木牛流馬講課講稿

1、木牛流馬引言在1700多年前，三國時時期，蜀漢丞相相、軍師諸葛亮(181 234)與曹魏作戰(zhàn)時，大量軍糧需要從四川日盆地向北邊的漢中各地運送 ，但是要通過艱險的 秦嶺，一般馬隊車輛根本不能通行，于是他設計了 “木牛流馬”運輸軍糧來解決問 題。根據(jù)三國志，在建興年間有如下記載：“亮性長于巧思損益連弩、木牛流馬、皆出其意”。“九年春二月，亮復出軍圍祁山，始以木牛運?！薄笆炅列菔縿褶r于黃沙，作流馬木牛畢，教兵講武?！薄熬拍炅翉统銎钌剑阅九＿\，糧盡軍退，與魏將張部戰(zhàn)，射殺部十二年春亮悉大眾由斜谷出、以流馬運。據(jù)武功五丈原與司馬宣王對于渭南?！薄笆憾拢劣尚惫瘸?，始以流馬運?！薄皶x李興曰推子八

2、陣，不在孫吳；木牛之奇，則非股模，神弩之功，一何微妙.千井齊贅，又何秘要?！钡牵T葛亮并沒有留下任何關于“木牛流馬”的資料，那么“木牛流馬”是一 種什么樣的運輸工具呢？千百年來人們提出各種各樣的看法，但并沒有達成統(tǒng) 一。目前有四種說法：1認為木牛流馬是奇異的發(fā)明，即自動機械。2認為木牛流馬即獨輪推車。3認為木牛是獨輪車，流馬是四輪車。4不明確指出木牛流馬是什么。不管以前“木牛流馬”究竟是什么，有什么精妙之處，當?shù)谝淮温牭健澳九Ａ?馬”這個詞時，給人的直觀感覺總是類似于動物牛和馬?！澳九Ａ黢R”既然是一種裝置，那么就依據(jù)現(xiàn)代科學知識，根據(jù)牛和馬的共同特點仿制一套新“木牛流 馬”，讓它具有類似于牛

3、和馬的特點?？傮w方案新“木牛流馬”，作為現(xiàn)實中的牛和馬的仿生，必須具有它們相似功能特點, 并且可以依據(jù)需要添加一些新的功能。為了實現(xiàn)自動處理和實時控制的功能，必須有一套完整的“神經中樞”即 PLQ為了實現(xiàn)跨步移動的功能，可以設計一種多桿機構作為木牛流馬的四肢， 在這里為了更好地實現(xiàn)跨步能力和柔性，可選擇并聯(lián)五桿機構；為了使五桿機 構更好地運行，每個單肢需要兩個驅動電機，一個為常速電機，提供大部分功 率，另一個為伺服電機，對五桿機構進行調控，完成跨步功能；可以設計一套 鏈輪轉向機構，利用手動控制進行轉向；若要完整的完成轉向功能而又不產生 過大的沖擊力，需要在四肢根部個安裝一個側擺機構，能夠使四肢

4、平滑的完成 轉動，而側擺就由鏈輪機構控制；對于簡單的路徑，也可以設置成自動識別路 徑模式，通過舵機進行自動轉向；當然，為了是各項能夠有效地傳入控制器， 各種傳感器是不可或缺的，例如力傳感器測量接觸力，光電管傳感器獲得路徑 情況，扭矩傳感器測量驅動扭矩，光電編碼器測量運行速度等等。針對以上分析對所設計的“木牛流馬”結構提出了以下要求：1、選擇合適的處理器，對外界變化能夠快速有效地做出反應，實時控制各 個部分的功能。2、選擇合適的步行機構，使步行機構能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠 具有更大的跨越障礙的能力。3、可以平穩(wěn)的完成轉向功能，不會對機體產生過大的沖擊力。4、選擇合適的傳感器，能夠獲得周圍

