气动爬行机器人设计

２８液压与气动２０１０年第ｌＯ期气动爬行机器人设计马俊峰，唐立平ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｌｉｍｂｉｎｇｒｏｂｏｔＭＡＪｕｎ—ｆｅｎｇ，ＴＡＮＧＬｉ—ｐｉｎｇ（无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡２１４１２１）摘要：该文提出以气压传动系统作为动力驱动的平面爬行机器人，分析设计机器人的爬行动作与步距，机器人的机械结构，气动系统，以及ＰＬＣ控制系统，并进行软硬件的调试。气动爬行机器人采用爬虫步距式，－ａＪ＂ｖ；￡绕开一定障碍物，对地形的适应力较好，对地面材质也没有特殊要求。爬行机器人采用ＰＬＣ控制系统，集成度高，安全可靠，有一定扩展性。关键词：爬行机器人；气动系统；ＰＬＣ中图分类号：ＴＰ２４１；ＴＨｌ３８文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１０）１０－００２８－０４１引言随着气动技术的发展，气动机器人的应用领域也逐渐广泛，在一些特殊的应用场合，如安全、建筑、国防等，要求工作可靠、体积小、动作灵活的气动爬行机器人，尤其是在壁面爬行机器人的研究。壁面爬行机器人要完成在与水平面成一定角度的各种壁面上移动，它主要完成两个任务，一是吸附，二是移动。吸附的方式主要有电磁、气动负压与螺旋桨推压等，其中气动负压吸附方式应用较广，甚至有无源负压吸附方式ｕ“Ｊ。本文忽略气动爬行机器人的吸附功能，研究设计机器人的爬行功能，通过对其机械结构及控制系统设计，实现步距式爬行功能。２机械结构设计如图１所示，步距式气动爬行机器人的运动由相互垂直的ｘ、ｙ方向平移气缸和８个双作用单出杆气缸完成，平移气缸为双作用双出杆气缸，结合滚动直线轴承导套副机构实现水平移动，适用于轻载快速运动场合。为了实现ｘ、ｙ方向的爬动，两平移气缸分别固联在主连接板上下两面上，并呈十字分布。单出杆气缸实现机器人的升降运动。由于两平移气缸不处于同一水平面，要合理设计单出杆气缸在连接板上安装位置，以使８个单出杆气缸高度基本一致。机器人要爬行离不开支撑与移动两个动作，现以机器人向＋Ｘ方向移动为例介绍步距爬行的原理。如图２所示，十字分布的气缸固联在主连接板上，矩形剖面部分为活塞，活塞杆与脚气缸固联，箭头表示压缩空移去７、８、９、１０、１１ＬｊｌＯ９９１５１．主连接板２．导向轴支座３．导向轴４．连接件５、６．六角螺母７．Ｌ形支架８．上连接板（脚气缸）９、ｌＯ．脚气缸组件１１．滑台连接板１２．下连接板（脚气缸）１３．平移气缸１４．带座直线滚动轴承１５．底脚图ｌ爬行机器人机械结构图收稿日期：２０１０－０４－０７作者简介：马俊蜂（１９７８一），男，江苏如皋人，讲师，学士，主要从事液压、气动技术及ＰＬＣ方面的教学和科研工作。万方数据２０１０年第ｌＯ期液压与气动２９气的方向，图中以圆表示脚气缸，空心表示活塞杆缩回状态，剖面表示活塞杆伸出状态。在初始状态时爬行机器人脚气缸缩回，ｘ方向平移气缸活塞相对缸体处于最左端，ｙ方向平移气缸活塞相对于缸体处于最上端，相应滑台板与活塞杆固定连接。①为初始状态；②为ＸＹ方向脚气缸伸出，机器人被支撑起来，相当于ＸＹ平移气缸活塞杆被固定；③为工方向脚气缸收回，ｘ方向平移气缸活塞杆浮动，缸体被固定；④为ｘ方向平移气缸活塞右移；⑤为ｘ方向脚气缸伸出，ＸＹ平移气缸活塞杆固定；⑥为ｙ方向脚气缸收回，ｘ方向平移气缸缸体浮动；⑦为ｘ方向平移气缸缸体带动相应滑板相对于活塞右移；⑧为ｙ方向脚气缸伸出，与２气缸状态一致，依次循环下去。①②③曲曲每⑤⑥⑦⑧时皆ｏｒｏ啼啼旁一９一争一图２爬行机器人步距爬行原理机器人机械结构设计中主要要进行各个气缸的设计计算、滚动直线轴承导套副机构导杆直径的校核。１）脚气缸的选择计算已知机器人总重１６ｋｇ，各状态均有４或８个脚气缸支撑，气动系统工作压力为０．