1、木牛流馬引言在1700多年前，三國時(shí)時(shí)期，蜀漢丞相相、軍師諸葛亮(181 234)與曹魏作戰(zhàn)時(shí)，大量軍糧需要從四川日盆地向北邊的漢中各地運(yùn)送 ，但是要通過艱險(xiǎn)的 秦嶺，一般馬隊(duì)車輛根本不能通行，于是他設(shè)計(jì)了 “木牛流馬”運(yùn)輸軍糧來解決問 題。根據(jù)三國志，在建興年間有如下記載：“亮性長于巧思損益連弩、木牛流馬、皆出其意”?！熬拍甏憾拢翉?fù)出軍圍祁山，始以木牛運(yùn)。”“十年亮休士勸農(nóng)于黃沙，作流馬木牛畢，教兵講武?！薄熬拍炅翉?fù)出祁山，以木牛運(yùn)，糧盡軍退，與魏將張部戰(zhàn)，射殺部十二年春亮悉大眾由斜谷出、以流馬運(yùn)。據(jù)武功五丈原與司馬宣王對(duì)于渭南?！薄笆憾?，亮由斜谷出，始以流馬運(yùn)。”“晉李興曰推子八

2、陣，不在孫吳；木牛之奇，則非股模，神弩之功，一何微妙.千井齊贅，又何秘要?！钡?，諸葛亮并沒有留下任何關(guān)于“木牛流馬”的資料，那么“木牛流馬”是一 種什么樣的運(yùn)輸工具呢？千百年來人們提出各種各樣的看法，但并沒有達(dá)成統(tǒng) 一。目前有四種說法：1認(rèn)為木牛流馬是奇異的發(fā)明，即自動(dòng)機(jī)械。2認(rèn)為木牛流馬即獨(dú)輪推車。3認(rèn)為木牛是獨(dú)輪車，流馬是四輪車。4不明確指出木牛流馬是什么。不管以前“木牛流馬”究竟是什么，有什么精妙之處，當(dāng)?shù)谝淮温牭健澳九Ａ?馬”這個(gè)詞時(shí)，給人的直觀感覺總是類似于動(dòng)物牛和馬?！澳九Ａ黢R”既然是一種裝置，那么就依據(jù)現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)，根據(jù)牛和馬的共同特點(diǎn)仿制一套新“木牛流 馬”，讓它具有類似于牛

3、和馬的特點(diǎn)?？傮w方案新“木牛流馬”，作為現(xiàn)實(shí)中的牛和馬的仿生，必須具有它們相似功能特點(diǎn), 并且可以依據(jù)需要添加一些新的功能。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理和實(shí)時(shí)控制的功能，必須有一套完整的“神經(jīng)中樞”即 PLQ為了實(shí)現(xiàn)跨步移動(dòng)的功能，可以設(shè)計(jì)一種多桿機(jī)構(gòu)作為木牛流馬的四肢， 在這里為了更好地實(shí)現(xiàn)跨步能力和柔性，可選擇并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)；為了使五桿機(jī) 構(gòu)更好地運(yùn)行，每個(gè)單肢需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一個(gè)為常速電機(jī)，提供大部分功 率，另一個(gè)為伺服電機(jī)，對(duì)五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，完成跨步功能；可以設(shè)計(jì)一套 鏈輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，利用手動(dòng)控制進(jìn)行轉(zhuǎn)向；若要完整的完成轉(zhuǎn)向功能而又不產(chǎn)生 過大的沖擊力，需要在四肢根部個(gè)安裝一個(gè)側(cè)擺機(jī)構(gòu)，能夠使四肢

4、平滑的完成 轉(zhuǎn)動(dòng)，而側(cè)擺就由鏈輪機(jī)構(gòu)控制；對(duì)于簡單的路徑，也可以設(shè)置成自動(dòng)識(shí)別路 徑模式，通過舵機(jī)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向；當(dāng)然，為了是各項(xiàng)能夠有效地傳入控制器， 各種傳感器是不可或缺的，例如力傳感器測量接觸力，光電管傳感器獲得路徑 情況，扭矩傳感器測量驅(qū)動(dòng)扭矩，光電編碼器測量運(yùn)行速度等等。針對(duì)以上分析對(duì)所設(shè)計(jì)的“木牛流馬”結(jié)構(gòu)提出了以下要求：1、選擇合適的處理器，對(duì)外界變化能夠快速有效地做出反應(yīng)，實(shí)時(shí)控制各 個(gè)部分的功能。2、選擇合適的步行機(jī)構(gòu)，使步行機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠 具有更大的跨越障礙的能力。3、可以平穩(wěn)的完成轉(zhuǎn)向功能，不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生過大的沖擊力。4、選擇合適的傳感器，能夠獲得周圍

