氣動(dòng)系統(tǒng)在競(jìng)賽機(jī)器人中的應(yīng)用

譚梓煒

摘 要：：Makeblock是融合機(jī)械 、電子、軟件三者相結(jié)合的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。借助 Makeblock，你可以快速搭建高性能氣動(dòng)機(jī)器人。本文主要介紹了 Makeblock和氣動(dòng)機(jī)器人的原理。

關(guān)鍵詞：Makeblock 氣動(dòng)機(jī)器人 原理；

一、Makeblock簡(jiǎn)介

Makeblock是一款專為Makeblock平臺(tái)電子控制而開(kāi)發(fā)的免費(fèi)應(yīng)用，同時(shí)您也可以用它來(lái)和Arduino平臺(tái)的傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用它來(lái)和您作品中的電子部分進(jìn)行交互，控制您機(jī)器人的移動(dòng)，操控機(jī)械臂，控制一個(gè)倒水機(jī)器人，發(fā)射小球的機(jī)器人，控制相撲機(jī)器人和別人對(duì)戰(zhàn)，甚至控制一些家用和競(jìng)賽，教育的機(jī)

器人。

Makeblock最初的邏輯理念就是打造金屬材料的“樂(lè)高積木”，提供另外一個(gè)無(wú)需專業(yè)知識(shí)靈活搭建專業(yè)機(jī)器人的平臺(tái)。深圳的一支創(chuàng)業(yè)隊(duì)伍開(kāi)創(chuàng)了Makeblock，讓用戶實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的平臺(tái)，給使用者做出了一套內(nèi)容非常完善的軟件、電子和機(jī)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(wèn)題。機(jī)械部分，機(jī)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(dòng)力構(gòu)件、整體框架構(gòu)件、傳動(dòng)構(gòu)件和連接部位的構(gòu)件。用這些機(jī)械構(gòu)件基本上能夠組建出各種類型的機(jī)器人或者其他機(jī)械構(gòu)型。這些機(jī)械構(gòu)件具有機(jī)械美感而且相當(dāng)專業(yè)。主要使用剛度非常高的鋁型材。機(jī)械零件就類似人類的肢體軀干。

電子模塊，基于應(yīng)用范圍非常廣泛的開(kāi)源硬件Arduino，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的各種類型的傳感器、控制器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，采用的接口都是按照機(jī)械國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而來(lái)的RJ25接口，單元化程度非常高，而且使用顏色標(biāo)簽接線體系，這樣用戶操作起來(lái)非常容易方便，即使沒(méi)有接觸過(guò)這方面專業(yè)知識(shí)的用戶也可以進(jìn)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(jī)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(jìn)行交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)某種動(dòng)作，操作起來(lái)非常直觀和容易，不需要學(xué)習(xí)相關(guān)的編程語(yǔ)言，也能夠讓使用者搭建的作品實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

此外，Makeblock這個(gè)平臺(tái)是開(kāi)源的開(kāi)放的而且兼容性很強(qiáng)。許多常用的電動(dòng)機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)構(gòu)件都可以安裝在Makeblock搭建的產(chǎn)品里，同時(shí)，可以把樂(lè)高積木里面的一些構(gòu)件和 Makeblock 的構(gòu)件混合起來(lái)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(shì)：

1.具有非常高的剛度和強(qiáng)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(jí)別產(chǎn)品發(fā)展；

3.因?yàn)椴捎娩X型材這種金屬材料，更能體現(xiàn)出機(jī)械的特點(diǎn)，更能展現(xiàn)機(jī)械美觀，因此很容易得到認(rèn)可，也不會(huì)被大眾開(kāi)玩笑說(shuō)成玩具，更加適合18歲以上的人群。

二、氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)指的是利用氣體壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，由于使用的是氣體這種介質(zhì)，獲取方式非常簡(jiǎn)單，且不會(huì)造成環(huán)境污染、非常干凈[1]。但由于氣體能夠壓縮，沒(méi)有辦法傳遞比較大的載荷，通常情況下，工作壓強(qiáng)在0.4-0.8之間，氣壓傳動(dòng)方式和使用控制、比較便于維修，費(fèi)用比較低、使用起來(lái)比較可靠和安全、使用壽命比較長(zhǎng)，所以在傳動(dòng)和控制方面應(yīng)用十分廣泛[2]。氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人競(jìng)賽中使用范圍越來(lái)越大，下面以手動(dòng)機(jī)器人為例，分析設(shè)計(jì)氣壓傳動(dòng)和控制方法。

