10[机器人课堂RCX编程]第十章气动力.pdf

本章所包含的内容：n 重温一些基本的科学常识 n 气泵和气缸 n 控制气流 n 搭建空气压缩机 n 搭建一个气动力引擎 1 0.1 介绍:在第九章里，我们已经提到气动部件是机器人非常不错的附加部件，现在，我们将深入探索这个话题。气动力学是研究气流的规律和如何利用这些特征来传递能量或变为作用力和运动。大部分的气动应用使用了容易得到的混合气体空气乐高世界里的也不例外。气动部件是机器人里很重要的部件，特别是对于线性运动或弹性的运动，作为保存能量以供随后应用的一种方法也应用甚广。我们首先简要介绍气动力的一些基本的概念，然后将这些理论应用在实践中，解释乐高气动力部件的工作原理和如何使用它们。开始部分，先向你展示如何停止和开动气流来在你的机器人中产生运动。在这一章的最后部分，你将看到很多气动力部件，包括：气阀、气泵、气缸、压缩机和气动力引擎。1 0.2 回顾基本科学知识 为了理解气动力学，你必须回忆一下气体的特性。一个很重要的特性就是气体没有固定的形状和体积，因为气体会充满容器的整个空间。这就意味着，在罐子里的气体量不仅仅与罐子的容积有关。在给定的容积里，更高的气体量意味着更高的压力。注意：描述气体特性的学科成为热力学。理想气体定理包含了四个因素：容积、压力、温度、气体量（使用摩尔来表示）。为了简化我们的分析，我们将忽略温度因素，也就是认为温度始终是恒定的。日常生活中，我们可以看到很多使用气动力的用品，自行车上面的车胎就是一个很常见的例子：内胎的容积是一定的，但是你可以通过打气来增加里面的压力，打入的气体越多，里面的压力就越大，对外的反作用力也越大换一句话，轮胎变成很硬。这个例子引入了压缩气体的第二个重要特征：气体推动容器的壁，表现出弹性。弹性是让物体形变后恢复到原来形状的一种特性。弹性越大，恢复到原来形状的力就越大。在车胎这个例子中，如果你是用手指压轮胎，轮胎就会压下去一个微凹，当你移开你的手指，轮胎就马上恢复到原来的形状。轮胎里的压力越大，阻止形变的力就越大。气体非常容易被压缩，这使到气动力学跟液动力学（研究液体流的学科）很不一样。基本上，液体是不可以压缩的。当你将气体压缩在一个罐子里，增加压力，你就可以储存能量。压力也可以理解成能量的密度，也就是单位容积储存的能量。这个特性令气动力使用在一些非常有趣的场合：你可以使用罐子来保存能量，然后在需要的时候释放出来。使用气泵来提高罐子里的压力，保存能量，然Page 1 of 12机器人课堂2009-4-15后通过释放气体来使用这些能量，转换成运动。空气或气体的流动是由于不同的压力产生的：气流从容器中压力高的地方流向压力低的地方，直到压力相等。（在这里，我们使用了容器一词含广泛的意义，可以指一个罐子、一根管道、气泵或气缸中的内腔。）气泵和气缸 在八十年代中期，乐高首先在T E C H N I C 系列中引入气动力装备，几年后，改进了这些部件，使其更完善、更高效。乐高气动力系统中最基本的部件是气泵和气缸（请看图1 0.1）。气泵的功能是将机械功转换为气体的压力。有两种类型，一种是大气泵，为手动设计；另一种是小气泵，适合使用马达来驱动。气缸则相反，是将气体的压力变成机械功，有两种尺寸供选择。图1 0.1 气泵和气缸 图1 0.2 是展示大气泵的工作的剖面图。当你将活塞压下，气泵里面的体积将减少，压力升高，并强迫空气从出口跑出，直到内部的压力与外部一样。当你松开活塞，弹簧使活塞重新上升，一个阀门将出口关闭，令被压缩过的空气无法回到气泵中，另一个阀门打开，使外面的新空气充满气缸体。小气泵的工作原理也一样，不同的是，小气泵没有弹簧，当活塞被压下去后，需要一个力将它推上去，这种结构是为马达驱动作设计的。Page 2 of 12机器人课堂2009-4-15 图1 0.2 活动气泵的剖面图 气缸与气泵有些不一样。它的上部是密封的，而且不会使气体从缸体漏出。活塞将气缸分为上下两个腔体，每一个腔体都有一个出口。气动力气缸的特性就是活塞根据两个腔体的压力差而移动，压力高的气体将扩张，压力降低，最后两边的压力相等，或者活塞到达气缸的位置极限。