气动爬行机器人设计

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1、万方数据28液压与气动2010年第lO期气动爬行机器人设计马俊峰，唐立平ThedesignofpneumaticclimbingrobotMAJun—feng，TANGLi—ping(无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡214121)摘要：该文提出以气压传动系统作为动力驱动的平面爬行机器人，分析设计机器人的爬行动作与步距，机器人的机械结构，气动系统，以及PLC控制系统，并进行软硬件的调试。气动爬行机器人采用爬虫步距式，-aJ"v；￡绕开一定障碍物，对地形的适应力较好，对地面材质也没有特殊要求。爬行机器人采用PLC控制系统，集成度高，安全可靠，有一定扩展性。关键词：爬

2、行机器人；气动系统；PLC中图分类号：TP241；THl38文献标识码：B文章编号：1000-4858(2010)10-0028-041引言随着气动技术的发展，气动机器人的应用领域也逐渐广泛，在一些特殊的应用场合，如安全、建筑、国防等，要求工作可靠、体积小、动作灵活的气动爬行机器人，尤其是在壁面爬行机器人的研究。壁面爬行机器人要完成在与水平面成一定角度的各种壁面上移动，它主要完成两个任务，一是吸附，二是移动。吸附的方式主要有电磁、气动负压与螺旋桨推压等，其中气动负压吸附方式应用较广，甚至有无源负压吸附方式u“J。本文忽略气动爬行机器人的吸附功能，研究设计机器人的爬行功

3、能，通过对其机械结构及控制系统设计，实现步距式爬行功能。2机械结构设计如图1所示，步距式气动爬行机器人的运动由相互垂直的x、y方向平移气缸和8个双作用单出杆气缸完成，平移气缸为双作用双出杆气缸，结合滚动直线轴承导套副机构实现水平移动，适用于轻载快速运动场合。为了实现x、y方向的爬动，两平移气缸分别固联在主连接板上下两面上，并呈十字分布。单出杆气缸实现机器人的升降运动。由于两平移气缸不处于同一水平面，要合理设计单出杆气缸在连接板上安装位置，以使8个单出杆气缸高度基本一致。机器人要爬行离不开支撑与移动两个动作，现以机器人向+X方向移动为例介绍步距爬行的原理。如图2所示，十

4、字分布的气缸固联在主连接板上，矩形剖面部分为活塞，活塞杆与脚气缸固联，箭头表示压缩空移去7、8、9、10、11LjlO9151．主连接板2．导向轴支座3．导向轴4．连接件5、6．六角螺母7．L形支架8．上连接板(脚气缸)9、lO．脚气缸组件11．滑台连接板12．下连接板(脚气缸)13．平移气缸14．带座直线滚动轴承15．底脚图l爬行机器人机械结构图收稿日期：2010-04-07作者简介：马俊蜂(1978一)，男，江苏如皋人，讲师，学士，主要从事液压、气动技术及PLC方面的教学和科研工作。万方数据2010年第lO期液压与气动29气的方向，图中以圆表示脚气缸，空心表示活塞

5、杆缩回状态，剖面表示活塞杆伸出状态。在初始状态时爬行机器人脚气缸缩回，x方向平移气缸活塞相对缸体处于最左端，y方向平移气缸活塞相对于缸体处于最上端，相应滑台板与活塞杆固定连接。①为初始状态；②为XY方向脚气缸伸出，机器人被支撑起来，相当于XY平移气缸活塞杆被固定；③为工方向脚气缸收回，x方向平移气缸活塞杆浮动，缸体被固定；④为x方向平移气缸活塞右移；⑤为x方向脚气缸伸出，XY平移气缸活塞杆固定；⑥为y方向脚气缸收回，x方向平移气缸缸体浮动；⑦为x方向平移气缸缸体带动相应滑板相对于活塞右移；⑧为y方向脚气缸伸出，与2气缸状态一致，依次循环下去。①②③曲曲每⑤⑥⑦⑧时皆o

6、ro啼啼旁一9一争一图2爬行机器人步距爬行原理机器人机械结构设计中主要要进行各个气缸的设计计算、滚动直线轴承导套副机构导杆直径的校核。1)脚气缸的选择计算已知机器人总重16kg，各状态均有4或8个脚气缸支撑，气动系统工作压力为0．4MPa，加速度为0．1m／s2，取安全系数J

7、}=1．3。，I!一胆(型±里尘一阻墨(!鱼兰!：墨±!鱼莶Q：12“o一√耵p一√3．14×0．4=12．6mm磊为脚气缸直径。取d=20mm>doo2)平移气缸的选择计算机器人运动部分质量m’为9．58kg，导向杆承受竖直方向力Ⅳ为94N，该滚动直线轴承导套副，取滚动摩擦系数肛=O．003，

8、最大加速度取a=10m／s2。，=Wv=0．003×94=0．282N．厂为摩擦力。小丛P=螋‰三4里业=247mm2。U．选d为20InIn的双作用双出杆气缸，查产品目录，作用面积A=264姗>247mm=Ao‘51。3)导向轴校核作用力N=23．5N，口=0．052m，L=0．264m，E=206GPa，I=0．6434E名，如图3所示：图3导向轴校核受力图f2最大挠度丘=错(3—4a2)=1．4e-8mm对于刚度大的轴来说，许用[Y]=0．0002L=0．0002x264=5．28e-2mm丘<[Y]满足刚度要求[6】。对于该轻载快速机构，滚动