氣動爬行機器人 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與實驗說明書

1、氣動爬行機器人液壓系統(tǒng)的設(shè)計與實驗 姓 名：曲艷行 課題組分工或貢獻：曲艷行電氣部分 姚宇林機械部分 孟昭亮、畢杰氣動部分 課 程 名 稱：液壓傳動系統(tǒng)、氣壓傳動及控制、 電液伺服與比例控制系統(tǒng) 指 導 教 師：趙靜一 2014年11月25日1. 氣動足式機器人簡介 移動機器人按移動方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動機器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運動仿生機器人。 運動仿生機器人按移動方式分為足式移動、蠕動、蛇行、游動及撲翼飛行等形式,其中足式機器人是研究最多的一類運動仿生機器人。自然環(huán)境中有約50的地形，輪式或履帶式車輛到達不了，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，要探測和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機器人以其固有的移動優(yōu)勢成為野外探測工作的首選，另外，如海底和極地的科學考察和探索，足式機器人也具有明顯的優(yōu)勢，因而足式機器人的研究得到世界各國的廣泛重視。 現(xiàn)研制成功的足式機器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動物因其優(yōu)越的野外行走能力和負載能力自然是人們研究足式機器人的重點仿生對象。因而四足機器人在足式機器人中占有很大的比例。長期從事足式機器人研究的日本東京工業(yè)大學的広瀨茂男等學者認為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機是最佳的足

3、式機器人形式，四足機器人的研究深具社會意義和實用價值。2. 氣動爬行機器人機械原理2.1 機械結(jié)構(gòu) 圖2.1為六足爬行機器人的機械結(jié)構(gòu)的三維示意圖，主要由汽缸提供動力，鋁板制作的雙層三角和兩組三足為支撐，可實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、急停、復位的自由切換。 2.2 運動原理 機器人的支撐：機器人6只足分別均分布在兩個等邊三角形的頂點上4。機器人在行走過程中，兩組足交替支撐。兩組足中的任一組三足可獨立支撐起整個機器人身體，機器人重心始終落在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有傾覆的危險。 初始狀態(tài)，下板足支撐，上板足汽缸收縮為騰空狀態(tài)。 前進動作(如下圖）: 動作1：前進缸伸出，下

4、層板撐地，與地面無相對運動，上層向前運動。 動作2：上層板汽缸伸出，此時上層板足撐地，下層板足騰空。 動作3：前進汽缸收縮，上層板足撐地與地面無相對運動，下層板在汽缸作用下向前運動。 動作4：上層板足汽缸收縮，下層板足撐地，恢復初始狀態(tài)。 后退動作: 動作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。 動作2：前進汽缸由收縮狀態(tài)變?yōu)樯斐鰻顟B(tài)，上層板足與地面接觸無相對運動，汽缸推動下層 板向后運動。 動作3：上層板足汽缸收縮，下層板足撐地，上層板足騰空。 動作4：前進氣缸收縮，下層板足與地面接觸無相對運動，汽缸帶動上層板向后運動。同時恢復初始狀態(tài)。左轉(zhuǎn)動作 動作1：上層板足

5、汽缸伸出，上層板足撐地，下層板足騰空。 動作2：轉(zhuǎn)彎汽缸收縮，此時上層板足與地面接觸無相對運動，下層板在轉(zhuǎn)彎汽缸的帶動下 左轉(zhuǎn)。 動作3：上層板足汽缸收縮，上層板足騰空，下層板足撐地。 動作4：轉(zhuǎn)彎汽缸伸出，此時下層板與地面接觸無相對運動，上層板在轉(zhuǎn)彎氣缸的作用下向 左轉(zhuǎn)動?；謴统跏紶顟B(tài)。右轉(zhuǎn)動作 動作1：轉(zhuǎn)彎汽缸收縮，此時下層板足與地面接觸無相對運動，上層板在氣缸的作用下向右 轉(zhuǎn)動。 動作2：上層板足汽缸伸出，上層板足撐地，下層板足騰空。 動作3：轉(zhuǎn)彎汽缸伸出，此時上層板足與地面接觸無相對運動，下層板在汽缸的作用下向右 轉(zhuǎn)動。 動作4：上層板足汽缸收縮，恢復初始狀態(tài)。 3. 氣動控制3.1氣

6、動原理圖 汽缸A1，A2，A3為上層板足汽缸，動作一致，汽缸B為位于上層板的前進汽缸，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。氣動原理圖如下： 3.2汽缸動作順序 啟動：總換向閥Y0得電，接通氣源 前進動作： 汽缸動作：汽缸A退回汽缸B伸出汽缸A伸出汽缸B退回 電磁換向閥得點順序：YA0-YB1-YA1-YB0 后退動作： 汽缸動作：汽缸B伸出汽缸A退回汽缸B退回汽缸A伸出 電磁換向閥得點順序：YB1-YA0-YB0-YA1 左轉(zhuǎn)動作： 汽缸動作：汽缸A退回汽缸C退回汽缸A伸出汽缸C伸出 電磁換向閥得點順序：