当你使用气管将气泵与低端口相连，并开始打气，也就是将压缩气体输入到低的腔体，这是气缸的活塞就会向上。在做这个实验时，底部的腔体容积增大，底部的压力一直减少到与上部一样。在这个操作中，上腔体的端口一直打开，所以空气可以自由溢出，达到与外界空气压力一样。同样地，如果你将气泵与气缸的上端口相连，输入压缩空气，活塞将往下移动。Page 3 of 12机器人课堂2009-4-15 图1 0.3 活动汽缸的剖面图 当然，你不会愿意通过转移气管来操作气缸，虽可以正常工作，但是非常不方便。乐高气阀可以帮助你：气流从气泵过来，可以向两个气缸中的任一个输出，同时，压力让另一个气缸的气体溢出到大气中（请看图1 0.4）。图1 0.4 基本的气动连接 Page 4 of 12机器人课堂2009-4-15乐高另外两个气动力部件是T 型连接和储气罐（请看图1 0.5）。T 型连接可以让你的气管分支，常见的例子是，将一个气源产生的气体分成两个分支。储气罐用来储存少量的压缩气体，以备后用。我们曾经解释过，增加压力，相当于储存能量，这样，储气罐可以认为是蓄电池：使用压缩气体来充电，通过阀门来放电，并将储存的能量转换为机械功。图1 0.5 T 型连接器和储气罐 气动力气缸能输出一个高能量的线性运动，可以应用在多种场合：带关节的手臂和脚、手、钳子、起重机和其他。在介绍气动力的基本概念时，我们已经说明压缩气体会抵抗外来的压力，你可以使用乐高气缸来测试这种特性：将气缸下端与气泵相连，开始打气，一直到活塞运动到顶部，现在压下气缸柄，你可以压下去，但是，一旦你停止施加压力，气缸柄马上会到原来的位置，这种特性能在很多场合中很好利用。假设你现在想搭建一个机器人手臂。如果你尝试使用电动马达来让手臂张开和关闭，你必须知道什么时候应该停下来，为了实现这一点，你可以使用一些传感器作为反馈控制系统，这样就可以告诉R C X 物体被抓住以及让马达停止。但是，如果使用气动力气缸，在很多场合里都不需要反馈。气压会将在反作用力足够大时关闭手臂，这种方法对抓取多种物体都适用。（假如你的机器人是用来抓取鸡蛋，需要尽量使力量温和一点）。图1 0.6 展示了一个简单的气动力手臂抓取不同类型的物体，你可以看到我们使用了一个类似于剪刀的设计来让手臂能抓取尺寸范围很大的各种物体。图1 0.6 一个简单的气动手 上面的例子给你一些在那里可以利用气动力的想法，同样地，你已经想到在很多很有趣的应用。不幸的是，乐高气动力系统并没有为电动控制来设计，所以，为了有效地在你的机器人项目中应用气动力，你需要一个接口，让你能用R C X 来打开或关闭气阀。另外，除非你打算发疯地在机器人后面打气，否则，你还需要一个自动的压气机。1 0.3 控制气流 大部分的乐高机器人爱好者都希望乐高能开发出电动阀门来控制气动力气缸，但是，一直到现在，乐高还不提供这个部件，所以你只能使用机械的方法来解决。Page 5 of 12机器人课堂2009-4-15你现在需要的是一个类似于在第二章中探讨电极切换里展示的一个往返控制机构。图1 0.7 中展示了很多方案中的一个，马达通过一个冠齿轮带动一个离合齿轮（C l u t c h g e a r），在离合齿轮相连的轴上安装一个曲柄来操控气阀。我们使用离合齿轮来使控制马达转动时间不需要很精确，可以让马达多转动一会，而马达不会受到损坏。你也可以使用标准的2 4 齿齿轮，如果你发现气阀很紧，那么你就必须使用这种齿轮，因为离合齿轮容易打滑。图1 0.7 电动阀门 我们这个电子阀门有一个缺点，它虽然可以让阀门到两边，但是不能让阀门停留在中间位置。这不是一个很严重的问题，因为在很多的应用场合里，你会让气缸与气体供应器相连。不过，如果你一定需要中间位置，你可以使用一个触感来控制，另外，使用更慢的齿轮传动，如图1 0.8 所示。图1 0.8 带有触动传感器的电动阀 这个电动阀门不是很紧凑，但是，如果考虑马达的尺寸，这个阀门没有什么可以改进的地方了。而且，它工作的很好，你可以对它感到很满意。但是，还有其它可以改进的地方吗？尝试使用前面章节上学到的一些技巧，例如，你知道可以使用单个马达来控制多个阀门。