺的傳感器和執(zhí)行器進行數(shù)據(jù)交互，使用它來和您作品中的電子部分進行交互，控制您機器人的移動，操控機械臂，控制一個倒水機器人，發(fā)射小球的機器人，控制相撲機器人和別人對戰(zhàn)，甚至控制一些家用和競賽，教育的機器人。

Makeblock最初的邏輯理念就是打造金屬材料的“樂高積木”，提供另外一個無需專業(yè)知識靈活搭建專業(yè)機器人的平臺。深圳的一支創(chuàng)業(yè)隊伍開創(chuàng)了Makeblock，讓用戶實現(xiàn)創(chuàng)意的平臺，給使用者做出了一套內(nèi)容非常完善的軟件、電子和機械的解決方案。Makeblock主要解決電子、軟件和硬件這三方面不統(tǒng)一的問題。機械部分，機械構(gòu)件采用的材料絕大部分是鋁型材，這些構(gòu)件包含動力構(gòu)件、整體框架構(gòu)件、傳動構(gòu)件和連接部位的構(gòu)件。用這些機械構(gòu)件基本上能夠組建出各種類型的機器人或者其他機械構(gòu)型。這些機械構(gòu)件具有機械美感而且相當專業(yè)。主要使用剛度非常高的鋁型材。機械零件就類似人類的肢體軀干。

電子模塊，基于應用范圍非常廣泛的開源硬件Arduino，設(shè)計開發(fā)的各種類型的傳感器、控制器及電機驅(qū)動單元，采用的接口都是按照機械國際標準而來的RJ25接口，單元化程度非常高，而且使用顏色標簽接線體系，這樣用戶操作起來非常容易方便，即使沒有接觸過這方面專業(yè)知識的用戶也可以進行操作。這方面就像人類的大腦以及感官。

軟件部分，適用于平板電腦、手機等等各種類型的客戶端的App。用戶可以利用Makeblock搭建的作品進行交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)某種動作，操作起來非常直觀和容易，不需要學習相關(guān)的編程語言，也能夠讓使用者搭建的作品實現(xiàn)相應的功能。

此外，Makeblock這個平臺是開源的開放的而且兼容性很強。許多常用的電動機和標準的工業(yè)構(gòu)件都可以安裝在Makeblock搭建的產(chǎn)品里，同時，可以把樂高積木里面的一些構(gòu)件和 Makeblock 的構(gòu)件混合起來共同搭建新模型。

使用MakeBlock搭建的產(chǎn)品具有下面三方面優(yōu)勢：

1.具有非常高的剛度和強度。

2.搭建產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可以非常龐大，有利于向工業(yè)級別產(chǎn)品發(fā)展；

3.因為采用鋁型材這種金屬材料，更能體現(xiàn)出機械的特點，更能展現(xiàn)機械美觀，因此很容易得到認可，也不會被大眾開玩笑說成玩具，更加適合18歲以上的人群。

二、氣動系統(tǒng)

氣動指的是利用氣體壓強實現(xiàn)動作，由于使用的是氣體這種介質(zhì)，獲取方式非常簡單，且不會造成環(huán)境污染、非常干凈［1］。但由于氣體能夠壓縮，沒有辦法傳遞比較大的載荷，通常情況下，工作壓強在0.4-0.8MPa之間，氣壓傳動方式和使用控制、比較便于維修，費用比較低、使用起來比較可靠和安全、使用壽命比較長，所以在傳動和控制方面應用十分廣泛［2］。氣壓傳動系統(tǒng)在機器人競賽中使用范圍越來越大，下面以手動機器人為例，分析設(shè)計氣壓傳動和控制方法。

1.手動機器人

競賽要求每個參加比賽的隊伍做手動機器人，能夠和很多智能機器人一起配合實現(xiàn)動作，且要求機器人一共重50kg。因為戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的需求，設(shè)計人員增加了智能機器人籌碼，其工作內(nèi)容僅有一個，即搶烽火臺上面的主火炬。這樣手動機器人需要做的事情很多，其中包含篝火盤、外圍副火炬，加上擊出敵方的燃料球，來阻擋敵方登上烽火臺。而手動機器人不允許走進簧火盤的上面和自動區(qū)，且發(fā)射篝火盤和外圍副火炬的時候，擊球的角度和力度是不一樣的，所以想要實現(xiàn)投球行為，設(shè)計手動機器人要有3種角度和力度。

射球和投籃機構(gòu)是手動機器人其中一個核心，采用氣壓傳動方式。在一樣的功率下，就氣壓裝置和電器裝置這兩方面來說，氣壓傳動的重量比較小，體積不算太大，結(jié)構(gòu)十分緊湊、功率密度比較大、控制起來比較容易，易于和電控制結(jié)合，比較適用于自動化比較高的地方［3］。采用氣動系統(tǒng)還有一個很關(guān)鍵的優(yōu)勢是非常容易進行直線活動，且速度相當快［4］。不足之處就是不能夠準確的控制活動位置，一般情況下，僅僅能夠滿行程活動。但這一不足之處在結(jié)構(gòu)設(shè)計上能夠加以彌補［5］?；谠O(shè)計方案，需主副兩個氣缸用于控制，讓其能根據(jù)一定速度縮回和伸出。與此同時，最好的效果是能控制主氣缸伸出和縮回的速度，來更加靈活方便的調(diào)控射擊方向。