5、情況的同時，盡量能夠與控制系統(tǒng)密 封安裝在機體內部，實現(xiàn)與外界介質的隔離。5、采取一定的機體結構，能夠實現(xiàn)步行驅動和傳感器監(jiān)測等功能，還能實 現(xiàn)與外界介質的隔離，增加環(huán)境適應性。結合以上要求，提出了以下“木牛流馬”的整體設計方案：1、選擇工控機和PLC結合作為硬件控制平臺，具有可靠、經濟、開發(fā)周期 短的特點。2、將平面并聯(lián)五桿機構用作步行機構。3、通過傳動軸驅動作為常速和伺服電機混合驅動的輸入源。4、通過與傳動軸同軸安裝動態(tài)扭矩傳感器，實時監(jiān)測步行機構驅動關節(jié)的 驅動扭矩。5、將鏈輪機構作為轉向機構，在特定情況下，也可以利用舵機實現(xiàn)自動轉 向。6、在特定路徑下，利用光電傳感器等完成自動識別路徑

6、功能。7、將整體控制系統(tǒng)，包括驅動電機，舵機，扭矩傳感器以及控制電路，密 封裝配在機體中，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與外界介質的隔離，通過軸傳動來驅動步行。 主要機構方案1弁聯(lián)驅動五桿機構并聯(lián)驅動并聯(lián)驅動是一般采用常轉速電機和伺服電機作為它們的驅動源。其中常轉 速電機提供機械系統(tǒng)所需要的絕大部分功率，以工控機和PLC控制的伺服電機調節(jié)機械系統(tǒng)的運動，以調節(jié)其輸出運動3536。二種形式的電機輸入運動 經過一個多自由度機械機構而進行運動合成所產生需要的輸出運動。其中，系 統(tǒng)的柔性取決于混合機構的形式和尺度。并聯(lián)驅動機器既具有常轉速電機驅動的傳統(tǒng)機械機構的優(yōu)點又具有伺服電 機的優(yōu)點，表現(xiàn)為該系統(tǒng)具有承載能力高、快

7、速、效率高等特點的同時，又具 有可控、可調的運動輸入，使機械機構的輸出具有更大的柔性。止匕外，又由于 并聯(lián)驅動只是部分采用了伺服電機輸入，相對全伺服輸入的系統(tǒng)而言，其成本 相對較低。伺服電機輸入不同的運動調節(jié)，即可調節(jié)輸出運動形式，并且具有 很大的柔性。本次采用的并聯(lián)驅動系統(tǒng)是一臺定轉速電機和一臺伺服電機的并聯(lián)驅動機 構。這就要求用一個二自由度機構將二臺電機的運動合成。此次采用最簡單的 二自由度平面五桿機構。對五桿機構加上一個定速電機和一個伺服電機就構成圖1 平面并聯(lián)五桿機構步行機構步行機構首先要保證其可動性，對于平面五桿機構的步行機構而言，連桿機構只要有雙曲柄存在，就可以保證其可動性。針對步

8、行機構要滿足的條件，選定合適的桿長，滿足才f長條件，建立如圖 2所示的步行機構模型。圖2步行機構模型步行機構的足端軌跡決定著“木牛流馬”采取那一種步行方式。根據(jù)現(xiàn)實中 動物在不同路況下的行走情況，可簡化的分為大步長、小步高和小步長、大步 高兩種形式，因此也可以簡單地將步行機構的步行方式分為這兩種方式。首先是常規(guī)的大步長、小步高的步行跨步。地面狀況良好的環(huán)境下，通常 采用大步長的步行方式，步長反映的是步行機構跨步水平尺寸，可以在一定程 度上提高步行速度。根據(jù)平面并聯(lián)五桿機構輸出軌跡的特點，為了實現(xiàn)大步長 的步行跨步，可以設定足端得軌跡為水平橢圓軌跡，如圖 3所示。圖3大步長軌跡圖其次是常規(guī)的短步