你已经想到到了，使用一个差速器，你可以将同一马达的两种转动方向分到两个不同的轴上面，现在，你只需要将每一根轴与阀门相连，这样只要一个转动方向就可以使阀门到达不同的位置，这是通过使用一个乐高连杆部件（l i f t a r m）来作为连杆来实现。类似老式蒸汽机的平动结构（请看图1 0.9）。图1 0.9 循环阀 图1 0.1 0 展示了一个完整的双电子阀门原型，这个原型包含了两个类似于图1 0.9 的装置和一个马达、一个差速器和一些附加的齿轮。我们必须使用一个蜗轮传动机构，因为这个机构需要 Page 6 of 12机器人课堂2009-4-15很大的扭矩。差速器将能量分到两个4 0 尺齿轮中，每一个都使用了一个荆齿（使用乐高梁来替代）来让它只朝一个方向转动。这样，当马达顺时针转动，一个阀门将转动，当马达逆时针转动，另一个阀门转动，每一个阀门都可以到达任意位置。1 0.1 0 双电子阀门 还有最后一个问题需要解决：怎么知道阀门处于什么状态？当阀门到达目的位置时候，如何让马达停在精确的位置。在这里不能选取计时的方法，正如我们前面所说的，仅仅通过计时来看控制机构是非常困难的。当然，你可以使用传感器，但是，你应该将它们安装在哪里呢？如果每个气阀安装两个触感，那么将需要4 个触感，对你的R C X 来说太多了，当然你可以寻找节省端口的方法。如果你只使用两个触感，可以将触感安装在气阀的一端，然后使用计时的方法来控制气阀的另一端，这样做，你就可以避免计时的误差，这是因为传感器给了你一个绝对的位置。能否将两个触感安装在同一个端口呢？不能！因为你不知道究竟哪一个触感关闭。如果将触感安装在气阀处于中间时可以关闭的位置，将有什么效果？你不一定需要控制气阀到这个位置，但是这个位置作为参考点对定位有很大的作用。为了改变气阀的位置，你的程序只要控制触感触动后（此时气阀处于中间位置）再转动一会，就可以到达另一端，在前面这个例子中，基本上根据时间来控制，几乎没有累积的误差。这个装置的优点在于两个触感可以连接到同一端口，因为他们经过一个指定点时只能关闭。这样，我们最终解决了如何利用一个输入和输出端口而不是两个输出端口，它也不是最好的，其实你可以做的更好。你能够不用传感器就能计算出马达的旋转次数。你还记得第9 章的步进马达吗？使用那种装置，就可以少用传感器，完全可以用一个马达来控制两个气阀！图1 0.1 1 所示就是这样一种比较复杂的结构。其实，我们在任何一种模型中都不会用到这种装置，更多的还是一种学术性的研究，目的是为了让你更好的理解解决一个问题有很多种方法。1 0.4 搭建空气压缩机 现在你已知道了用R C X 控制汽缸的方法，下一步就是给汽缸提供压缩气体，在某些应用中，产生一个运动只需少量的气体，启动机器人之前只要手动抽取气体到汽缸中就可以了，用机器人吹灭蜡烛就使用这种方法，先在房间找到蜡烛，然后释放气体来吹灭蜡烛。你可以使用更多的空气罐来扩展这个方法（在第二十七章使用7 个储气罐来控制机器人，但在大多数实际应用中需要大量的气体：一个无限制的压缩空气源。通过搭建一个电动空气压缩机，我们就可以实现这个目标，如图1 0.1 2 显示一个简单的空气压缩机，这个小气泵与装在马达轴上的滑轮相连接，还有许多可行的机构，但如何充分利用气泵的整个行程是很重要的，因为这将提高机构的效率。如果空气压缩机使用了气泵的一半行程，气泵只能释放最大气体数量的一半。在我们的例子中，我们使用了1 x 2 的梁来调整距离，但也有其它可行的方法。我们要感谢C.S.S o h，他仔细的测试了许多的空气压缩机，有些使用了两个甚至四个气泵，还有些使用了不带弹簧的大手柄的气泵，用一个压力传感器连接到R C X，他测试了所有普通的设计并将他发布在了网站上，在他的网站上包含了大量关于乐高气体力学的信息。Page 7 of 12机器人课堂2009-4-15 1 0.1 2 简单的空气压缩机 根据 S o h s 测试,在R a l p h H e m p e l 设计的空气压缩机基础上进行简单的改造是最有效的设计（如图1 0.1 3）.他使用两个小气泵，属于双运动压缩机类别，也就是说一个气泵抽气时另一个气泵放气，这样就提供了持续不断的气流。