机械设计大赛 轮式机器人.docx

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机械设计大赛轮式机器人

轮式移动弹跳机器人

设计者：

冯玉坤刘生辉董家乐

单位：

机电工程学院

指导教师：

叶长龙

引言

机器人是高级整合机构学、仿生学、材料、控制论、计算机、信息处理和人工智能的产物。

机器人在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途，且扮演着越来越重要的角色，正在替代人类发挥日益重要的作用。

随着应用范围的扩大，机器人所要面对的环境越来越恶劣，因此人们需要研制各种不同类型的机器人以适应不同的工作环境。

为适应各种复杂的应用环境，各类型运动方式的移动机器人应运而生，随着机器人应用范围的扩大，机器人在很多时候被要求具备弹跳能力，这种具备弹跳能力的机器人就被称为弹跳式机器人，即弹跳机器人。

弹跳机器人可以轻而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟渠，甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物，因此更适合复杂和不可预测的环境。

1.机器人总体结构简介

1.1主要部件

机器人总体结构由车轴车轮部分，气缸，燃烧罐和辅助部分构成。

由此设计的机器人结构如下图所示。

1.2运动方式

轮式移动弹跳机器人具有两种运动方式：

一种是轮式移动运动方式；另一种是弹跳运动方式。

1.3工作原理

1.3.1当任务途中没有遇到较高障碍物。

弹跳机构与地面平行，靠弹跳机器人的后轮驱动机器人移动，到达指定的工作地点。

1.3.2当任务途中遇到有较高障碍物。

首先，调整弹跳机构，使其与地面成一定角度；其次，间歇式单动内燃机完成充气、点火动作，弹跳机器人跳离地面；再次，弹跳机器人在空中完成弹跳机构弹跳角度的复位，使弹跳机构恢复到初始状态；最后，弹跳机器人越过障碍物落地。

1.3.3间歇式单动内燃机原理设计

弹跳机构设计关键在于其原理设计，要求做到：

（1）结构简单，重量轻，尽量减少驱动器和其它耗能元件个数，提高能量利用率；

（2）弹跳机构无实际应用中无法实现的假想条件；（3）弹跳机构能源动力的功率质量比要高，如使用高储能电池或者用液态燃料代替电池。

间歇式单动内燃机是一种以混合燃料点燃爆炸产生的高温、高压气体为动力，以活塞杆直接输出间歇式直线往复运动对外进行做功的二冲程、点燃式、单缸内燃机。

其工作原理与二冲程汽油内燃机的工作原理类似，都是将燃料的化学能转换为机械能对外做功。

间歇式单动内燃机的工作原理与普通二冲程汽油内燃机的工作原理类似，其工作过程分为两个工作行程。

1.3.3.1工作行程及原理

第一行程：

活塞由上止点运动到下止点。

如图所示，活塞位于上止点，排气孔1关闭，此时活塞被弹簧、永磁铁等外力锁紧。

打开进气口，让高压混合燃料气体充满燃烧室，活塞由于被外力锁紧而不能下行。

然后，将热火头通以1.5V的电源，当热火头达到一定温度的时候，混合燃料气体被点燃爆炸，由此产生的高温高压气体对活塞的作用力克服了活塞弹簧、永磁铁等的外力而使活塞向下运动。

活塞下行的同时，一部分能量被弹簧所储存，用于活塞的复位。

第二行程：

活塞由下止点回程到上止点。

如图所示，活塞位于下止点，排气孔2开始排气，汽缸内的高压气体被排出，汽缸内气体压强变小，活塞受力减小。

当活塞受力小于弹簧、永磁铁等的外力时，活塞开始上行，排气孔2关闭。

打开排气孔1，由汽缸顶部开始排气，活塞继续上行，直至到达上止点，排气结束。

排气结束后，燃烧室内仍有残余的废气，故在排气结束后、混合燃料气体充入前，可以安排一个扫气过程，即进气孔、排气孔1同时打开，扫除所有的废气。

要设计合理的燃烧室结构，以便残余废气的排除。

以间歇式单动内燃机作为弹跳机构，其弹跳过程如图所示，主要分为充气、起跳、空中复位和落地四个阶段：

（1）充气

活塞处于上止点，残余废气基本排完，排气孔关闭，进气孔打开，燃气和氧化剂经过减压阀后依次进入燃烧室形成可燃混合气体，后关闭进气孔电磁阀，这时活塞在锁紧机构锁紧力的作用下不能下行。