5、情況的同時(shí)，盡量能夠與控制系統(tǒng)密 封安裝在機(jī)體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)與外界介質(zhì)的隔離。5、采取一定的機(jī)體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)步行驅(qū)動(dòng)和傳感器監(jiān)測等功能，還能實(shí) 現(xiàn)與外界介質(zhì)的隔離，增加環(huán)境適應(yīng)性。結(jié)合以上要求，提出了以下“木牛流馬”的整體設(shè)計(jì)方案：1、選擇工控機(jī)和PLC結(jié)合作為硬件控制平臺(tái)，具有可靠、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期 短的特點(diǎn)。2、將平面并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)用作步行機(jī)構(gòu)。3、通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)作為常速和伺服電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的輸入源。4、通過與傳動(dòng)軸同軸安裝動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測步行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的 驅(qū)動(dòng)扭矩。5、將鏈輪機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在特定情況下，也可以利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn) 向。6、在特定路徑下，利用光電傳感器等完成自動(dòng)識(shí)別路徑

6、功能。7、將整體控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，舵機(jī)，扭矩傳感器以及控制電路，密 封裝配在機(jī)體中，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與外界介質(zhì)的隔離，通過軸傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)步行。 主要機(jī)構(gòu)方案1弁聯(lián)驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)是一般采用常轉(zhuǎn)速電機(jī)和伺服電機(jī)作為它們的驅(qū)動(dòng)源。其中常轉(zhuǎn) 速電機(jī)提供機(jī)械系統(tǒng)所需要的絕大部分功率，以工控機(jī)和PLC控制的伺服電機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)其輸出運(yùn)動(dòng)3536。二種形式的電機(jī)輸入運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過一個(gè)多自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成所產(chǎn)生需要的輸出運(yùn)動(dòng)。其中，系 統(tǒng)的柔性取決于混合機(jī)構(gòu)的形式和尺度。并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)器既具有常轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)又具有伺服電 機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)為該系統(tǒng)具有承載能力高、快

7、速、效率高等特點(diǎn)的同時(shí)，又具 有可控、可調(diào)的運(yùn)動(dòng)輸入，使機(jī)械機(jī)構(gòu)的輸出具有更大的柔性。止匕外，又由于 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)只是部分采用了伺服電機(jī)輸入，相對(duì)全伺服輸入的系統(tǒng)而言，其成本 相對(duì)較低。伺服電機(jī)輸入不同的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，即可調(diào)節(jié)輸出運(yùn)動(dòng)形式，并且具有 很大的柔性。本次采用的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一臺(tái)定轉(zhuǎn)速電機(jī)和一臺(tái)伺服電機(jī)的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)。這就要求用一個(gè)二自由度機(jī)構(gòu)將二臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)合成。此次采用最簡單的 二自由度平面五桿機(jī)構(gòu)。對(duì)五桿機(jī)構(gòu)加上一個(gè)定速電機(jī)和一個(gè)伺服電機(jī)就構(gòu)成圖1 平面并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)步行機(jī)構(gòu)步行機(jī)構(gòu)首先要保證其可動(dòng)性，對(duì)于平面五桿機(jī)構(gòu)的步行機(jī)構(gòu)而言，連桿機(jī)構(gòu)只要有雙曲柄存在，就可以保證其可動(dòng)性。針對(duì)步

