淺談關於ROBOCON比賽中使用的電磁閥設計

電磁閥是用電磁控制的工業設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬於執行器，並不限於液壓、氣動。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節閥等。

上圖為單向電磁閥，而我們比賽中常用的是雙向電磁閥。

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的氣管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關閉不同的排氣孔，而進氣孔是常開的，然後通過氣的壓力來推動氣缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。

而在於ROBOCON比賽中，會使用電磁閥來控制氣缸，氣缸負責驅動一些特定的機構，比如在2014年比賽之中，母親機器人需要完成推鞦韆的動作。這時也許電機電磁鐵都顯得不是那麼好，而最直接的實現方法就是使用電磁閥控制氣缸，用氣壓一瞬間衝擊出去，實現母親機器人的推鞦韆動作。

上圖為氣缸

氣缸來驅動的機械機構，最大的特點就是「沖」，瞬間衝擊出去，也可以瞬間收回來。缺點也顯而易見，就是不能持續動作，因為隨著每一次動作的執行，氣壓會下降，導致下一次動作可能到達不了需求的的執行效果。

上圖為氣壓感測器

在15年比賽中為了解決之前的氣壓問題，我採用氣壓感測器，確定最佳氣壓，在上場前我們會用氣壓表多充0.5個大氣壓來預防無法發現的漏氣，但在場上執行前會使用這個來監測氣壓，如果氣壓過高，會自動控制放氣來穩定氣壓。如果氣壓過低，會打開備用高壓的小氣瓶來均衡氣壓，不過儘管這樣做，還是只能保證使用氣瓶執行的機構執行幾次而已，這個問題還沒有得到很好的解決。所以有些時候，還是使用電機來設計機構。

上圖機械手的「手指」也是小氣缸來做的，抓取動作「穩，准，狠」。

首先是壓力氣瓶，一般各個學校都會選用雪碧與可樂的瓶子一般會使用2L容量的大瓶子，一般容許的氣壓可以滿足氣壓要求，但是有些學校會在瓶子的蓋子和外面做點「手腳」，蓋子部分可以防止漏氣方便更換拆卸，而在瓶子外面加上玻璃絲的貼紙，可以進一步提高瓶子的氣壓上限。也可以防止尖銳物刺破氣瓶引起爆炸。

雖然氣瓶的製作非常簡單，但是其實從這一點點地方來看就有非常多的細節需要處理。對於這些細節的處理態度，有時候就能決定比賽的結果。但是總有很令人寒心的事。就是隊員一直願意去做氣瓶，覺得太簡單，沒有技術含量，根本沒有人願意去單獨研究。我覺得這並不是做事的態度，有的時候我會徘徊在比完賽的場地附近，看到壞了的別的需要的一些零件，就會帶回學校去研究，記得帶過一個學校的氣瓶，和西交的一個推桿機構，的確發現很多我們沒有想到也沒有注意的細節非常值得學習。在我看來，一個新隊員，不要總覺得一開始就想做一些核心的技術方面，因為在一個團隊，永遠沒有人有義務教你什麼，你要學會把你負責的小事做好，讓別人看到你的成績，肯定你的能力，自然會有人委以重任。

在14年時，使用氣缸電磁閥的還有孩子機器人過梅花樁與爬樓梯機構：

這個並不是最後一版，只是當時我們確定方案的時候做的初版設計。

總而言之：在robocon比賽之中，對於使用氣缸來針對比賽要求來設計機械結構，控制電磁閥是一件常用並且重要的方案。

接下來就是電路與軟體方面了，使用的電磁閥板應該一眼就可以窺其原理。我只說關鍵，不再贅言。

首先電磁閥採用24V供電，所以電磁閥板為了簡單也是採用24V鋰電池，而弱電使用8V鋰電池，其間採用光耦來進行隔離，防止反向擊穿提高模塊穩定性。光耦同時可以提高電壓驅動MOS管。採用CAN通信，採用NMOS低端控制12路電磁閥。

之後進行了優化，使用定時器輸出PWM來控制，這樣同樣可以來進行只需單向旋轉的電機和氣泵和單向電推桿的控制。之後大家都覺得需要改個名字，比如說單向驅動板，動作執行板什麼的...但是畢竟叫慣了，就這麼叫吧。

電磁閥板子經過多屆比賽驗證優點在於相比於繼電器控制：體積小，驅動電流大，可以使用斬波控制，運行起來穩定。軟體部分其實控制起來非常的簡單，甚至連一個軟體框圖都可以不用畫。對於電磁閥就像點一個燈一樣簡單，有時候根據需要輸出PWM。

後言：也會有隊內的隊員來善意提醒我不要透露這麼多比賽的技術細節......我還是覺得閉門造車，固步自封不是一個好事。我渴望那種交流的氛圍，各取所長。希望大家可以多提一些自己的想法。

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