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        氣動系統(tǒng)在競賽機器人中的應(yīng)用

        2016-12-05 13:15:44譚梓煒
        新教育時代·教師版 2016年30期

        譚梓煒

        摘 要::Makeblock是融合機械 、電子、軟件三者相結(jié)合的創(chuàng)意實現(xiàn)平臺。借助 Makeblock,你可以快速搭建高性能氣動機器人。本文主要介紹了 Makeblock和氣動機器人的原理。

        關(guān)鍵詞:Makeblock 氣動機器人 原理;

        一、Makeblock簡介

        Makeblock是一款專為Makeblock平臺電子控制而開發(fā)的免費應(yīng)用,同時您也可以用它來和Arduino平臺的傳感器和執(zhí)行器進行數(shù)據(jù)交互,使用它來和您作品中的電子部分進行交互,控制您機器人的移動,操控機械臂,控制一個倒水機器人,發(fā)射小球的機器人,控制相撲機器人和別人對戰(zhàn),甚至控制一些家用和競賽,教育的機

        器人。

        Makeblock最初的邏輯理念就是打造金屬材料的“樂高積木”,提供另外一個無需專業(yè)知識靈活搭建專業(yè)機器人的平臺。深圳的一支創(chuàng)業(yè)隊伍開創(chuàng)了Makeblock,讓用戶實現(xiàn)創(chuàng)意的平臺,給使用者做出了一套內(nèi)容非常完善的軟件、電子和機械的解決方案。Makeblock 主要解決電子、軟件和硬件這三方面不統(tǒng)一的問題。機械部分,機械構(gòu)件采用的材料絕大部分是鋁型材,這些構(gòu)件包含動力構(gòu)件、整體框架構(gòu)件、傳動構(gòu)件和連接部位的構(gòu)件。用這些機械構(gòu)件基本上能夠組建出各種類型的機器人或者其他機械構(gòu)型。這些機械構(gòu)件具有機械美感而且相當(dāng)專業(yè)。主要使用剛度非常高的鋁型材。機械零件就類似人類的肢體軀干。

        電子模塊,基于應(yīng)用范圍非常廣泛的開源硬件Arduino,設(shè)計開發(fā)的各種類型的傳感器、控制器及電機驅(qū)動單元,采用的接口都是按照機械國際標準而來的RJ25接口,單元化程度非常高,而且使用顏色標簽接線體系,這樣用戶操作起來非常容易方便,即使沒有接觸過這方面專業(yè)知識的用戶也可以進行操作。這方面就像人類的大腦以及感官。

        軟件部分,適用于平板電腦、手機等等各種類型的客戶端的App。用戶可以利用Makeblock搭建的作品進行交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)某種動作,操作起來非常直觀和容易,不需要學(xué)習(xí)相關(guān)的編程語言,也能夠讓使用者搭建的作品實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

        此外,Makeblock這個平臺是開源的開放的而且兼容性很強。許多常用的電動機和標準的工業(yè)構(gòu)件都可以安裝在Makeblock搭建的產(chǎn)品里,同時,可以把樂高積木里面的一些構(gòu)件和 Makeblock 的構(gòu)件混合起來共同搭建新模型。

        使用MakeBlock搭建的產(chǎn)品具有下面三方面優(yōu)勢:

        1.具有非常高的剛度和強度。

        2.搭建產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可以非常龐大,有利于向工業(yè)級別產(chǎn)品發(fā)展;

        3.因為采用鋁型材這種金屬材料,更能體現(xiàn)出機械的特點,更能展現(xiàn)機械美觀,因此很容易得到認可,也不會被大眾開玩笑說成玩具,更加適合18歲以上的人群。

        二、氣動系統(tǒng)

        氣動指的是利用氣體壓強實現(xiàn)動作,由于使用的是氣體這種介質(zhì),獲取方式非常簡單,且不會造成環(huán)境污染、非常干凈[1]。但由于氣體能夠壓縮,沒有辦法傳遞比較大的載荷,通常情況下,工作壓強在0.4-0.8之間,氣壓傳動方式和使用控制、比較便于維修,費用比較低、使用起來比較可靠和安全、使用壽命比較長,所以在傳動和控制方面應(yīng)用十分廣泛[2]。氣壓傳動系統(tǒng)在機器人競賽中使用范圍越來越大,下面以手動機器人為例,分析設(shè)計氣壓傳動和控制方法。

        1.手動機器人

        競賽要求每個參加比賽的隊伍做手動機器人,能夠和很多智能機器人一起配合實現(xiàn)動作,且要求機器人一共重50kg。因為戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的需求,設(shè)計人員增加了智能機器人籌碼,其工作內(nèi)容僅有一個,即搶烽火臺上面的主火炬。這樣手動機器人需要做的事情很多,其中包含篝火盤、外圍副火炬,加上擊出敵方的燃料球,來阻擋敵方登上烽火臺。而手動機器人不允許走進簧火盤的上面和自動區(qū),且發(fā)射篝火盤和外圍副火炬的時候,擊球的角度和力度是不一樣的,所以想要實現(xiàn)投球行為,設(shè)計手動機器人要有3種角度和