8、行機(jī)構(gòu)要滿足的條件，選定合適的桿長，滿足才f長條件，建立如圖 2所示的步行機(jī)構(gòu)模型。圖2步行機(jī)構(gòu)模型步行機(jī)構(gòu)的足端軌跡決定著“木牛流馬”采取那一種步行方式。根據(jù)現(xiàn)實(shí)中 動(dòng)物在不同路況下的行走情況，可簡化的分為大步長、小步高和小步長、大步 高兩種形式，因此也可以簡單地將步行機(jī)構(gòu)的步行方式分為這兩種方式。首先是常規(guī)的大步長、小步高的步行跨步。地面狀況良好的環(huán)境下，通常 采用大步長的步行方式，步長反映的是步行機(jī)構(gòu)跨步水平尺寸，可以在一定程 度上提高步行速度。根據(jù)平面并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)輸出軌跡的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)大步長 的步行跨步，可以設(shè)定足端得軌跡為水平橢圓軌跡，如圖 3所示。圖3大步長軌跡圖其次是常規(guī)的短步

9、長、大步高的步行跨步。這種步行方式通常適用于地面 高低不平的環(huán)境。步高所反映的就是步行機(jī)構(gòu)跨步高度尺寸，根據(jù)平面并聯(lián)五 桿機(jī)構(gòu)輸出軌跡的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)短步長、大步高的步行跨步，可以設(shè)定足端 的軌跡為垂直橢圓軌跡，如圖4所示。圖4大步高軌跡圖為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與步行機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合在一起，這里采用傳動(dòng)軸相連接。傳動(dòng)軸首與步行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)相連，可采用鍵槽周向固定和軸肩、螺紋旋緊 軸向固定；另外至少具有一個(gè)軸承座，通過軸承座與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器軸向連 接。如圖5三維模型圖。圖5傳動(dòng)軸模型圖將控制元件，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、聯(lián)軸器以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等的三維模型進(jìn)行裝配，對(duì)于單足裝配，具裝配模型如圖 6所示以及裝配示意圖7

10、。圖6單足裝配模型圖步行機(jī)構(gòu)圖7單足裝配示意圖2鏈輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)情況下，總有各種彎道，能夠方便簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)部分。運(yùn)用機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)，利用齒輪齒鏈嚙合的原理設(shè) 計(jì)出簡單的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其簡單示意圖如圖 8所示。齒輪1圖8鏈輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖如上圖所示，齒輪3與手柄相連接，利用手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鏈條，經(jīng)過齒輪2帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1通過與其同軸的齒輪和側(cè)擺的連接，把齒輪 1的轉(zhuǎn) 動(dòng)轉(zhuǎn)換為側(cè)擺的擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)“木牛流馬”的轉(zhuǎn)向功能。齒輪2可以設(shè)計(jì)成可動(dòng) 齒輪，用來調(diào)節(jié)齒鏈的松緊程度，還可以起到緩沖的作用。另外，為了容易完 成手柄操作，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)具有一定的自鎖功能。3自動(dòng)識(shí)

11、別路徑并完成轉(zhuǎn)向功能現(xiàn)代智能設(shè)計(jì)中越來越多地將自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式集合在一起，以便在路 徑復(fù)雜的情況下采用手動(dòng)操作，而在特定軌跡并且路況比較好的情況下采用自 動(dòng)功能，例如在車間里根據(jù)過道中特制的導(dǎo)引而能夠自動(dòng)運(yùn)輸貨物等。道路識(shí) 別由安裝在機(jī)體前部的紅外光電傳感器陣列采集，經(jīng)過選頻與濾波電路，工控機(jī) 和PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，通過光電編碼器采集到的速度信息，再根據(jù)一定的控 制算法，由輸出驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出兩路PW械，分別對(duì)舵機(jī)、電機(jī)進(jìn)行控制，完成轉(zhuǎn) 向、前進(jìn)、制動(dòng)的功能。將光電傳感器或紅外發(fā)射接收管按一字型排列在機(jī)體前部，最好選擇奇數(shù) 個(gè)傳感器，以中間那個(gè)傳感器獲得的信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行路徑識(shí)別。若在路徑的中

12、 間設(shè)置一道黑色的線條即在特定路徑中，通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光照到路徑 上，則路徑表面與中心線對(duì)紅外線具有不同的反射強(qiáng)度，可利用紅外接收管檢 測這中變化。經(jīng)過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置可以檢測到機(jī)體相對(duì)于 前方道路的位置。在布置傳感器的時(shí)候應(yīng)注意不能產(chǎn)生盲區(qū)，也不能有過大重 合區(qū)，這樣可以避免傳感器檢測不到路徑，出現(xiàn)錯(cuò)亂，也可以避免因?yàn)閮蓚€(gè)傳 感器同時(shí)檢測到變化而失去基準(zhǔn)，引起控制器發(fā)出錯(cuò)誤指令。紅外接收管接收到路徑反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，就可以可以反映 出路徑中心線的位置。這個(gè)電壓信號(hào)可以通過外部的電壓比較器變成高、低電 平由工控機(jī)和PLC的I/O端口讀取，也可以通過 A/D端

