最新木牛流马.docx

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最新木牛流马

木牛流马

引言

在1700多年前,三国时时期，蜀汉丞相相、军师诸葛亮（181一234）与曹魏作战时,大量军粮需要从四川日盆地向北边的汉中各地运送,但是要通过艰险的秦岭,一般马队车辆根本不能通行,于是他设计了“木牛流马”运输军粮来解决问题。

根据《三国志》，在建兴年间有如下记载：

“亮性长于巧思,损益连弩、木牛流马、皆出其意”。

“九年春二月,亮复出军围祁山,始以木牛运。

”

“十年,亮休士劝农于黄沙,作流马木牛毕,教兵讲武。

”

“九年,亮复出祁山,以木牛运,粮尽军退,与魏将张部战,射杀部·十二年春,

亮悉大众由斜谷出、以流马运。

据武功五丈原与司马宣王对于渭南。

”

“十二春二月,亮由斜谷出,始以流马运。

”

“晋李兴曰.「推子八阵,不在孙吴;木牛之奇,则非般模,神弩之功,一何微妙.千井齐赘,又何秘要。

」”

但是，诸葛亮并没有留下任何关于“木牛流马”的资料，那么“木牛流马”是一种什么样的运输工具呢?

千百年来人们提出各种各样的看法,但并没有达成统一。

目前有四种说法：

1认为木牛流马是奇异的发明,即自动机械。

2认为木牛流马即独轮推车。

3认为木牛是独轮车,流马是四轮车。

4不明确指出木牛流马是什么。

不管以前“木牛流马”究竟是什么，有什么精妙之处，当第一次听到“木牛流马”这个词时，给人的直观感觉总是类似于动物牛和马。

“木牛流马”既然是一种装置，那么就依据现代科学知识，根据牛和马的共同特点仿制一套新“木牛流马”，让它具有类似于牛和马的特点。

总体方案

新“木牛流马”，作为现实中的牛和马的仿生，必须具有它们相似功能特点，并且可以依据需要添加一些新的功能。

为了实现自动处理和实时控制的功能，必须有一套完整的“神经中枢”即PLC；为了实现跨步移动的功能，可以设计一种多杆机构作为木牛流马的四肢，在这里为了更好地实现跨步能力和柔性，可选择并联五杆机构；为了使五杆机构更好地运行，每个单肢需要两个驱动电机，一个为常速电机，提供大部分功率，另一个为伺服电机，对五杆机构进行调控，完成跨步功能；可以设计一套链轮转向机构，利用手动控制进行转向；若要完整的完成转向功能而又不产生过大的冲击力，需要在四肢根部个安装一个侧摆机构，能够使四肢平滑的完成转动，而侧摆就由链轮机构控制；对于简单的路径，也可以设置成自动识别路径模式，通过舵机进行自动转向；当然，为了是各项能够有效地传入控制器，各种传感器是不可或缺的，例如力传感器测量接触力，光电管传感器获得路径情况，扭矩传感器测量驱动扭矩，光电编码器测量运行速度等等。

针对以上分析对所设计的“木牛流马”结构提出了以下要求：

1、选择合适的处理器，对外界变化能够快速有效地做出反应，实时控制各个部分的功能。

2、选择合适的步行机构，使步行机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具

有更大的跨越障碍的能力。

3、可以平稳的完成转向功能，不会对机体产生过大的冲击力。

4、选择合适的传感器，能够获得周围情况的同时，尽量能够与控制系统密封安装在机体内部，实现与外界介质的隔离。

5、采取一定的机体结构，能够实现步行驱动和传感器监测等功能，还能实现与外界介质的隔离，增加环境适应性。

结合以上要求，提出了以下“木牛流马”的整体设计方案：

1、选择工控机和PLC结合作为硬件控制平台，具有可靠、经济、开发周期短的特点。

2、将平面并联五杆机构用作步行机构。

3、通过传动轴驱动作为常速和伺服电机混合驱动的输入源。

4、通过与传动轴同轴安装动态扭矩传感器，实时监测步行机构驱动关节的驱

动扭矩。

5、将链轮机构作为转向机构，在特定情况下，也可以利用舵机实现自动转向。

6、在特定路径下，利用光电传感器等完成自动识别路径功能。

7、将整体控制系统，包括驱动电机，舵机，扭矩传感器以及控制电路，密封装配在机体中，实现控制系统与外界介质的隔离，通过轴传动来驱动步行。

主要机构方案

1并联驱动五杆机构

1.1并联驱动

并联驱动是一般采用常转速电机和伺服电机作为它们的驱动源。

其中常转速电机提供机械系统所需要的绝大部分功率，以工控机和PLC控制的伺服电机调节机械系统的运动，以调节其输出运动[35][36]。

二种形式的电机输入运动经过一个多自由度机械机构而进行运动合成所产生需要的输出运动。

其中，系统的柔性取决于混合机构的形式和尺度。

并联驱动机器既具有常转速电机驱动的传统机械机构的优点又具有伺服电机的优点，表现为该系统具有承载能力高、快速、效率高等特点的同时，又具有可控、可调的运动输入，使机械机构的输出具有更大的柔性。