        力度。

        射球和投籃機構(gòu)是手動機器人其中一個核心,采用氣壓傳動方式。在一樣的功率下,就氣壓裝置和電器裝置這兩方面來說,氣壓傳動的重量比較小,體積不算太大,結(jié)構(gòu)十分緊湊、功率密度比較大、控制起來比較容易,易于和電控制結(jié)合,比較適用于自動化比較高的地方[3]。采用氣動系統(tǒng)還有一個很關(guān)鍵的優(yōu)勢是非常容易進行直線活動,且速度相當(dāng)快[4]。不足之處就是不能夠準確的控制活動位置,一般情況下,僅僅能夠滿行程活動。但這一不足之處在結(jié)構(gòu)設(shè)計上能夠加以彌補[5]。基于設(shè)計方案,需主副兩個氣缸用于控制,讓其能根據(jù)一定速度縮回和伸出。與此同時,最好的效果是能控制主氣缸伸出和縮回的速度,來更加靈活方便的調(diào)控射擊方向。

        氣源角度,采用壓縮氣體鋼瓶來當(dāng)作氣源,因為比賽時間很短,所以使用存儲一定量的壓縮氣體的鋼瓶,能夠滿足競賽需求。但就保險方面而言,在符合重量要求的條件下,應(yīng)該增加規(guī)格很小的充氣泵,及時補充能源。

        氣缸伸出和縮回的速度,可以利用流量的多少對其進行控制,然而氣缸做伸出和縮回的力可以基于氣體壓強來確定,手動機器人的壓縮空氣鋼瓶上面有一個穩(wěn)壓閥,通過它能確保輸出的氣壓是恒定的,然而流量多少方面,僅能在整個氣路中由電磁控制閥和節(jié)流閥相互配合,將運動速度控制在3個檔位上面。

        2.投球機構(gòu)

        通過兩個氣缸來驅(qū)動,主氣缸用于完成投球,副氣缸主要是調(diào)整投球的角度。

        圖2-1為投球結(jié)構(gòu)的氣動機理圖,2個氣缸都是通過二位五通這種電磁閥來決定氣路是否通,利用流量調(diào)節(jié)閥來決定氣缸伸出和縮回的速度。節(jié)流閥打開的大小程度需通過反復(fù)試驗進行控制,來仔細查看手動機器人的速度,滿足需求后,使用螺紋扣件將其鎖緊。

        主氣缸是投球的主要構(gòu)件,調(diào)控其伸出和縮回的速度就能夠調(diào)整發(fā)射燃料球的力和其運動軌跡,如果想要在競賽的過程中,基于實際情形,輕松靈活地調(diào)整發(fā)射燃料球的力和距離,就要針對主氣缸設(shè)計可以調(diào)控的變速單元。

        在調(diào)控主氣缸的主電磁閥出氣口,和3個二位三通這樣的電磁閥,同時在每一個電磁閥出氣口都要安裝一個節(jié)流閥。通過試驗,把3個節(jié)流閥設(shè)置不同大小的流量,這樣就實現(xiàn)了整個投球機構(gòu)3個不同檔位的運動速度。隨意選擇其中一個電磁閥通電,這樣主氣缸里就會通有已經(jīng)設(shè)置好流量的空氣,這時再讓主電磁閥通電,就能完成投球的行為。

        3.角度調(diào)控結(jié)構(gòu)

        平面四桿結(jié)構(gòu)和副氣缸一起能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射角度的改變,由于燃料球的質(zhì)量并不是很大,且不需氣缸的推動力很大,因此選用規(guī)格比較小的氣缸就能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的行為。還有一點就是,規(guī)格比較小的氣缸本身的質(zhì)量并不是很大,對發(fā)射架發(fā)射球不會產(chǎn)生非常大的影響。

        圖2-2為投球氣缸的氣壓控制回路,副氣缸為,二位五通電磁閥為,下面連接的還有兩個節(jié)流閥,通常,電磁閥不接通電的時候,壓強很大的空氣從氣缸的前面進去,這時氣缸屬于縮回的狀態(tài),且持續(xù)這種狀態(tài)。當(dāng)下達反射指令的時候,電磁閥通上了電,壓強很高的空氣從氣缸的尾部進去,氣缸前面的空氣經(jīng)過節(jié)流閥的調(diào)節(jié)速度之后排出去了,這樣能夠使氣缸以恒定的速度伸出,調(diào)整燃料球中心處于什么地方,進一步調(diào)整發(fā)射燃料球的角度。

        競賽結(jié)果驗證了設(shè)計的整個機構(gòu)簡單,本次設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)簡單,操作起來容易,運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠,滿足設(shè)計需求。

        參考文獻

        [1]劉祥時.競賽機器人控制系統(tǒng)的研制[J].機電工程,2005,22(6).

        [2]錢曉忠.競賽機器人的創(chuàng)意設(shè)計與基本機械結(jié)構(gòu)[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005 4 (1 ).

        [3]許弋.競賽機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005 4 (1 ).

        [4]凌勇堅,等.氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用[J].液壓與氣動,2003 ( 3).

        [5]吳廣順,等.PLC在搬運機器人控制系統(tǒng)中的運用[J].機床與液壓,2006 (12).

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