氣動(dòng)爬行機(jī)器人 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書

1、氣動(dòng)爬行機(jī)器人液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 姓 名：曲艷行 課題組分工或貢獻(xiàn)：曲艷行電氣部分 姚宇林機(jī)械部分 孟昭亮、畢杰氣動(dòng)部分 課 程 名 稱：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)及控制、 電液伺服與比例控制系統(tǒng) 指 導(dǎo) 教 師：趙靜一 2014年11月25日1. 氣動(dòng)足式機(jī)器人簡(jiǎn)介 移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。 運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人按移動(dòng)方式分為足式移動(dòng)、蠕動(dòng)、蛇行、游動(dòng)及撲翼飛行等形式,其中足式機(jī)器人是研究最多的一類運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。自然環(huán)境中有約50的地形，輪式或履帶式車輛到達(dá)不了，而這些地方如森林，草地濕地，山林

2、地等地域中擁有巨大的資源，要探測(cè)和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢(shì)成為野外探測(cè)工作的首選，另外，如海底和極地的科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國(guó)的廣泛重視。 現(xiàn)研制成功的足式機(jī)器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾長(zhǎng)期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。因而四足機(jī)器人在足式機(jī)器人中占有很大的比例。長(zhǎng)期從事足式機(jī)器人研究的日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨茂男等學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)是最佳的足

3、式機(jī)器人形式，四足機(jī)器人的研究深具社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。2. 氣動(dòng)爬行機(jī)器人機(jī)械原理2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖2.1為六足爬行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維示意圖，主要由汽缸提供動(dòng)力，鋁板制作的雙層三角和兩組三足為支撐，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、急停、復(fù)位的自由切換。 2.2 運(yùn)動(dòng)原理 機(jī)器人的支撐：機(jī)器人6只足分別均分布在兩個(gè)等邊三角形的頂點(diǎn)上4。機(jī)器人在行走過(guò)程中，兩組足交替支撐。兩組足中的任一組三足可獨(dú)立支撐起整個(gè)機(jī)器人身體，機(jī)器人重心始終落在A組或B組三足的三角形區(qū)域內(nèi)，因此在平面爬行中沒(méi)有傾覆的危險(xiǎn)。 初始狀態(tài)，下板足支撐，上板足汽缸收縮為騰空狀態(tài)。 前進(jìn)動(dòng)作(如下圖）: 動(dòng)作1：前進(jìn)缸伸出，下

4、層板撐地，與地面無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上層向前運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)作2：上層板汽缸伸出，此時(shí)上層板足撐地，下層板足騰空。 動(dòng)作3：前進(jìn)汽缸收縮，上層板足撐地與地面無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，下層板在汽缸作用下向前運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)作4：上層板足汽缸收縮，下層板足撐地，恢復(fù)初始狀態(tài)。 后退動(dòng)作: 動(dòng)作1：上層板足汽缸由收縮狀態(tài)變?yōu)樯斐鰻顟B(tài)，上層板足撐地，下層板足騰空。 動(dòng)作2：前進(jìn)汽缸由收縮狀態(tài)變?yōu)樯斐鰻顟B(tài)，上層板足與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，汽缸推動(dòng)下層 板向后運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)作3：上層板足汽缸收縮，下層板足撐地，上層板足騰空。 動(dòng)作4：前進(jìn)氣缸收縮，下層板足與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，汽缸帶動(dòng)上層板向后運(yùn)動(dòng)。同時(shí)恢復(fù)初始狀態(tài)。左轉(zhuǎn)動(dòng)作 動(dòng)作1：上層板足

5、汽缸伸出，上層板足撐地，下層板足騰空。 動(dòng)作2：轉(zhuǎn)彎汽缸收縮，此時(shí)上層板足與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，下層板在轉(zhuǎn)彎汽缸的帶動(dòng)下 左轉(zhuǎn)。 動(dòng)作3：上層板足汽缸收縮，上層板足騰空，下層板足撐地。 動(dòng)作4：轉(zhuǎn)彎汽缸伸出，此時(shí)下層板與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上層板在轉(zhuǎn)彎氣缸的作用下向 左轉(zhuǎn)動(dòng)?；謴?fù)初始狀態(tài)。右轉(zhuǎn)動(dòng)作 動(dòng)作1：轉(zhuǎn)彎汽缸收縮，此時(shí)下層板足與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上層板在氣缸的作用下向右 轉(zhuǎn)動(dòng)。 動(dòng)作2：上層板足汽缸伸出，上層板足撐地，下層板足騰空。 動(dòng)作3：轉(zhuǎn)彎汽缸伸出，此時(shí)上層板足與地面接觸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，下層板在汽缸的作用下向右 轉(zhuǎn)動(dòng)。 動(dòng)作4：上層板足汽缸收縮，恢復(fù)初始狀態(tài)。 3. 氣動(dòng)控制3.1氣