9、長、大步高的步行跨步。這種步行方式通常適用于地面 高低不平的環(huán)境。步高所反映的就是步行機構跨步高度尺寸，根據(jù)平面并聯(lián)五 桿機構輸出軌跡的特點，為了實現(xiàn)短步長、大步高的步行跨步，可以設定足端 的軌跡為垂直橢圓軌跡，如圖4所示。圖4大步高軌跡圖為實現(xiàn)驅動電機與步行機構有機的結合在一起，這里采用傳動軸相連接。傳動軸首與步行機構的驅動關節(jié)相連，可采用鍵槽周向固定和軸肩、螺紋旋緊 軸向固定；另外至少具有一個軸承座，通過軸承座與動態(tài)扭矩傳感器軸向連 接。如圖5三維模型圖。圖5傳動軸模型圖將控制元件，動態(tài)扭矩傳感器、聯(lián)軸器以及驅動電機等的三維模型進行裝配，對于單足裝配，具裝配模型如圖 6所示以及裝配示意圖7

10、。圖6單足裝配模型圖步行機構圖7單足裝配示意圖2鏈輪轉向機構在現(xiàn)實情況下，總有各種彎道，能夠方便簡單的實現(xiàn)轉向功能是一個很重要的設計部分。運用機械原理與機械設計的知識，利用齒輪齒鏈嚙合的原理設 計出簡單的轉向機構，其簡單示意圖如圖 8所示。齒輪1圖8鏈輪轉向機構示意圖如上圖所示，齒輪3與手柄相連接，利用手柄的轉動，通過鏈條，經過齒輪2帶動齒輪1轉動，齒輪1通過與其同軸的齒輪和側擺的連接，把齒輪 1的轉 動轉換為側擺的擺動，以實現(xiàn)“木牛流馬”的轉向功能。齒輪2可以設計成可動 齒輪，用來調節(jié)齒鏈的松緊程度，還可以起到緩沖的作用。另外，為了容易完 成手柄操作，該轉向機構應具有一定的自鎖功能。3自動識

11、別路徑并完成轉向功能現(xiàn)代智能設計中越來越多地將自動和手動兩種模式集合在一起，以便在路 徑復雜的情況下采用手動操作，而在特定軌跡并且路況比較好的情況下采用自 動功能，例如在車間里根據(jù)過道中特制的導引而能夠自動運輸貨物等。道路識 別由安裝在機體前部的紅外光電傳感器陣列采集，經過選頻與濾波電路，工控機 和PLC對信號進行處理后，通過光電編碼器采集到的速度信息，再根據(jù)一定的控 制算法，由輸出驅動模塊發(fā)出兩路PW械，分別對舵機、電機進行控制，完成轉 向、前進、制動的功能。將光電傳感器或紅外發(fā)射接收管按一字型排列在機體前部，最好選擇奇數(shù) 個傳感器，以中間那個傳感器獲得的信號為基準進行路徑識別。若在路徑的中

12、 間設置一道黑色的線條即在特定路徑中，通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光照到路徑 上，則路徑表面與中心線對紅外線具有不同的反射強度，可利用紅外接收管檢 測這中變化。經過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置可以檢測到機體相對于 前方道路的位置。在布置傳感器的時候應注意不能產生盲區(qū)，也不能有過大重 合區(qū)，這樣可以避免傳感器檢測不到路徑，出現(xiàn)錯亂，也可以避免因為兩個傳 感器同時檢測到變化而失去基準，引起控制器發(fā)出錯誤指令。紅外接收管接收到路徑反射的紅外光后產生電壓的變化，就可以可以反映 出路徑中心線的位置。這個電壓信號可以通過外部的電壓比較器變成高、低電 平由工控機和PLC的I/O端口讀取，也可以通過 A/D端

