一种气动竞赛机器人的研制

吴翠琴，邝先验

（江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

机器人竞赛是人类高智能技术之间的对抗赛,融机械、机器人学、机电一体化、嵌入式控制、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、多智能体的协调以及无线通讯等理论和技术于一体,是以各类体育竞赛为载体的高科技对抗。为给当代大学生提供一个探索科技、培养创新思维的实践舞台，从2002年开始，中央电视台每年举办一次“全国大学生机器人电视大赛”。本文以参加第八届CCTV 亚太机器人大赛国内选拔活动“为了胜利的锣鼓声让我们一起上路”的旅客机器人为例,介绍一种气动竞赛机器人的设计。比赛纲要：全自动的机器人轿夫在前面，后面是手动的机器人轿夫。他们合作把坐在轿子里面的自动的旅客机器人抬起来，这个过程中设置了各种各样的任务，包括爬山和过树林。轿子和旅客机器人一定不可以掉下来。当旅客机器人到达目标区域的时候，它必须要敲三声鼓。三个传统的日本鼓垂直安放在平台上。第一个敲响三个鼓的参赛团队为胜利者。作为本年度的参赛队之一，本文主要介绍旅客机器人的结构及控制系统设计。

图1 比赛场地

1 机器人结构设计

为了实现快速击鼓，我们设计自动旅客机器人应轻巧灵活，还要求机器人稳定性好，该机器人采用履带式轮，可以大大提高机器人在轿子上以及击鼓期间的稳定性。在结构上主要包括移动机构、手臂机构和手腕机构。整体展开高度2.0m，折叠高度70cm，主体部分高15cm，压低重心，提高击鼓时期的机身稳定性。立柱材料方面最下面为钢制，降低重心，上面两节及鼓槌为铝合金材质，减轻重量，手臂机构采用气缸驱动,以压缩空气瓶为气源，升降速度与系统稳定性均可得到保证。旅客机器人的结构示意图如图2所示。初步选定所用气缸缸径，根据行程范围确定气缸行程。然后选择与气缸相关的连接件和导向装置，装配成独立功能模块。各模块都依次设计好后进行部装，完成结构设计。机器人主要由立柱、手腕、手臂、手爪（鼓槌）组成，立柱为一个双作用气缸，可以进行升降运动；手臂为一个伸缩缸，可以实现伸出和缩回动作；手腕为一个双作用摆动气缸，可以进行上下摆动。在击鼓时要求的动作顺序为：

图2 结构示意图

2 机器人控制系统设计

2.1 气动回路设计

按照已经确定的整体设计方案，旅客机器人的主要任务就是击鼓，而这一机构的动力元件我们选择使用气缸，并用电磁阀加以控制。其特性是在同等功率下，相对于电器装置，气压装置而言体积小，重量轻，功率密度大,结构紧凑，控制比较方便，容易与电子控制系统相结合，适合自动化程度高的场合。这些特性十分符合对比赛机器人的要求。气动机器人的气动原理如图所示。每个气缸装有2个单向节流阀用以进行速度控制，装有2个磁性接近开关用以进行位置检测，并由一个两位五通电磁换向阀进行动作控制。

图3 气动控制回路图

2.2 利用PLC进行多气缸动作控制

应用PLC控制机器人实现各种规定的预定动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率，该设计中全部采用双电控电磁阀作为驱动气缸的主控阀，具有存储数量大、执行速度快等特点，机器人控制系统选用的是S7-200系列中的CPU24的型号。该型号PLC集成的数字量输入/输出为14入10出，基本位布尔运算执行时间为0.22us，用户存储器容量8K字节。而且它还具备6路30kHz七单相高速计数器和2路20kHz高速脉冲输出。I/O接口与图所示，SQ1-SQ6为行程开关，Y1-Y6为电磁阀。

图4 PLC I/O接线

3 结束语

本文介绍的气动机器人设计方案参加了中央电视台举办的第八届CCTV全国大学生机器人电视大赛,比赛的结果表明,本次设计的机器人结构简单,行进速度快,运行平稳,达到设计要求,取得了较好的成绩,为气动控制系统用于竞赛机器人提供了经验和依据。

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