魔方機器人機械技術總結

來自專欄 機械雜記

本文將在相當一段時間內持續更新，由淺入深，因為我在這次比賽中成長了很多（其實還是因為我之前太菜了），所以這將是一篇很長的技術總結。

第一次更新：2018/05/10/23:25

第二次更新：2018/05/11/15:29

這次比賽中我們組是決賽賽場上唯一一組使用五指結構的隊伍，也是兩組使用純氣動（氣爪+迴轉氣缸）的隊伍之一（另一組是和我們同一個學校的一支隊伍），我們的機器人運作起來嗒嗒作響，瞬間就能聚集起周圍人的注意力，雖然最後結果並不如人意，但比賽總有遺憾，總結才能進步，故將這幾個月里的一些關於技術方面的思考和總結在這裡列出來，或許可以給一些想搞一些設計卻沒什麼底子或不知從何下手的同學們一點啟發，那我這些時間也算不白花了。

立題

設計製作魔方機器人，綜合運用機械、電子、信息和自然科學知識，實現比人「計算」更快、「翻動」更加靈活迅速的目標。魔方機器人限採用雙手臂，手指限採用二指或五指的形式，手腕容許有轉動和擺動，手臂為固定。

賽題初出時，還只是一個框架性的約束，沒有任何細節，確實不好下手，要開始下一步的分析題目與具體設計，需要一些基礎知識。

基礎知識

氣路設計

要使用氣動元件，要對氣路有一個總體的了解：

• 氣源：純凈的壓縮空氣。常用的氣源部件主要包括：空氣壓縮機、過濾器、減壓閥、壓力表、油霧器等。空氣壓縮機主要是產生壓縮空氣（工作介質）；過濾器主要是過濾壓縮空氣中的雜質，主要是水，所以過濾器一般有手動排水和自動排水兩種；減壓閥主要是為了調節氣動迴路的壓力，以壓力恆定維持氣動系統的穩定性；壓力表是氣壓的指示儀器，油霧器的主要作用是霧化氣動元器件的潤滑油。
• 氣缸：氣缸是主要的氣動驅動元件之一，它有多種類型。在氣源提供的壓縮空氣驅動下實現預先規劃好的運動，這個部分很複雜，後面涉及到的時候在具體說明。
• 電磁閥：不同於液壓元件經常使用各種閥，氣路閥比較單一。氣缸的往複運動由電磁閥來控制。電磁閥的動作由控制系統直接輸出電信號進行驅動，所以，電磁閥實際上屬於氣動系統的控制元件。
• 磁性開關：磁性開關是一種通過磁性檢測氣缸活塞位置的感測器。氣缸活塞位置如果通過磁性開關檢測，則要求選用帶磁性的氣缸活塞，否則無效。
• 氣管：氣路元件的連接就是氣在各個元件之間的傳遞，當然要用氣管了。
• 管接頭與節流閥：連接氣管與氣管或氣管與其它氣路元件，其中節流閥分為進氣節流閥和出氣節流閥，主要功能是調節氣流大小，控制氣動驅動元件的速度。出氣節流閥通過調節排氣管的氣流大小達到控制氣動驅動元件的速度，因而具有比進氣節流控制更穩定的特點。

在對氣動元件有大致的了解之後，我們就可以設(nao)計(bu)出一套麻雀雖小五臟俱全的氣路方案來了

接下來就是更具體的各元件介紹及其選型介紹，下面的舉例主要來自亞德客公司和SMC公司，不是廣告，只是單純因為我這兩家產品比較熟悉。首先提一下深入了解氣動元件一定要讀對應公司的選型手冊，其中會詳盡地列出所有產品及相關參數和特性，初步的目標是理解各部分工作基本原理，了解常用產品型號，大致知道各參數意義，能根據需要查閱選型手冊並選擇出適合需要的產品，簡單問題出現時能有清晰的排查思路。這樣氣動設計就算上入了門。如果是第一次接觸某一部分的選型，建議在讀到對應部分時停下來去查一查有哪些常用型號，方便理解。有條件的最好能夠拿相應元件拆一下助於理解

• 氣路連接件：氣管有Φ4、Φ6、Φ8等，指外徑，一般不用很大的，因為實際氣缸上的孔是比較小的，選用過大的沒有用。另外氣管有不同的材質，有軟有硬可供選擇，也有螺旋管，如果氣管過粗過長，可能會有滯氣的現象，不過一般設計不要太過分不用考慮這個，知道就好。然後就是管接頭（節流閥我把它算在管接頭裡，不當成閥來歸類），我們一般使用快插式的，氣管直接插入，按下頭部就可以拔出。其它形式的就不討論了。管接頭一般有三個參數：型號（根據需要的功能選配），接氣管外徑（根據需要的氣管選配），接元件螺紋（根據需要的元件選配）。這裡面的螺紋一般都是管螺紋，標示型號用G+分數：1/8、1/4、3/8、1/2等，為了表述方便，也常用分表示：一分、兩分、三分等，分別表示x/8的分數，為了標註方便，也常用數字代號表示：08、06等。

• 氣源部分：關於壓縮空氣的提供，我們在比賽中主要有兩種方式：空壓機直接供氣（適合固定的機器人）；提前充好壓縮空氣的氣瓶供氣（適合移動機器人）。其中空壓機直接供氣的方案由於氣源更充足，更有利於為機器提供穩定壓力的工作環境。關於壓縮空氣的處理，往往有將過濾器、減壓閥、壓力表、油霧器集成在一起的三聯件，或者小一點的兩聯件之類都很方便，不過要看清對應都包括了哪些元件。空壓機要記得常排出氣腔內積累的髒東西，不然可能會污染壓縮空氣或對空壓機性能造成影響。三聯件在接入氣路時需要注意接入的方向（一般會有箭頭指示，通常是從過濾器到減壓閥到油霧器）。過濾器在使用過程中要注意排水，也會逐漸變髒，如果臟到影響過濾性能建議就不要繼續使用了，要注意的一點是當氣壓過低時可能無法驅動，氣會直接從過濾器那裡漏出來；減壓閥就是當氣源壓力高於設定壓力時將氣壓降至設定壓力（顯而易見，當氣源壓力低於設定壓力時是不會升壓的）；油霧器就沒什麼好說的了。一般空壓機的參數有功率和容量，越大氣壓越穩，否則可能會大部分時間都處在氣泵運作狀態。三聯件的參數主要有型號、規格和介面，例如亞德客公司的GC200-08，其中GC是型號，是一種三聯件，200是規格，也有300、400、600等，08表示介面螺紋用於選配管接頭。、
• 電磁閥部分：

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