7、YA0-YC0-YA1-YC1 右轉(zhuǎn)動作： 汽缸動作：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 用繼電器和感應開關(guān)控制電磁換向閥的得電順序，從而控制氣缸的動作順序，完成爬行機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作. 4.1各個動作的X-D狀態(tài)圖 X-D狀態(tài)圖即信號-動作狀態(tài)圖，是一種圖解方法，把控制信號的存在狀態(tài)和執(zhí)行元件的動作狀態(tài)清楚地用一張圖表示，不僅清楚地表示障礙信號的存在狀態(tài)，還提供了消除障礙信號的各種可能性。并且可以用來檢查線路的正確和判斷線路的可行性。 前進狀態(tài)的X-D狀態(tài)圖 前進程序

8、：A0-B1-A1-B0 根據(jù)X-D狀態(tài)圖可知執(zhí)行前進動作時候無障礙信號。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)行后退動作時無障礙信號。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)動作時無障礙信號。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)動作時無障礙信號。4.2 電氣控制圖 由X-D狀態(tài)圖可知前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的動作并無障礙信號，根據(jù)X-D狀態(tài)圖設(shè)計出電氣控制系統(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、前進動作和后退動作；SA4閉合狀態(tài)下，SA2切換左轉(zhuǎn)動作和右轉(zhuǎn)動作。電氣控制系統(tǒng)原理圖如下（詳見工程圖YSU-O1-03）： 啟動、急停動作控制:根據(jù)電氣控制工程圖，啟動時旋鈕開關(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KM5自鎖控制的總換向閥Y0得電，氣源接通，啟動動作結(jié)束。急停時斷開旋鈕開關(guān)SA5，繼電器KM5失電，常開開關(guān)斷開，切斷電路電源；同時KM5自鎖控制的總換向閥Y1得電，氣源斷開，急停動作結(jié)束。 前進動作控制:啟動開關(guān)SA5閉合，電路接通。復位鍵SA3斷開，SA4斷開，SA1斷開，SA4斷開時，KM4常閉觸電接通，此時與電磁換向閥YC0和YC1連接的電路始

10、終斷開，無論SA2什么狀態(tài)，汽缸C無動作，形成互鎖。復位狀態(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。一次前進動作完成。后退動作控制:啟動開關(guān)SA5閉合，電路接通。復位鍵SA3斷開，SA4斷開，SA1閉合，SA4斷開時，KM4常閉觸電接通，此時與電磁換向閥YC0和YC1連接的電路始終斷開，無論SA2什么狀態(tài)，汽缸C無動作，形成互鎖。復位狀態(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。一次后退動作完成。左轉(zhuǎn)動作控制:啟動開關(guān)SA5閉合，電路接通。復位鍵SA3斷開，SA4閉合，SA2斷開，SA4閉合時，KM4常開觸電接通，此時與電磁換向閥YB0和YB1連接的電路始終斷開，無論SA2什么狀態(tài)，汽缸B無動作，形成互鎖。復位狀態(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)動作完成。 右轉(zhuǎn)動作控制：啟動開關(guān)SA5閉合，電路接通。復位鍵SA3斷開，SA4閉合，SA2閉

12、合，SA4閉合時，KM4常開觸電接通，此時與電磁換向閥YB0和YB1連接的電路始終斷開，無論SA2什么狀態(tài)，汽缸B無動作，形成互鎖。復位狀態(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)動作完成。5. 機械機構(gòu)的計算 5.1機構(gòu)的動作計算 上板足固定的汽缸形成是60mm，下板足支撐上板足騰空時，汽缸為退回狀態(tài)，此時上板足距離地面30mm；下板足騰空上板足支撐時，汽缸伸出狀態(tài)，此時下板足距離地面30mm。 控制前進和后退的汽缸行程為30mm，一次動作

13、完成后，前進后者后退距離為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為汽缸退回時的位置。AC為汽缸與中心的距離。其中AC=62mm，CB=138mm，BD=30mm，計算出CAB與CAD的差值極為一次轉(zhuǎn)向動作所賺的角度。 CAB-CAD=arctan138/62-arctan108/62=10，每次轉(zhuǎn)動10度。5.2 機構(gòu)的受力分析機械結(jié)構(gòu)的具體尺寸參見本項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,所以單個氣缸的力為F = PS = PR2/4 = 0.5X106X(10X10-3)2 = 39.25N三個腿部氣缸的合力為所需負重為,因為,所以腿部用三個氣缸較為合理。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,而單個氣缸的力，所以用單個氣缸可以驅(qū)動上下兩板間的相對運動。 6.參考文獻