13、口直接讀取。從I/O端 口讀取的參考電路如圖9所示，從A/D端口直接讀取的參考電路如圖10所示。圖9 I/O端口讀取電路杷J1 Ru5脈沖信號Lr一9圖10 A/D端口讀取電路傳感部件通常，傳感器由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變 化而引起某種易被測量的信號的變化，而轉換元件則將敏感元件感受或響應的 被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分，具體的電量形式取決于敏感元件 的原理。當然，由于轉換元件的輸出信號一般都很微弱，為方便傳輸、轉換、 處理及顯示，通常有信號調理轉換電路、輔助電路等，將轉換元件輸出的電信 號進行放大或運算調制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉換元件、

14、信號調理轉換電路和輔助電路，如圖11所示。隨著半導體器件與集成技術的發(fā) 展，傳感器的信號調理轉換電路與敏感元件、轉換元件等一起集成在同一芯片 上，安裝在傳感器的殼體里購元件轉換元件電信號I埔助電第圖ii傳感器組成方框圖1光電傳感器光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉換成電信號的裝置。光電式傳感 器工作時，先將被測量轉換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化 轉換為相應的電量變化，從而實現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心(敏感 元件)是光電器件，光電器件的基礎是光電效應。光電式傳感器的結構簡單，響應速度快，可靠性較高，能實現(xiàn)參數(shù)的非接觸 測量。光電式傳感器可用來測量光學量或測量已先行轉換為

15、光學量的其他被測 量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學量時，光電器件是作為敏感元件 使用；而測量其他物理量時，它是作為轉換元件使用。光電式傳感器由光路及 電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調制，電路部分 完成從光信號到電信號的轉換。圖12(a)所示為測量光量時的組成框圖，圖 12(b)所示為測量其他物理量時的組成框圖。力學元件光電元件量路闋電巾)的量非光信號圖12光電式傳感器的基本組成在自動識別路徑功能上，紅外光照射到路徑上，發(fā)生反射，應為中間有道 黑線，吸收光強度較大，與兩側的光強均不一樣，需要有紅外接收管接并識別 光的變化。而紅外接管的主要部件就是光電管，光電管有真

16、空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結構上比較相似，均由一個陰極和一個陽極構成，并且密封 在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，具上涂有光電發(fā)射材料。陽極 通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當光照在陰極上時，中 央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流，從而產生電信 號，傳送給控制器。2力傳感器在步行機器人的足端安裝了力傳感器，利用它檢測足端與物體或地面的接觸力大小，從而來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面39?？梢?通過設置碰撞力信號的閾值來判斷步行足是可以克服阻力繼續(xù)運動，還是改變其運動方式避開障礙，力傳感器的控制原理框圖如圖13所示。力傳取晶與t也面球

17、物體發(fā)生接觸碰撞一傳疑器今出發(fā)應及-1fc包內大小的信5例4寸大小周信（臨界值）技原杼仃擰井功案步行| 相我笨于同值或偏專較小小于闞值圖13力傳感器步行控制原理圖目前常見的力傳感器有十字交叉梁結構的力傳感器與四垂直筋式力矩傳感3扭矩傳感器如圖7所示，可以將動態(tài)扭矩傳感器安裝在驅動電機和軸承座之間，并通過剛性聯(lián)軸器分別與傳動軸和電機輸出軸向連接。此時應特別注意同軸度問題，因為同軸度不僅決定著傳動軸的傳動效率和密封性能，而且還影響傳感器 的數(shù)據(jù)采集。扭矩傳感器與所測量的原件同軸安裝，應用應變片電測量技術，在彈性軸上組成應變橋，通過向應變橋提供電源，就可測得該彈性軸受扭的電信號 42 43。應變信號放大后，通過一定的電路進行壓/頻轉換，變成與扭應變成正比 的頻率信號?？梢詫討B(tài)扭矩傳感器應用控制系統(tǒng)中，監(jiān)測步行機構驅動關節(jié) 扭矩的突變，從而獲取足端周圍情況。當足端不與任何物體接觸時即處于懸空狀態(tài)時，驅動處的扭矩基本穩(wěn)定在 某一恒定值，沒有明顯變化；當足端與物體產生接觸時，物體對足端的反作用 力就會對驅動處產生