6、動(dòng)原理圖 汽缸A1，A2，A3為上層板足汽缸，動(dòng)作一致，汽缸B為位于上層板的前進(jìn)汽缸，汽缸C為位于下層板的轉(zhuǎn)彎汽缸。電磁換向閥線圈得電順序控制汽缸的伸出與縮回。汽缸兩端安裝磁性開關(guān)與繼電器共同控制電磁換向閥線圈。氣動(dòng)原理圖如下： 3.2汽缸動(dòng)作順序 啟動(dòng)：總換向閥Y0得電，接通氣源 前進(jìn)動(dòng)作： 汽缸動(dòng)作：汽缸A退回汽缸B伸出汽缸A伸出汽缸B退回 電磁換向閥得點(diǎn)順序：YA0-YB1-YA1-YB0 后退動(dòng)作： 汽缸動(dòng)作：汽缸B伸出汽缸A退回汽缸B退回汽缸A伸出 電磁換向閥得點(diǎn)順序：YB1-YA0-YB0-YA1 左轉(zhuǎn)動(dòng)作： 汽缸動(dòng)作：汽缸A退回汽缸C退回汽缸A伸出汽缸C伸出 電磁換向閥得點(diǎn)順序：

7、YA0-YC0-YA1-YC1 右轉(zhuǎn)動(dòng)作： 汽缸動(dòng)作：汽缸C退回汽缸A退回汽缸C伸出汽缸A伸出 電磁換向閥得點(diǎn)順序：YC0-YA0-YC1-YA1 急停：總換向閥Y1得電，切斷氣源。4. 電氣控制 用繼電器和感應(yīng)開關(guān)控制電磁換向閥的得電順序，從而控制氣缸的動(dòng)作順序，完成爬行機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作. 4.1各個(gè)動(dòng)作的X-D狀態(tài)圖 X-D狀態(tài)圖即信號(hào)-動(dòng)作狀態(tài)圖，是一種圖解方法，把控制信號(hào)的存在狀態(tài)和執(zhí)行元件的動(dòng)作狀態(tài)清楚地用一張圖表示，不僅清楚地表示障礙信號(hào)的存在狀態(tài)，還提供了消除障礙信號(hào)的各種可能性。并且可以用來(lái)檢查線路的正確和判斷線路的可行性。 前進(jìn)狀態(tài)的X-D狀態(tài)圖 前進(jìn)程序

8、：A0-B1-A1-B0 根據(jù)X-D狀態(tài)圖可知執(zhí)行前進(jìn)動(dòng)作時(shí)候無(wú)障礙信號(hào)。后退狀態(tài)X-D狀態(tài)圖 后退程序：B1-A0-B0-A1 根據(jù)X-D狀態(tài)圖可知執(zhí)行后退動(dòng)作時(shí)無(wú)障礙信號(hào)。左轉(zhuǎn)狀態(tài)X-D狀態(tài)圖 左轉(zhuǎn)程序：A0-C0-A1-C1 根據(jù)X-D狀態(tài)圖可知執(zhí)行左轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)無(wú)障礙信號(hào)。右轉(zhuǎn)狀態(tài)X-D狀態(tài)圖 右轉(zhuǎn)程序：C0-A0-C1-A1 根據(jù)X-D狀態(tài)圖可知執(zhí)行右轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)無(wú)障礙信號(hào)。4.2 電氣控制圖 由X-D狀態(tài)圖可知前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的動(dòng)作并無(wú)障礙信號(hào)，根據(jù)X-D狀態(tài)圖設(shè)計(jì)出電氣控制系統(tǒng)原理圖。KM4和KM3與KM3和KM4效果相同，為增加繼電器的常閉和常開觸電。SA4斷開狀態(tài)下，SA1切換

9、前進(jìn)動(dòng)作和后退動(dòng)作；SA4閉合狀態(tài)下，SA2切換左轉(zhuǎn)動(dòng)作和右轉(zhuǎn)動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)原理圖如下（詳見(jiàn)工程圖YSU-O1-03）： 啟動(dòng)、急停動(dòng)作控制:根據(jù)電氣控制工程圖，啟動(dòng)時(shí)旋鈕開關(guān)SA5閉合，繼電器KM5得電，常開開關(guān)閉合，使電路接通電源；同時(shí)KM5自鎖控制的總換向閥Y0得電，氣源接通，啟動(dòng)動(dòng)作結(jié)束。急停時(shí)斷開旋鈕開關(guān)SA5，繼電器KM5失電，常開開關(guān)斷開，切斷電路電源；同時(shí)KM5自鎖控制的總換向閥Y1得電，氣源斷開，急停動(dòng)作結(jié)束。 前進(jìn)動(dòng)作控制:啟動(dòng)開關(guān)SA5閉合，電路接通。復(fù)位鍵SA3斷開，SA4斷開，SA1斷開，SA4斷開時(shí)，KM4常閉觸電接通，此時(shí)與電磁換向閥YC0和YC1連接的電路始