（2）起跳

热火头通以1.5V电压后开始发热，当热火头的温度达到混合燃料气体的燃点时，混合气体被点燃，爆燃产生的高温、高压气体作用在气缸和活塞上。

气体压力推动汽缸克服锁紧机构的锁紧力、活塞复位弹簧的弹力和活塞与汽缸问的摩擦力，而产生向上的加速度和速度。

（3）空中复位

燃烧室内废气经排气孔排出，活塞在复位弹簧的作用下回到上止点。

（4）落地

该阶段要求弹跳机构要有缓冲机构和复位机构。

缓冲机构用来避免碰撞过程对弹跳机构的破坏;复位机构用于弹跳机构落地后恢复到初始弹跳状态，以便为下一次弹跳做准备。

2.机器人关键机构及运动过程说明

2.1轮式移动部分

轮式移动弹跳机器人的行走机构采用后轮驱动的四轮机构，后轮采用两个直流电机差速转动实现机器人转弯动作。

行走部分可以细分为主体结构、前车轮轴、后车轮轴和后轮驱动。

行走机构的主要作用是：

作为弹跳机器人的移动平台，实现轮式移动；作为搭载弹跳机构的平台，实现弹跳运动；作为搭载传感器的平台，可用于实现智能控制。

2.2跳跃机构

选用单动内燃机只要能成功点火就能够启动，没有复杂的曲轴连杆机构，活塞的复位靠弹簧储存的电能来复位；没有复杂的进、排气机构，可燃气体和氧化剂直接充入燃烧室，燃烧结束后直接排出；活塞直接输出直线运动对外进行功率输出。

以间歇式单动内燃机作为弹跳机构，其弹跳过程所示，主要分为充气、起跳、空中复位和落地四个阶段：

跳跃过程

2.3控制部分

该控制系统采用MSP430单片机作为处理器，主要由无线指令收发器、电磁阀驱动器、电机驱动器、电磁继电器、电源和讯响指示器等。

本控制系统的主要工作是完成间歇式单动内燃机的进气、排气、点火以及机器人行走等操作的无线遥控及状态反馈。

2.4进、排气原理

对于问歇式单动内燃机来说，进、排气系统的设计比较简单，主要包括:

储气罐、手阀、减压阀和电磁阀。

其原理图如图所示。

具体的进、排气过程如下:

（1）a进气打开丙烷储气罐的上的手阀1，a气体经过减压阀1减压，然后打开电磁阀1，a以恒定的气体压力充入燃烧室，最后关闭电磁阀1。

（2）X进气打开X储气罐的上的手阀2，X气体经过减压阀2减压，然后打开电磁阀2，X以恒定的气体压力充入燃烧室，最后关闭电磁阀2.

（3）排气打开电磁阀3即可排气。

3.创新点

（1）可通过沟渠，围墙等一般越障机器人难以通过的障碍。

（2）机器人的对称结构使机器人在跳跃落地后直接进入跳跃姿态，无需翻转，可持续跳跃和切换功能。

（3）有跳跃与轮轴驱动两个的功能，有很强的移动性，灵活性，地形适应性。

结论

随着机器人应用的日益广泛，弹跳式机器人，即弹跳机器人，作为固定式机器人和移动式机器人外的另一个机器人分支越来越受到重视；其中复合了其它运动方式的弹跳机器人由于其具有运动方式丰富和地面适应能力和生存能力强的优点而成为下一阶段弹跳机器人研究的重点。