氣動系統在競賽機器人中的應用

譚梓煒（深圳市創客工場科技有限公司 廣東 深圳 518000）

氣動系統在競賽機器人中的應用

譚梓煒
（深圳市創客工場科技有限公司 廣東 深圳 518000）

Makeblock是融合機械 、電子、軟件三者相結合的創意實現平臺。借助 Makeblock，你可以快速搭建高性能氣動機器人。本文主要介紹了 Makeblock和氣動機器人的原理。

Makeblock 氣動機器人 原理；

一、Makeblock簡介

Makeblock是一款專為Makeblock平臺電子控制而開發的免費應用，同時您也可以用它來和Arduino平臺的傳感器和執行器進行數據交互，使用它來和您作品中的電子部分進行交互，控制您機器人的移動，操控機械臂，控制一個倒水機器人，發射小球的機器人，控制相撲機器人和別人對戰，甚至控制一些家用和競賽，教育的機器人。

Makeblock最初的邏輯理念就是打造金屬材料的“樂高積木”，提供另外一個無需專業知識靈活搭建專業機器人的平臺。深圳的一支創業隊伍開創了Makeblock，讓用戶實現創意的平臺，給使用者做出了一套內容非常完善的軟件、電子和機械的解決方案。Makeblock主要解決電子、軟件和硬件這三方面不統一的問題。機械部分，機械構件采用的材料絕大部分是鋁型材，這些構件包含動力構件、整體框架構件、傳動構件和連接部位的構件。用這些機械構件基本上能夠組建出各種類型的機器人或者其他機械構型。這些機械構件具有機械美感而且相當專業。主要使用剛度非常高的鋁型材。機械零件就類似人類的肢體軀干。

電子模塊，基于應用范圍非常廣泛的開源硬件Arduino，設計開發的各種類型的傳感器、控制器及電機驅動單元，采用的接口都是按照機械國際標準而來的RJ25接口，單元化程度非常高，而且使用顏色標簽接線體系，這樣用戶操作起來非常容易方便，即使沒有接觸過這方面專業知識的用戶也可以進行操作。這方面就像人類的大腦以及感官。

軟件部分，適用于平板電腦、手機等等各種類型的客戶端的App。用戶可以利用Makeblock搭建的作品進行交換數據，實現某種動作，操作起來非常直觀和容易，不需要學習相關的編程語言，也能夠讓使用者搭建的作品實現相應的功能。

此外，Makeblock這個平臺是開源的開放的而且兼容性很強。許多常用的電動機和標準的工業構件都可以安裝在Makeblock搭建的產品里，同時，可以把樂高積木里面的一些構件和 Makeblock 的構件混合起來共同搭建新模型。

使用MakeBlock搭建的產品具有下面三方面優勢：

1.具有非常高的剛度和強度。

2.搭建產品的結構可以非常龐大，有利于向工業級別產品發展；

3.因為采用鋁型材這種金屬材料，更能體現出機械的特點，更能展現機械美觀，因此很容易得到認可，也不會被大眾開玩笑說成玩具，更加適合18歲以上的人群。

二、氣動系統

氣動指的是利用氣體壓強實現動作，由于使用的是氣體這種介質，獲取方式非常簡單，且不會造成環境污染、非常干凈［1］。但由于氣體能夠壓縮，沒有辦法傳遞比較大的載荷，通常情況下，工作壓強在0.4-0.8MPa之間，氣壓傳動方式和使用控制、比較便于維修，費用比較低、使用起來比較可靠和安全、使用壽命比較長，所以在傳動和控制方面應用十分廣泛［2］。氣壓傳動系統在機器人競賽中使用范圍越來越大，下面以手動機器人為例，分析設計氣壓傳動和控制方法。

1.手動機器人

競賽要求每個參加比賽的隊伍做手動機器人，能夠和很多智能機器人一起配合實現動作，且要求機器人一共重50kg。因為戰略戰術的需求，設計人員增加了智能機器人籌碼，其工作內容僅有一個，即搶烽火臺上面的主火炬。這樣手動機器人需要做的事情很多，其中包含篝火盤、外圍副火炬，加上擊出敵方的燃料球，來阻擋敵方登上烽火臺。而手動機器人不允許走進簧火盤的上面和自動區，且發射篝火盤和外圍副火炬的時候，擊球的角度和力度是不一樣的，所以想要實現投球行為，設計手動機器人要有3種角度和力度。