10、終斷開，無(wú)論SA2什么狀態(tài)，汽缸C無(wú)動(dòng)作，形成互鎖。復(fù)位狀態(tài)下觸發(fā)行程開關(guān)b0，線圈YA0得電，汽缸A退回；觸發(fā)行程開關(guān)a0，線圈YB1得電，汽缸B伸出；觸發(fā)行程開關(guān)b1，線圈YA1得電，汽缸A伸出；觸發(fā)行程開關(guān)a1，線圈YB0得電，汽缸B退回。一次前進(jìn)動(dòng)作完成。后退動(dòng)作控制:啟動(dòng)開關(guān)SA5閉合，電路接通。復(fù)位鍵SA3斷開，SA4斷開，SA1閉合，SA4斷開時(shí)，KM4常閉觸電接通，此時(shí)與電磁換向閥YC0和YC1連接的電路始終斷開，無(wú)論SA2什么狀態(tài)，汽缸C無(wú)動(dòng)作，形成互鎖。復(fù)位狀態(tài)下觸發(fā)行程開關(guān)a0，線圈YB1得電，汽缸B伸出；觸發(fā)行程開關(guān)b1，線圈YA0得電，汽缸A退回；觸發(fā)行程開關(guān)a0，線

11、圈YB0得電，汽缸B退回；觸發(fā)行程開關(guān)B0，線圈YA1得電，汽缸A伸出。一次后退動(dòng)作完成。左轉(zhuǎn)動(dòng)作控制:啟動(dòng)開關(guān)SA5閉合，電路接通。復(fù)位鍵SA3斷開，SA4閉合，SA2斷開，SA4閉合時(shí)，KM4常開觸電接通，此時(shí)與電磁換向閥YB0和YB1連接的電路始終斷開，無(wú)論SA2什么狀態(tài)，汽缸B無(wú)動(dòng)作，形成互鎖。復(fù)位狀態(tài)下觸發(fā)行程開關(guān)c0，線圈YA0得電，汽缸A退回；觸發(fā)行程開關(guān)a0，線圈YC0得電，汽缸C退回；觸發(fā)行程開關(guān)c0，線圈YA1得電，汽缸A伸出；觸發(fā)行程開關(guān)a1，線圈YC1得電，汽缸C伸出。一次左轉(zhuǎn)動(dòng)作完成。 右轉(zhuǎn)動(dòng)作控制：?jiǎn)?dòng)開關(guān)SA5閉合，電路接通。復(fù)位鍵SA3斷開，SA4閉合，SA2閉

12、合，SA4閉合時(shí)，KM4常開觸電接通，此時(shí)與電磁換向閥YB0和YB1連接的電路始終斷開，無(wú)論SA2什么狀態(tài)，汽缸B無(wú)動(dòng)作，形成互鎖。復(fù)位狀態(tài)下觸發(fā)行程開關(guān)a1，線圈YC0得電，汽缸C退回；觸發(fā)行程開關(guān)c0，線圈YA0得電，汽缸A退回；觸發(fā)行程開關(guān)a0，線圈YC1得電，汽缸C伸出；觸發(fā)行程開關(guān)c1，線圈YA1得電，汽缸A伸出。一次右轉(zhuǎn)動(dòng)作完成。5. 機(jī)械機(jī)構(gòu)的計(jì)算 5.1機(jī)構(gòu)的動(dòng)作計(jì)算 上板足固定的汽缸形成是60mm，下板足支撐上板足騰空時(shí)，汽缸為退回狀態(tài)，此時(shí)上板足距離地面30mm；下板足騰空上板足支撐時(shí)，汽缸伸出狀態(tài)，此時(shí)下板足距離地面30mm。 控制前進(jìn)和后退的汽缸行程為30mm，一次動(dòng)作

13、完成后，前進(jìn)后者后退距離為30mm。 控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的汽缸行程為30mm，如圖所示，A為三角板的中心，即旋轉(zhuǎn)的中心，B為汽缸伸出狀態(tài)的位置，D為汽缸退回時(shí)的位置。AC為汽缸與中心的距離。其中AC=62mm，CB=138mm，BD=30mm，計(jì)算出CAB與CAD的差值極為一次轉(zhuǎn)向動(dòng)作所賺的角度。 CAB-CAD=arctan138/62-arctan108/62=10，每次轉(zhuǎn)動(dòng)10度。5.2 機(jī)構(gòu)的受力分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體尺寸參見(jiàn)本項(xiàng)目的零件工程圖和裝配體工程圖。氣源壓力為0.5MP，氣缸直徑為10mm,所以單個(gè)氣缸的力為F = PS = PR2/4 = 0.5X106X(10X10-3)2 = 39.25N三個(gè)腿部氣缸的合力為所需負(fù)重為,因?yàn)?所以腿部用三個(gè)氣缸較為合理。查資料得鋁板間摩擦因數(shù)=0.20.3，所以上下兩板間摩擦力大約為,而單個(gè)氣缸的力，所以用單個(gè)氣缸可以驅(qū)動(dòng)上下兩板間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。