1.手動(dòng)機(jī)器人

競(jìng)賽要求每個(gè)參加比賽的隊(duì)伍做手動(dòng)機(jī)器人，能夠和很多智能機(jī)器人一起配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，且要求機(jī)器人一共重50kg。因?yàn)閼?zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的需求，設(shè)計(jì)人員增加了智能機(jī)器人籌碼，其工作內(nèi)容僅有一個(gè)，即搶烽火臺(tái)上面的主火炬。這樣手動(dòng)機(jī)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(lái)阻擋敵方登上烽火臺(tái)。而手動(dòng)機(jī)器人不允許走進(jìn)簧火盤的上面和自動(dòng)區(qū)，且發(fā)射篝火盤和外圍副火炬的時(shí)候，擊球的角度和力度是不一樣的，所以想要實(shí)現(xiàn)投球行為，設(shè)計(jì)手動(dòng)機(jī)器人要有3種角度和

力度。

射球和投籃機(jī)構(gòu)是手動(dòng)機(jī)器人其中一個(gè)核心，采用氣壓傳動(dòng)方式。在一樣的功率下，就氣壓裝置和電器裝置這兩方面來(lái)說(shuō)，氣壓傳動(dòng)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(lái)比較容易，易于和電控制結(jié)合，比較適用于自動(dòng)化比較高的地方[3]。采用氣動(dòng)系統(tǒng)還有一個(gè)很關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)是非常容易進(jìn)行直線活動(dòng)，且速度相當(dāng)快[4]。不足之處就是不能夠準(zhǔn)確的控制活動(dòng)位置，一般情況下，僅僅能夠滿行程活動(dòng)。但這一不足之處在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能夠加以彌補(bǔ)[5]?；谠O(shè)計(jì)方案，需主副兩個(gè)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(shí)，最好的效果是能控制主氣缸伸出和縮回的速度，來(lái)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(lái)當(dāng)作氣源，因?yàn)楸荣悤r(shí)間很短，所以使用存儲(chǔ)一定量的壓縮氣體的鋼瓶，能夠滿足競(jìng)賽需求。但就保險(xiǎn)方面而言，在符合重量要求的條件下，應(yīng)該增加規(guī)格很小的充氣泵，及時(shí)補(bǔ)充能源。

氣缸伸出和縮回的速度，可以利用流量的多少對(duì)其進(jìn)行控制，然而氣缸做伸出和縮回的力可以基于氣體壓強(qiáng)來(lái)確定，手動(dòng)機(jī)器人的壓縮空氣鋼瓶上面有一個(gè)穩(wěn)壓閥，通過(guò)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(gè)氣路中由電磁控制閥和節(jié)流閥相互配合，將運(yùn)動(dòng)速度控制在3個(gè)檔位上面。

2.投球機(jī)構(gòu)

通過(guò)兩個(gè)氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，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為投球結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)機(jī)理圖，2個(gè)氣缸都是通過(guò)二位五通這種電磁閥來(lái)決定氣路是否通，利用流量調(diào)節(jié)閥來(lái)決定氣缸伸出和縮回的速度。節(jié)流閥打開(kāi)的大小程度需通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行控制，來(lái)仔細(xì)查看手動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)軌跡，如果想要在競(jìng)賽的過(guò)程中，基于實(shí)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(duì)主氣缸設(shè)計(jì)可以調(diào)控的變速單元。

在調(diào)控主氣缸的主電磁閥出氣口，和3個(gè)二位三通這樣的電磁閥，同時(shí)在每一個(gè)電磁閥出氣口都要安裝一個(gè)節(jié)流閥。通過(guò)試驗(yàn)，把3個(gè)節(jié)流閥設(shè)置不同大小的流量，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)投球機(jī)構(gòu)3個(gè)不同檔位的運(yùn)動(dòng)速度。隨意選擇其中一個(gè)電磁閥通電，這樣主氣缸里就會(huì)通有已經(jīng)設(shè)置好流量的空氣，這時(shí)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(dòng)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(yīng)的行為。還有一點(diǎn)就是，規(guī)格比較小的氣缸本身的質(zhì)量并不是很大，對(duì)發(fā)射架發(fā)射球不會(huì)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，二位五通電磁閥為，下面連接的還有兩個(gè)節(jié)流閥，通常，電磁閥不接通電的時(shí)候，壓強(qiáng)很大的空氣從氣缸的前面進(jìn)去，這時(shí)氣缸屬于縮回的狀態(tài)，且持續(xù)這種狀態(tài)。當(dāng)下達(dá)反射指令的時(shí)候，電磁閥通上了電，壓強(qiáng)很高的空氣從氣缸的尾部進(jìn)去，氣缸前面的空氣經(jīng)過(guò)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(jìn)一步調(diào)整發(fā)射燃料球的角度。

競(jìng)賽結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的整個(gè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作起來(lái)容易，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉祥時(shí).競(jìng)賽機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制[J].機(jī)電工程，2005，22（6）.

[2]錢曉忠.競(jìng)賽機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與基本機(jī)械結(jié)構(gòu)[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005 4 （1 ）.

[3]許弋.競(jìng)賽機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005 4 （1 ）.

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

[5]吳廣順，等.PLC在搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].機(jī)床與液壓，2006 （12）.