13、口直接讀取。從I/O端 口讀取的參考電路如圖9所示，從A/D端口直接讀取的參考電路如圖10所示。圖9 I/O端口讀取電路杷J1 Ru5脈沖信號(hào)Lr一9圖10 A/D端口讀取電路傳感部件通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變 化而引起某種易被測量的信號(hào)的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的 被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分，具體的電量形式取決于敏感元件 的原理。當(dāng)然，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號(hào)一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、 處理及顯示，通常有信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信 號(hào)進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、

14、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖11所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā) 展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片 上，安裝在傳感器的殼體里購元件轉(zhuǎn)換元件電信號(hào)I埔助電第圖ii傳感器組成方框圖1光電傳感器光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電式傳感 器工作時(shí)，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心(敏感 元件)是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸 測量。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為

15、光學(xué)量的其他被測 量，然后輸出一定形式的電信號(hào)。在測量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件 使用；而測量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及 電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測量信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分 完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖12(a)所示為測量光量時(shí)的組成框圖，圖 12(b)所示為測量其他物理量時(shí)的組成框圖。力學(xué)元件光電元件量路闋電巾)的量非光信號(hào)圖12光電式傳感器的基本組成在自動(dòng)識(shí)別路徑功能上，紅外光照射到路徑上，發(fā)生反射，應(yīng)為中間有道 黑線，吸收光強(qiáng)度較大，與兩側(cè)的光強(qiáng)均不一樣，需要有紅外接收管接并識(shí)別 光的變化。而紅外接管的主要部件就是光電管，光電管有真

16、空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封 在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，具上涂有光電發(fā)射材料。陽極 通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中 央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流，從而產(chǎn)生電信 號(hào)，傳送給控制器。2力傳感器在步行機(jī)器人的足端安裝了力傳感器，利用它檢測足端與物體或地面的接觸力大小，從而來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面39?？梢?通過設(shè)置碰撞力信號(hào)的閾值來判斷步行足是可以克服阻力繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，還是改變其運(yùn)動(dòng)方式避開障礙，力傳感器的控制原理框圖如圖13所示。力傳取晶與t也面球

17、物體發(fā)生接觸碰撞一傳疑器今出發(fā)應(yīng)及-1fc包內(nèi)大小的信5例4寸大小周信（臨界值）技原杼仃擰井功案步行| 相我笨于同值或偏專較小小于闞值圖13力傳感器步行控制原理圖目前常見的力傳感器有十字交叉梁結(jié)構(gòu)的力傳感器與四垂直筋式力矩傳感3扭矩傳感器如圖7所示，可以將動(dòng)態(tài)扭矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軸承座之間，并通過剛性聯(lián)軸器分別與傳動(dòng)軸和電機(jī)輸出軸向連接。此時(shí)應(yīng)特別注意同軸度問題，因?yàn)橥S度不僅決定著傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率和密封性能，而且還影響傳感器 的數(shù)據(jù)采集。扭矩傳感器與所測量的原件同軸安裝，應(yīng)用應(yīng)變片電測量技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，通過向應(yīng)變橋提供電源，就可測得該彈性軸受扭的電信號(hào) 42 43。應(yīng)變信號(hào)放大后，通過一定的電路進(jìn)行壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比 的頻率信號(hào)。可以將動(dòng)態(tài)扭矩傳感器應(yīng)用控制系統(tǒng)中，監(jiān)測步行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 扭矩的突變，從而獲取足端周圍情況。當(dāng)足端不與任何物體接觸時(shí)即處于懸空狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)處的扭矩基本穩(wěn)定在 某一恒定值，沒有明顯變化；當(dāng)足端與物體產(chǎn)生接觸時(shí)，物體對(duì)足端的反作用 力就會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)處產(chǎn)生