４ＭＰａ，加速度为０．１ｍ／ｓ２，取安全系数Ｊ｜｝＝１．３。，Ｉ！一胆（型±里尘一阻墨（！鱼兰！：墨±！鱼莶Ｑ：１２“ｏ一√耵ｐ一√３．１４×０．４＝１２．６ｍｍ磊为脚气缸直径。取ｄ＝２０ｍｍ＞ｄｏｏ２）平移气缸的选择计算机器人运动部分质量ｍ’为９．５８ｋｇ，导向杆承受竖直方向力Ⅳ为９４Ｎ，该滚动直线轴承导套副，取滚动摩擦系数肛＝Ｏ．００３，最大加速度取ａ＝１０ｍ／ｓ２。，＝Ｗｖ＝０．００３×９４＝０．２８２Ｎ．厂为摩擦力。小丛Ｐ＝螋‰三４里业＝２４７ｍｍ２。Ｕ．选ｄ为２０ＩｎＩｎ的双作用双出杆气缸，查产品目录，作用面积Ａ＝２６４姗＞２４７ｍｍ＝Ａｏ‘５１。３）导向轴校核作用力Ｎ＝２３．５Ｎ，口＝０．０５２ｍ，Ｌ＝０．２６４ｍ，Ｅ＝２０６ＧＰａ，Ｉ＝０．６４３４Ｅ名，如图３所示：图３导向轴校核受力图ｆ２最大挠度丘＝错（３—４ａ２）＝１．４ｅ－８ｍｍ对于刚度大的轴来说，许用［Ｙ］＝０．０００２Ｌ＝０．０００２ｘ２６４＝５．２８ｅ－２ｍｍ丘＜［Ｙ］满足刚度要求［６】。对于该轻载快速机构，滚动线性轴承寿命校核忽略。３控制任务描述（见图５）各个气缸及对应控制阀命名及对应动作如表ｌ所示。表１各气缸及阀命名及动作定义气缸动作定义气缸运动方向电磁阀通断电情况气缸Ａ（一Ｘ向平移）Ａ—ａ一气缸Ａ（＋Ｘ向平移）Ａ＋ａ＋气缸Ｂ（一Ｙ向平移）Ｂ—ｂ一气缸Ｂ（＋Ｙ向平移）Ｂ＋ｂ＋气缸Ｃ（一ｘ向升降）Ｃ—Ｃ一气缸Ｃ（＋ｘ向升降）Ｃ＋Ｃ＋气缸Ｄ（一Ｙ向升降）Ｄ—ｄ一气缸Ｄ（＋Ｙ向升降）Ｄ＋ｄ＋注：（１）Ａ一表示ｘ方向平移气缸Ａ的缸体相对于活塞处于向一ｘ极限位置的状态，Ａ＋表示ｘ方向平移气缸Ａ的缸体相对于活塞处于向＋ｘ极限位置的状态；（２）ａ一表示控制ｘ方向平移的阀ａ处于左位工作。该单电控电磁阀断电；ａ＋表示控制ｘ方向平移的阀ａ处于右位工作，该阀通电。预设机械爬行机器人气缸的初始状态为：ｘ方向平移气缸一ｘ极限；ｙ方向平移气缸一ｙ极限；Ｘ方向升降气缸下极限；ｙ方向升降气缸下极限；万方数据３０液压与气动２０１０年第１０期故气缸初始状态：Ａ一、Ｂ一、Ｃ一、Ｄ一。根据气动原理图４，要求对应控制阀的初始状态均为左位工作，各单电控阀均处于线圈断电工作状态，即初始时各控制阀为：ａ一、ｂ一、ｃ一、ｄ一。要实现气动机械爬虫向各个方向（一ｘ，＋ｘ，一ｌ，，＋ｌ，）移动，则相应气缸动作循环顺序如图５所示。双出秆气缸（胸）单出杆气缸∞句）双出杆气缸（ｒｌ自１）单出杆气缸（ｙ向）图４气动爬虫气动原理图磁１兰！！！！了。掘。世二竺兰！＝！ｆ。十ｎ世竺竺＝Ｐ啦’宅！＝兰竺竺二Ｐ图５气缸动作循环顺序图对应电磁阀的通断电顺序为：＋ｘ方向ｃ＋、ａ．４－、ｃ一、ｄ＂４－、ａ一、ｄ一……一Ｘ方向ｄｑ－、ａ＋、ｄ一、ｃ＋、ａ一、ｃ一……＋ｙ方向ｄ＋、ｂ＂４－、ｄ一、ｃ＋、ｂ一、ｃ一……一ｙ方向ｃ＋、ｂ＂４－、ｃ一、ｄ＋、ｂ一、ｄ一……气动机械爬行机器人控制系统要求为：选定运动方向，按下启动按钮，气动机械爬行机器人向着选定方向运动，按下停止按钮，机器人需走完一个循环，恢复到初始位置后停止；当选定方向后，需爬行机器人停止后才能选择其他方向运动；当按下急停按钮，爬行机器人立即停止，要恢复到初始状态，可以按下复位按钮实现；各运动过程要有相应的指示灯。４控制系统硬件设计根据气动机械爬行机器人的控制要求，Ｉ／Ｏ元件及地址分配表如表２所示，总计输入１５点，输出１１点，考虑到机械爬行机器人机械机构尺寸的限制，根据控制任务要求确定的输入输出点选择松下ＦＰＯ－Ｃ３２ＣＴ，该ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ点各为１６，长宽高分别为９０ｍｍ×６０ｍｍ×３０ｍｍ。