氣源角度，采用壓縮氣體鋼瓶來當作氣源，因為比賽時間很短，所以使用存儲一定量的壓縮氣體的鋼瓶，能夠滿足競賽需求。但就保險方面而言，在符合重量要求的條件下，應該增加規(guī)格很小的充氣泵，及時補充能源。

氣缸伸出和縮回的速度，可以利用流量的多少對其進行控制，然而氣缸做伸出和縮回的力可以基于氣體壓強來確定，手動機器人的壓縮空氣鋼瓶上面有一個穩(wěn)壓閥，通過它能確保輸出的氣壓是恒定的，然而流量多少方面，僅能在整個氣路中由電磁控制閥和節(jié)流閥相互配合，將運動速度控制在3個檔位上面。

2.投球機構(gòu)

通過兩個氣缸來驅(qū)動，主氣缸用于完成投球，副氣缸主要是調(diào)整投球的角度。

圖2-1　投球氣缸氣壓傳動回路

圖2-1為投球結(jié)構(gòu)的氣動機理圖，2個氣缸都是通過二位五通這種電磁閥來決定氣路是否通，利用流量調(diào)節(jié)閥來決定氣缸伸出和縮回的速度。節(jié)流閥打開的大小程度需通過反復試驗進行控制，來仔細查看手動機器人的速度，滿足需求后，使用螺紋扣件將其鎖緊。

主氣缸是投球的主要構(gòu)件，調(diào)控其伸出和縮回的速度就能夠調(diào)整發(fā)射燃料球的力和其運動軌跡，如果想要在競賽的過程中，基于實際情形，輕松靈活地調(diào)整發(fā)射燃料球的力和距離，就要針對主氣缸設(shè)計可以調(diào)控的變速單元。

在調(diào)控主氣缸的主電磁閥 F1出氣口，和3個二位三通這樣的電磁閥F3、F4、F5，同時在每一個電磁閥出氣口都要安裝一個節(jié)流閥。通過試驗，把3個節(jié)流閥設(shè)置不同大小的流量，這樣就實現(xiàn)了整個投球機構(gòu)3個不同檔位的運動速度。隨意選擇其中一個電磁閥通電，這樣主氣缸里就會通有已經(jīng)設(shè)置好流量的空氣，這時再讓主電磁閥通電，就能完成投球的行為。

3.角度調(diào)控結(jié)構(gòu)

平面四桿結(jié)構(gòu)和副氣缸一起能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射角度的改變，由于燃料球的質(zhì)量并不是很大，且不需氣缸的推動力很大，因此選用規(guī)格比較小的氣缸就能夠?qū)崿F(xiàn)相應的行為。還有一點就是，規(guī)格比較小的氣缸本身的質(zhì)量并不是很大，對發(fā)射架發(fā)射球不會產(chǎn)生非常大的影響。

圖2-2為投球氣缸的氣壓控制回路，副氣缸為G2，二位五通電磁閥為F2，下面連接的還有兩個節(jié)流閥，通常，電磁閥不接通電的時候，壓強很大的空氣從氣缸的前面進去，這時氣缸屬于縮回的狀態(tài)，且持續(xù)這種狀態(tài)。當下達反射指令的時候，電磁閥通上了電，壓強很高的空氣從氣缸的尾部進去，氣缸前面的空氣經(jīng)過節(jié)流閥的調(diào)節(jié)速度之后排出去了，這樣能夠使氣缸以恒定的速度伸出，調(diào)整燃料球中心處于什么地方，進一步調(diào)整發(fā)射燃料球的角度。

競賽結(jié)果驗證了設(shè)計的整個機構(gòu)簡單，本次設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)簡單，操作起來容易，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計需求。

圖2-2　角度調(diào)控氣壓傳動

［1］劉祥時.競賽機器人控制系統(tǒng)的研制［J］.機電工程，2005，22（6）.

［2］錢曉忠.競賽機器人的創(chuàng)意設(shè)計與基本機械結(jié)構(gòu)［J］.無錫職業(yè)技術(shù)學院學報，2005 4 （1 ）.

［3］許弋.競賽機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.無錫職業(yè)技術(shù)學院學報，2005 4 （1 ）.

［4］凌勇堅，等.氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用［J］.液壓與氣動，2003 （ 3）.

［5］吳廣順，等.PLC在搬運機器人控制系統(tǒng)中的運用［J］.機床與液壓，2006 （12）.