气动爬行机器人 液压系统的设计与实验说明书Word格式文档下载.docx

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移动机器人按移动方式大体分为两大类；

一是由现代车辆技术延伸发展成轮式移动机器人（包括履带式）；

二是基于仿生技术的运动仿生机器人。

运动仿生机器人按移动方式分为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动仿生机器人。

自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。

现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。

曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。

因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例。

长期从事足式机器人研究的日本东京工业大学的広濑茂男等学者认为：

从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。

2.气动爬行机器人机械原理

2.1机械结构

图2.1为六足爬行机器人的机械结构的三维示意图，主要由汽缸提供动力，铝板制作的双层三角和两组三足为支撑，可实现前进、后退、左转、右转、急停、复位的自由切换。

2.2运动原理

机器人的支撑：

机器人6只足分别均分布在两个等边三角形的顶点上[4]。

机器人在行走过程中，两组足交替支撑。

两组足中的任一组三足可独立支撑起整个机器人身体，机器人重心始终落在A组或B组三足的三角形区域内，因此在平面爬行中没有倾覆的危险。

初始状态，下板足支撑，上板足汽缸收缩为腾空状态。

前进动作（如下图）:

动作1：

前进缸伸出，下层板撑地，与地面无相对运动，上层向前运动。

动作2：

上层板汽缸伸出，此时上层板足撑地，下层板足腾空。

动作3：

前进汽缸收缩，上层板足撑地与地面无相对运动，下层板在汽缸作用下向前运动。

动作4：

上层板足汽缸收缩，下层板足撑地，恢复初始状态。

后退动作:

上层板足汽缸由收缩状态变为伸出状态，上层板足撑地，下层板足腾空。

前进汽缸由收缩状态变为伸出状态，上层板足与地面接触无相对运动，汽缸推动下层

板向后运动。

上层板足汽缸收缩，下层板足撑地，上层板足腾空。

前进气缸收缩，下层板足与地面接触无相对运动，汽缸带动上层板向后运动。

同时恢复初始状态。

左转动作

上层板足汽缸伸出，上层板足撑地，下层板足腾空。

转弯汽缸收缩，此时上层板足与地面接触无相对运动，下层板在转弯汽缸的带动下

左转。

上层板足汽缸收缩，上层板足腾空，下层板足撑地。

转弯汽缸伸出，此时下层板与地面接触无相对运动，上层板在转弯气缸的作用下向

左转动。

恢复初始状态。

右转动作

转弯汽缸收缩，此时下层板足与地面接触无相对运动，上层板在气缸的作用下向右

转动。

转弯汽缸伸出，此时上层板足与地面接触无相对运动，下层板在汽缸的作用下向右

上层板足汽缸收缩，恢复初始状态。

3.气动控制

3.1气动原理图

汽缸A1，A2，A3为上层板足汽缸，动作一致，汽缸B为位于上层板的前进汽缸，汽缸C为位于下层板的转弯汽缸。

电磁换向阀线圈得电顺序控制汽缸的伸出与缩回。

汽缸两端安装磁性开关与继电器共同控制电磁换向阀线圈。

气动原理图如下：

3.2汽缸动作顺序

启动：

总换向阀Y0得电，接通气源

前进动作：

汽缸动作：

汽缸A退回——汽缸B伸出——汽缸A伸出——汽缸B退回

电磁换向阀得点顺序：

YA0-YB1-YA1-YB0

后退动作：

汽缸B伸出——汽缸A退回——汽缸B退回——汽缸A伸出

YB1-YA0-YB0-YA1

左转动作：

汽缸A退回——汽缸C退回——汽缸A伸出——汽缸C伸出

YA0-YC0-YA1-YC1

右转动作：

汽缸C退回——汽缸A退回——汽缸C伸出——汽缸A伸出

YC0-YA0-YC1-YA1

急停：

总换向阀Y1得电，切断气源。

4.电气控制

用继电器和感应开关控制电磁换向阀的得电顺序，从而控制气缸的动作顺序，完成爬行机器人的前进、后退、左转、右转等动作.

4.1各个动作的X-D状态图

X-D状态图即信号-动作状态图，是一种图解方法，把控制信号的存在状态和执行元件的动作状态清楚地用一张图表示，不仅清楚地表示障碍信号的存在状态，还提供了消除障碍信号的各种可能性。

并且可以用来检查线路的正确和判断线路的可行性。

前进状态的X-D状态图

前进程序：

A0-B1-A1-B0

根据X-D状态图可知执行前进动作时候无障碍信号。

后退状态X-D状态图

后退程序：

B1-A0-B0-A1

根据X-D状态图可知执行后退动作时无障碍信号。

左转状态X-D状态图

左转程序：

A0-C0-A1-C1

根据X-D状态图可知执行左转动作时无障碍信号。

右转状态X-D状态图

右转程序：

C0-A0-C1-A1

根据X-D状态图可知执行右转动作时无障碍信号。

4.2电气控制图

由X-D状态图可知前进、后退、左转、右转的动作并无障碍信号，根据X-D状态图设计出电气控制系统原理图。

KM4’和KM3’与KM3和KM4效果相同，为增加继电器的常闭和常开触电。

SA4断开状态下，SA1切换前进动作和后退动作；

SA4闭合状态下，SA2切换左转动作和右转动作。

电气控制系统原理图如下（详见工程图YSU-O1-03）：

启动、急停动作控制:

根据电气控制工程图，启动时旋钮开关SA5闭合，继电器KM5得电，常开开关闭合，使电路接通电源；

同时KM5自锁控制的总换向阀Y0得电，气源接通，启动动作结束。

急停时断开旋钮开关SA5，继电器KM5失电，常开开关断开，切断电路电源；

同时KM5自锁控制的总换向阀Y1得电，气源断开，急停动作结束。

前进动作控制:

启动开关SA5闭合，电路接通。

复位键SA3断开，SA4断开，SA1断开，SA4断开时，KM4常闭触电接通，此时与电磁换向阀YC0和YC1连接的电路始终断开，无论SA2什么状态，汽缸C无动作，形成互锁。

复位状态下触发行程开关b0，线圈YA0得电，汽缸A退回；

触发行程开关a0，线圈YB1得电，汽缸B伸出；

触发行程开关b1，线圈YA1得电，汽缸A伸出；

触发行程开关a1，线圈YB0得电，汽缸B退回。

一次前进动作完成。

后退动作控制:

复位键SA3断开，SA4断开，SA1闭合，SA4断开时，KM4常闭触电接通，此时与电磁换向阀YC0和YC1连接的电路始终断开，无论SA2什么状态，汽缸C无动作，形成互锁。

复位状态下触发行程开关a0，线圈YB1得电，汽缸B伸出；

触发行程开关b1，线圈YA0得电，汽缸A退回；

触发行程开关a0，线圈YB0得电，汽缸B退回；

触发行程开关B0，线圈YA1得电，汽缸A伸出。

一次后退动作完成。

左转动作控制:

复位键SA3断开，SA4闭合，SA2断开，SA4闭合时，KM4常开触电接通，此时与电磁换向阀YB0和YB1连接的电路始终断开，无论SA2什么状态，汽缸B无动作，形成互锁。

复位状态下触发行程开关c0，线圈YA0得电，汽缸A退回；

触发行程开关a0，线圈YC0得电，汽缸C退回；

触发行程开关c0，线圈YA1得电，汽缸A伸出；

触发行程开关a1，线圈YC1得电，汽缸C伸出。

一次左转动作完成。

右转动作控制：

复位键SA3断开，SA4闭合，SA2闭合，SA4闭合时，KM4常开触电接通，此时与电磁换向阀YB0和YB1连接的电路始终断开，无论SA2什么状态，汽缸B无动作，形成互锁。

复位状态下触发行程开关a1，线圈YC0得电，汽缸C退回；

触发行程开关c0，线圈YA0得电，汽缸A退回；

触发行程开关a0，线圈YC1得电，汽缸C伸出；

触发行程开关c1，线圈YA1得电，汽缸A伸出。

一次右转动作完成。

5.机械机构的计算

5.1机构的动作计算

上板足固定的汽缸形成是60mm，下板足支撑上板足腾空时，汽缸为退回状态，此时上板足距离地面30mm；

下板足腾空上板足支撑时，汽缸伸出状态，此时下板足距离地面30mm。

控制前进和后退的汽缸行程为30mm，一次动作完成后，前进后者后退距离为30mm。

控制左转和右转的汽缸行程为30mm，如图所示，A为三角板的中心，即旋转的中心，B为汽缸伸出状态的位置，D为汽缸退回时的位置。

AC为汽缸与中心的距离。

其中AC=62mm，CB=138mm，BD=30mm，计算出∠CAB与∠CAD的差值极为一次转向动作所赚的角度。

∠CAB-∠CAD=arctan138/62-arctan108/62=10，每次转动10度。

5.2机构的受力分析

机械结构的具体尺寸参见本项目的零件工程图和装配体工程图。

气源压力为0.5MP，气缸直径为10mm,所以单个气缸的力为F=PS=PπR2/4=0.5X106X（10X10-3）2=39.25N

三个腿部气缸的合力为

所需负重为

因为

所以腿部用三个气缸较为合理。

查资料得铝板间摩擦因数μ=0.2~0.3，所以上下两板间摩擦力大约为

而单个气缸的力

，所以用单个气缸可以驱动上下两板间的相对运动。

6.参考文献：

【1】周玉林、许立忠.机械设计[M]．中国标准出版社．2009年

【2】韩晓娟．机械设计课程设计指导手册[M]．中国标准出版社．2008年

【3】成大仙．机械设计手册[M]（第五版）．化学工业出版社．2008年

【4】吴振顺.气压传动与控制[M]（第二版）．哈尔滨工业大学出版社.2010年

【5】周军、海心.电气控制及PLC[M]（第二版）．机械工业出版社.2007年

【6】作者不明.新型六足机器人[D].南昌航空大学.2010年