1 0.1 3 双动压缩机 在图1 0.1 4 中的另一个双动压缩机比上一个更有效。.Page 8 of 12机器人课堂2009-4-15 图1 0.1 4 另一种双动压缩机 压缩机最好的地方就是他们不需要用导线连接到R C X 的输出端口上。使用一个电池箱就足够了，但你要知道什么时候，如何应该停止压缩机，最简单的选择就是不要停止它，相反的，你可以在传动装置上放一个易打滑装置，比如滑轮或者是离合齿轮，当压力达到某一值时，传动装置就打滑。更好的解决方法如图1 0.1 5 所示。在极性转换开关旁边搭建一个智能压力操纵开关，一个小汽缸，两根橡胶带，一些梁和板。汽缸底的入口与气泵系统的空气供应回路相连接，当压力上升，汽缸就克服橡胶带的阻力。汽缸的可移动部分与两块半梁相连来控制极性开关，在开关的一侧用导线连接电池箱，极性开关有三中位置：前，中间（停止），后。在这个例子中，你只用了他前面两个位置。当汽缸压缩时，极性开关将电池箱连到了压缩机上。在汽缸达到它最大的位置之前，极性开关关闭，然后就关闭马达。通过调整橡皮筋的数量和拉紧力，你就能把压力开关调到所希望的最大值，让你的压缩机在自动系统中更完美。1 0.1 5 压力开关 1 0.5 搭建一个气动力引擎 前面我们提到过你能用其它汽缸控制汽缸，可以做一个汽缸阀来控制另一个汽缸。对本身来说并没有用，但你能做一个汽缸来移动阀。一个有趣地例子就是，你将两个汽缸组成一回路，用其中一个控制另外一个，产生一个连续不断，自动地改变状态的不稳定系统（如图1 0.1 6），在压缩空气的供应下，你可以利用这个特性来让你的机器人做运动。如图1 0.1 7 显示了汽压回路图，汽缸1 控制阀门1，阀门1 控制汽缸2，汽缸2 控制阀门2，阀门2 控制汽缸1。B e r t v a n D a m 制作的空气昆虫正是使用该原理，在这里我们对它作了稍加修改，如图（1 0.1 8）Page 9 of 12机器人课堂2009-4-15 1 0.1 6 一个不稳固的气动系统 1 0.1 7 系统回路图 Page 10 of 12机器人课堂2009-4-15 1 0.1 8 气动昆虫 这个复杂回路系统掩饰了图1 0.1 6 中一些基本的回路，其中一个控制汽缸向前或向后移动三条腿，而其它的控制汽缸向上或向下移动腿。整个系统由6 个汽缸组成，分成3 组，两个一组由同一个阀门控制，每一组有一条腿在一边的中心位置，前腿和后腿在另外一边。(看图1 0.1 9).图1 0.1 9 气动昆虫腿的连接图 这个模型尽管相当复杂而且纯理论太多，V a n D a m 的昆虫在运动中看起来很吃力，使用同样的原理，去搭建一个气动力引擎是有可能的，就像蒸汽机一样汽缸的推力被转换成旋转运动，图1 0.2 0 显示了C.S.S o h 的气动力引擎的工作原理，这个装置的关键点在与：每一个汽缸在循环中都有一个死点，要么就伸长要么就压缩。在死点上，汽缸不能执行任何动作，他的推拉力都不能转换为旋转运动。造成这种情况是因为汽缸（在底盘和轮子上）和轮子的支点在同一线上。所以单个汽缸的气动力引擎不能正常工作，另外增加一个汽缸就解决了这个问题：你必须将另一个汽缸与第一个汽缸以9 0 度角固定，这样当一个汽缸产生死点时，另外一个处于中点。阀门的状态是非常重要的。你必须精确调整它们的位置，否则你的引擎就不会工作。将轮子固定到轴上使得凸轮上的孔与之成一直线，将连接半梁用灰色的销固定到孔上，并按照图1 0.1 2 所示把导管正确的连接起来。Page 11 of 12机器人课堂2009-4-15 图1 0.2 0 气动引擎 小结 除了这些眼花缭乱的管子和阀门上发出的嘶嘶的气体声，其实气泵是有很大的实际作用的，在这一章，你回顾了气体属性的一些基本概念，学会在搭建机器人时如何去使用它们。汽缸在某些应用中比马达更有用，更有意义的是，它可以产生直线运动和抓取物体。电动空气压缩机可以产生持续不断的气流来供应汽缸，不幸的是，气泵与R C X 的端口连接不是很简单，需要马达和齿轮组成的大的装置，也许在将来，乐高公司会生产出小巧智能型的接口来控制阀门。气泵可以利用循环系统来执行简单的运动，我们上面六条腿走路的机器人就使用了气动引擎。Page 12 of 12机器人课堂2009-4-15