表２Ｉ／Ｏ元件及地址分配表现场信号作用输入点输出信号作用输出点按钮启动Ｘ０电磁线圈对应阀ａＹ０停止Ｘｌ对应阀ｂＹｌ复位Ｘ２对应阀ｃＹ２开关一ｘ方向Ｘ３对应阀ｄＹ３＋Ｘ方向Ｘ４指示灯君动／停止Ｙ４一ｙ方向Ｘ５原位Ｙ５＋ｙ方向Ｘ６一工方向Ｙ６平移气缸一工方向Ｘ７＋ｘ方向Ｙ７接近开关＋Ｘ方向Ｘ８一ｌ，方向Ｙ８一ｌ，方向Ｘ９＋ｙ方向Ｙ９＋ｙ方向ＸＯＡ错误报警ＹＯＡ升降气缸Ｃ一方向ＸＯＢ接近开关Ｃ＋方向ＸＯＣＤ一方向ＸＯＤＤ＋方向ＸＯＥ５控制系统软件设计从气动机械爬行机器人的控制任务要求分析可以得出，可以采用主从式结构程序，把对外的输入信号处理程序作为主程序，把气动机械爬行机器人各个方向自动循环运动和复位分别编制子程序，这样模块化的结构便于编制、功能扩展、阅读和调试修改。爬行机器人的动作可以看成是气缸的顺序动作，可以用顺序功能图编程法来实现。＋ｘ方向运动顺序功能图如图６所示。厂芒当圃ｆ目，吨囹Ｉ箍十痂籀ｌ已Ｅ卜圃ｄ刍—圆Ｉ士ｘ０Ｄ阳６＋Ｘ禽向运动麻序动能图万方数据２０１０年第１０期液压与气动３１专用汽车液压支腿集成式智能调平系统设计研究陈玉霞１，周志鸿１。梁上愚２ＤｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｏｕｔｒｉｇｇｅｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｅｖｅｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｐｅｃｉａｌｖｅｈｉｃｌｅＣＨＥＮＹｕ．ｘｉａｌ，ＺＨＯＵＺｈｉ—ｈｏｎ９１，ＨＡＮＧＳｈａｎｇ—ｙｕ２（１．北京科技大学土木与环境工程学院，北京１０００８３；２．深圳凯卓立液压设备有限公司，广东深圳５１８１０８）摘要：集成式专用汽车液压支腿调平系统打破了由一个油源供应多条液压支腿液压缸的传统模式，采用一个油源控制一个支腿液压缸，每条支腿都是一个完整的液压系统，各自之间相互独立，由控制系统统一控制；大大减少了液压油管的使用，消除了布管问题，并且可以自由选择支撑点的个数与位置，具有很大的实用价值。关键词：专用汽车；集成式；液压支腿；智能调平中图分类号：吼７３文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１０）１０－００３１－０３１引言随着我国经济和社会的不断发展，各种不同功能的专用汽车也越来越多地走入我们的生产和生活之中。很多专用汽车，如大型采访车、流动舞台车以及重载车辆等由于功能要求，往往都需要配备调平系统。智能调平系统通过水平传感器，控制液压支腿的伸出量，使车厢底面保持水平【ｌ以Ｊ。目前，各种调平车辆上使用的支腿系统都是采用一个动力单元，以四点支撑系统为例：支腿液压系统控制采用一个油源分别为四个支腿供油，这种支腿系统在安装过程中无可避免的要用到大量的液压管路，存在布管困难的问题，在使用过程中由于油管老化，密封失效等原因容易造成油液的泄漏污染环境口ｊ。本文介绍的一种新型的集成式液压支腿智能调平系统中的设计，主要解决某些特殊的大型车辆，由于车辆自身的结构和功能的原因，不方便布管的问题。液压支腿在车辆上的一般安装位置，如图１所示‘４１。收稿日期：２０１０－０３－０９作者简介：陈玉霞（１９８４一），女，山东省临邑县人，硕士，主要从事液压系统自动控制方面的研究工作。．．：”６总结参考文献：该气动机器人实现在平面ＸＹ方向步距式爬行，通过软硬件调试，各部分功能均能实现，同时可在机器人脚气缸前增加吸附机构，即可爬行一定角度的壁面，根据不同壁面要求增加不同的吸附机构，比如平整的玻璃壁面，可以采用负压式，而在凹凸不平的钢铁表面，则可选用电磁式。设计时，机器人重量控制十分重要，在刚度和强度条件足够的情况下，应尽量采用密度小的材料，比如有机材料、塑料、铝合金等等。步距式爬行机器人能克服滚轮式及履带式机器人对于路况的要求，同时机器人控制也是顺序动作控制的典型例子，有较好的实用参考价值。［１］梅燕民，彭光正，范伟．气动爬墙机器人［Ｊ］．液压与气动密封，２００２，（１）：１９—２１．［２］张国平，杨杰，高婧