射球和投籃機構是手動機器人其中一個核心，采用氣壓傳動方式。在一樣的功率下，就氣壓裝置和電器裝置這兩方面來說，氣壓傳動的重量比較小，體積不算太大，結構十分緊湊、功率密度比較大、控制起來比較容易，易于和電控制結合，比較適用于自動化比較高的地方［3］。采用氣動系統還有一個很關鍵的優勢是非常容易進行直線活動，且速度相當快［4］。不足之處就是不能夠準確的控制活動位置，一般情況下，僅僅能夠滿行程活動。但這一不足之處在結構設計上能夠加以彌補［5］。基于設計方案，需主副兩個氣缸用于控制，讓其能根據一定速度縮回和伸出。與此同時，最好的效果是能控制主氣缸伸出和縮回的速度，來更加靈活方便的調控射擊方向。

氣源角度，采用壓縮氣體鋼瓶來當作氣源，因為比賽時間很短，所以使用存儲一定量的壓縮氣體的鋼瓶，能夠滿足競賽需求。但就保險方面而言，在符合重量要求的條件下，應該增加規格很小的充氣泵，及時補充能源。

氣缸伸出和縮回的速度，可以利用流量的多少對其進行控制，然而氣缸做伸出和縮回的力可以基于氣體壓強來確定，手動機器人的壓縮空氣鋼瓶上面有一個穩壓閥，通過它能確保輸出的氣壓是恒定的，然而流量多少方面，僅能在整個氣路中由電磁控制閥和節流閥相互配合，將運動速度控制在3個檔位上面。

2.投球機構

通過兩個氣缸來驅動，主氣缸用于完成投球，副氣缸主要是調整投球的角度。

圖2-1　投球氣缸氣壓傳動回路

圖2-1為投球結構的氣動機理圖，2個氣缸都是通過二位五通這種電磁閥來決定氣路是否通，利用流量調節閥來決定氣缸伸出和縮回的速度。節流閥打開的大小程度需通過反復試驗進行控制，來仔細查看手動機器人的速度，滿足需求后，使用螺紋扣件將其鎖緊。

主氣缸是投球的主要構件，調控其伸出和縮回的速度就能夠調整發射燃料球的力和其運動軌跡，如果想要在競賽的過程中，基于實際情形，輕松靈活地調整發射燃料球的力和距離，就要針對主氣缸設計可以調控的變速單元。

在調控主氣缸的主電磁閥 F1出氣口，和3個二位三通這樣的電磁閥F3、F4、F5，同時在每一個電磁閥出氣口都要安裝一個節流閥。通過試驗，把3個節流閥設置不同大小的流量，這樣就實現了整個投球機構3個不同檔位的運動速度。隨意選擇其中一個電磁閥通電，這樣主氣缸里就會通有已經設置好流量的空氣，這時再讓主電磁閥通電，就能完成投球的行為。

3.角度調控結構

平面四桿結構和副氣缸一起能夠實現發射角度的改變，由于燃料球的質量并不是很大，且不需氣缸的推動力很大，因此選用規格比較小的氣缸就能夠實現相應的行為。還有一點就是，規格比較小的氣缸本身的質量并不是很大，對發射架發射球不會產生非常大的影響。

圖2-2為投球氣缸的氣壓控制回路，副氣缸為G2，二位五通電磁閥為F2，下面連接的還有兩個節流閥，通常，電磁閥不接通電的時候，壓強很大的空氣從氣缸的前面進去，這時氣缸屬于縮回的狀態，且持續這種狀態。當下達反射指令的時候，電磁閥通上了電，壓強很高的空氣從氣缸的尾部進去，氣缸前面的空氣經過節流閥的調節速度之后排出去了，這樣能夠使氣缸以恒定的速度伸出，調整燃料球中心處于什么地方，進一步調整發射燃料球的角度。

競賽結果驗證了設計的整個機構簡單，本次設計的機器人結構簡單，操作起來容易，運轉穩定可靠，滿足設計需求。

圖2-2　角度調控氣壓傳動

［1］劉祥時.競賽機器人控制系統的研制［J］.機電工程，2005，22（6）.

［2］錢曉忠.競賽機器人的創意設計與基本機械結構［J］.無錫職業技術學院學報，2005 4 （1 ）.

［3］許弋.競賽機器人的控制系統設計［J］.無錫職業技術學院學報，2005 4 （1 ）.

［4］凌勇堅，等.氣動控制系統的設計和使用［J］.液壓與氣動，2003 （ 3）.

［5］吳廣順，等.PLC在搬運機器人控制系統中的運用［J］.機床與液壓，2006 （12）.