一種氣動競賽機器人的研制

吳翠琴，鄺先驗

（江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000）

0 引言

機器人競賽是人類高智能技術之間的對抗賽,融機械、機器人學、機電一體化、嵌入式控制、實時數字信號處理、圖像處理與圖像識別、知識工程與專家系統、決策、軌跡規劃、多智能體的協調以及無線通訊等理論和技術于一體,是以各類體育競賽為載體的高科技對抗。為給當代大學生提供一個探索科技、培養創新思維的實踐舞臺，從2002年開始，中央電視臺每年舉辦一次“全國大學生機器人電視大賽”。本文以參加第八屆CCTV 亞太機器人大賽國內選拔活動“為了勝利的鑼鼓聲讓我們一起上路”的旅客機器人為例,介紹一種氣動競賽機器人的設計。比賽綱要：全自動的機器人轎夫在前面，后面是手動的機器人轎夫。他們合作把坐在轎子里面的自動的旅客機器人抬起來，這個過程中設置了各種各樣的任務，包括爬山和過樹林。轎子和旅客機器人一定不可以掉下來。當旅客機器人到達目標區域的時候，它必須要敲三聲鼓。三個傳統的日本鼓垂直安放在平臺上。第一個敲響三個鼓的參賽團隊為勝利者。作為本年度的參賽隊之一，本文主要介紹旅客機器人的結構及控制系統設計。

圖1 比賽場地

1 機器人結構設計

為了實現快速擊鼓，我們設計自動旅客機器人應輕巧靈活，還要求機器人穩定性好，該機器人采用履帶式輪，可以大大提高機器人在轎子上以及擊鼓期間的穩定性。在結構上主要包括移動機構、手臂機構和手腕機構。整體展開高度2.0m，折疊高度70cm，主體部分高15cm，壓低重心，提高擊鼓時期的機身穩定性。立柱材料方面最下面為鋼制，降低重心，上面兩節及鼓槌為鋁合金材質，減輕重量，手臂機構采用氣缸驅動,以壓縮空氣瓶為氣源，升降速度與系統穩定性均可得到保證。旅客機器人的結構示意圖如圖2所示。初步選定所用氣缸缸徑，根據行程范圍確定氣缸行程。然后選擇與氣缸相關的連接件和導向裝置，裝配成獨立功能模塊。各模塊都依次設計好后進行部裝，完成結構設計。機器人主要由立柱、手腕、手臂、手爪（鼓槌）組成，立柱為一個雙作用氣缸，可以進行升降運動；手臂為一個伸縮缸，可以實現伸出和縮回動作；手腕為一個雙作用擺動氣缸，可以進行上下擺動。在擊鼓時要求的動作順序為：

圖2 結構示意圖

2 機器人控制系統設計

2.1 氣動回路設計

按照已經確定的整體設計方案，旅客機器人的主要任務就是擊鼓，而這一機構的動力元件我們選擇使用氣缸，并用電磁閥加以控制。其特性是在同等功率下，相對于電器裝置，氣壓裝置而言體積小，重量輕，功率密度大,結構緊湊，控制比較方便，容易與電子控制系統相結合，適合自動化程度高的場合。這些特性十分符合對比賽機器人的要求。氣動機器人的氣動原理如圖所示。每個氣缸裝有2個單向節流閥用以進行速度控制，裝有2個磁性接近開關用以進行位置檢測，并由一個兩位五通電磁換向閥進行動作控制。

圖3 氣動控制回路圖

2.2 利用PLC進行多氣缸動作控制

應用PLC控制機器人實現各種規定的預定動作，可以簡化控制線路，節省成本，提高勞動生產率，該設計中全部采用雙電控電磁閥作為驅動氣缸的主控閥，具有存儲數量大、執行速度快等特點，機器人控制系統選用的是S7-200系列中的CPU24的型號。該型號PLC集成的數字量輸入/輸出為14入10出，基本位布爾運算執行時間為0.22us，用戶存儲器容量8K字節。而且它還具備6路30kHz七單相高速計數器和2路20kHz高速脈沖輸出。I/O接口與圖所示，SQ1-SQ6為行程開關，Y1-Y6為電磁閥。

圖4 PLC I/O接線

3 結束語

本文介紹的氣動機器人設計方案參加了中央電視臺舉辦的第八屆CCTV全國大學生機器人電視大賽,比賽的結果表明,本次設計的機器人結構簡單,行進速度快,運行平穩,達到設計要求,取得了較好的成績,為氣動控制系統用于競賽機器人提供了經驗和依據。

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