气动爬行机器人 液压系统的设计与实验说明书..

1、气动爬行机器人液压系统的设计与实验姓名：曲艳行课题组分工或贡献：曲艳行电气部分姚宇林机械部分孟昭亮、毕杰气动部分课程名称:液压传动系统、气压传动及控制、电液伺服与比例控制系统指导教师：赵静一2014年11月25日1.气动足式机器人简介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

2、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

3、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。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

4、：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。动作4动们后退动作：动作1：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。动作2：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。动作3：上层板足汽缸收缩，下层板足撑地，上层板足腾空。动作4：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。动作1动作2动作3动作4左转动作动作1:上层板足汽缸伸出，上层板足撑地，下层板足腾空。动作2：转弯汽缸收缩，此时上层板足与地面接触无相对运

5、动，下层板在转弯汽缸的带动下左转。动作3：上层板足汽缸收缩，上层板足腾空，下层板足撑地。动作4：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。右转动作动作1：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。动作2：上层板足汽缸伸出，上层板足撑地，下层板足腾空。动作3：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转动。动作4：上层板足汽缸收缩，恢复初始状态。动作3动作43.气动控制3.1气动原理图汽缸Al,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

6、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：汽缸动作：汽缸B伸出汽缸A退回汽缸B退回汽缸A伸出电磁换向阀得点顺序：YB1-YA0-YB0-YA1左转动作：汽缸动作：汽缸A退回汽缸C退回汽缸A伸出汽缸C伸出电磁换向阀得点顺序：YA0-YC0-YA1-YC1右转动作：汽缸动作：汽缸C退回汽缸A退回汽缸C伸出汽缸A伸出电磁换向阀得点顺序：YC0-YA0-Y

7、C1-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节拍12、程序AoBiboAoa：-BicbiAi31Bo34执行信号AiBo£bi血Jbo根据X-D状态图可知执

8、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节拍123斗执行信号程序X-DBiAoBoAiaiBi()aibi(bi血BoasboAi(、bo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节拍123斗执行信号程序X-DAoCdAiClCl<、ClAda：Co：:CoCcAiai-<aiCi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节拍1234执行信号序X-daAoCiAi01CoCoAo(Co血fa：ClClcJClAi根据X-D状态图可知执行右转

9、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-01-03）：MsSA5冒SA3SA4boIbl!co|C1|ailaol1KM11iKM211maolailaoIailai|aoKM；KM43第10页KM3KMr7NKMsYoYiKMiO2KI04YAoYAiYBoYBiYCoYC

10、i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YCO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aO,

11、线圈YB1得电，汽缸B伸出；触发行程开关bl,线圈YA1得电，汽缸A伸出；触发行程开关al,线圈YBO得电，汽缸B退回。一次前进动作完成。后退动作控制:启动开关SA5闭合，电路接通。复位键SA3断开，SA4断开，SA1闭合，SA4断开时，KM4常闭触电接通，此时与电磁换向阀YCO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aO，线圈YB1得电，汽缸B伸出；触发行程开关bl,线圈YAO得电，汽缸A退回；触发行程开关aO,线圈YBO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:启动开关SA5闭合，电

12、路接通。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YBO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cO,线圈YAO得电，汽缸A退回；触发行程开关aO,线圈YCO得电，汽缸C退回；触发行程开关cO,线圈YA1得电，汽缸A伸出；触发行程开关al,线圈YC1得电，汽缸C伸出。一次左转动作完成。右转动作控制：启动开关SA5闭合，电路接通。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YBO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

13、锁。复位状态下触发行程开关al,线圈YCO得电，汽缸C退回；触发行程开关cO,线圈YAO得电，汽缸A退回；触发行程开关aO,线圈YCl得电，汽缸C伸出；触发行程开关cl,线圈YAl得电，汽缸A伸出。一次右转动作完成。5.机械机构的计算5.l机构的动作计算上板足固定的汽缸形成是6Omm，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3Omm；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3Omm。控制前进和后退的汽缸行程为3Omm,一次动作完成后，前进后者后退距离为3Omm。控制左转和右转的汽缸行程为3Omm，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

14、，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=l38mm,BD=3Omm,计算出ZCAB与ZCAD的差值极为一次转向动作所赚的角度。ZCAB-ZCAD=arctanl38/62-arctanlO8/62=lO,每次转动lO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=PnR2/4=0.5X106X(10X10-3)2=39.25N三个腿部气缸的合力为F=3F=3x39.25=117.75N所需负重为G=50N,因为F合»G，所以腿部用三个气缸较为合理。查资料得铝板间摩擦因数|J=0.20.3，所以上下两板间摩擦力大约为fG=1015N，而单个气缸的力F>>f，所以