此外，又由于并联驱动只是部分采用了伺服电机输入，相对全伺服输入的系统而言，其成本相对较低。

伺服电机输入不同的运动调节，即可调节输出运动形式，并且具有很大的柔性。

本次采用的并联驱动系统是一台定转速电机和一台伺服电机的并联驱动机构。

这就要求用一个二自由度机构将二台电机的运动合成。

此次采用最简单的二自由度平面五杆机构。

对五杆机构加上一个定速电机和一个伺服电机就构成了一个并联驱动机构。

并联五杆机构的一般机构模型如图1所示。

图1平面并联五杆机构

1.2步行机构

步行机构首先要保证其可动性，对于平面五杆机构的步行机构而言，连杆机构只要有双曲柄存在，就可以保证其可动性。

针对步行机构要满足的条件，选定合适的杆长，满足杆长条件，建立如图2所示的步行机构模型。

图2步行机构模型

步行机构的足端轨迹决定着“木牛流马”采取那一种步行方式。

根据现实中动物在不同路况下的行走情况，可简化的分为大步长、小步高和小步长、大步高两种形式，因此也可以简单地将步行机构的步行方式分为这两种方式。

首先是常规的大步长、小步高的步行跨步。

地面状况良好的环境下，通常采用大步长的步行方式，步长反映的是步行机构跨步水平尺寸，可以在一定程度上提高步行速度。

根据平面并联五杆机构输出轨迹的特点，为了实现大步长的步行跨步，可以设定足端得轨迹为水平椭圆轨迹，如图3所示。

图3大步长轨迹图

其次是常规的短步长、大步高的步行跨步。

这种步行方式通常适用于地面高低不平的环境。

步高所反映的就是步行机构跨步高度尺寸，根据平面并联五杆机构输出轨迹的特点，为了实现短步长、大步高的步行跨步，可以设定足端的轨迹为垂直椭圆轨迹，如图4所示。

图4大步高轨迹图

为实现驱动电机与步行机构有机的结合在一起，这里采用传动轴相连接。

传动轴首与步行机构的驱动关节相连，可采用键槽周向固定和轴肩、螺纹旋紧轴向固定；另外至少具有一个轴承座，通过轴承座与动态扭矩传感器轴向连接。

如图5三维模型图。

图5传动轴模型图

将控制元件，动态扭矩传感器、联轴器以及驱动电机等的三维模型进行装配，对于单足装配，其装配模型如图6所示以及装配示意图7。

图6单足装配模型图

图7单足装配示意图

2链轮转向机构

在现实情况下，总有各种弯道，能够方便简单的实现转向功能是一个很重要的设计部分。

运用机械原理与机械设计的知识，利用齿轮齿链啮合的原理设计出简单的转向机构，其简单示意图如图8所示。

图8链轮转向机构示意图

如上图所示，齿轮3与手柄相连接，利用手柄的转动，通过链条，经过齿轮2带动齿轮1转动，齿轮1通过与其同轴的齿轮和侧摆的连接，把齿轮1的转动转换为侧摆的摆动，以实现“木牛流马”的转向功能。

齿轮2可以设计成可动齿轮，用来调节齿链的松紧程度，还可以起到缓冲的作用。

另外，为了容易完成手柄操作，该转向机构应具有一定的自锁功能。

3自动识别路径并完成转向功能

现代智能设计中越来越多地将自动和手动两种模式集合在一起，以便在路径复杂的情况下采用手动操作，而在特定轨迹并且路况比较好的情况下采用自动功能，例如在车间里根据过道中特制的导引而能够自动运输货物等。

道路识别由安装在机体前部的红外光电传感器阵列采集,经过选频与滤波电路,工控机和PLC对信号进行处理后,通过光电编码器采集到的速度信息，再根据一定的控制算法,由输出驱动模块发出两路PWM波,分别对舵机、电机进行控制,完成转向、前进、制动的功能。

将光电传感器或红外发射接收管按一字型排列在机体前部，最好选择奇数个传感器，以中间那个传感器获得的信号为基准进行路径识别。

若在路径的中间设置一道黑色的线条即在特定路径中，通过红外发光管发射红外光照到路径上，则路径表面与中心线对红外线具有不同的反射强度，可利用红外接收管检测这中变化。

经过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以检测到机体相对于前方道路的位置。

在布置传感器的时候应注意不能产生盲区，也不能有过大重合区，这样可以避免传感器检测不到路径，出现错乱，也可以避免因为两个传感器同时检测到变化而失去基准，引起控制器发出错误指令。

红外接收管接收到路径反射的红外光后产生电压的变化，就可以可以反映出路径中心线的位置。

这个电压信号可以通过外部的电压比较器变成高、低电平由工控机和PLC的I/O端口读取，也可以通过A/D端口直接读取。

从I/O端口读取的参考电路如图9所示，从A/D端口直接读取的参考电路如图10所示。

图9I/O端口读取电路

图10A/D端口读取电路

传感部件

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化，而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的原理。

当然，由于转换元件的输出信号一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。

因此，传感器的组成通常包括敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图11所示。

随着半导体器件与集成技术的发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件、转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里

图11传感器组成方框图

1光电传感器

光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。

光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。

光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。

光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量。

光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。

在测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。

光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。

图12（a）所示为测量光量时的组成框图，图12（b）所示为测量其他物理量时的组成框图。

图12光电式传感器的基本组成

在自动识别路径功能上，红外光照射到路径上，发生反射，应为中间有道黑线，吸收光强度较大，与两侧的光强均不一样，需要有红外接收管接并识别光的变化。

而红外接管的主要部件就是光电管，光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者在结构上比较相似，均由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。

阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。

阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。

当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流，从而产生电信号，传送给控制器。

2力传感器

在步行机器人的足端安装了力传感器，利用它检测足端与物体或地面的接触力大小，从而来判断步行足是与外界物体发生碰撞还是接触地面[39]。

可以通过设置碰撞力信号的阈值来判断步行足是可以克服阻力继续运动，还是改变其运动方式避开障碍，力传感器的控制原理框图如图13所示。

图13力传感器步行控制原理图

目前常见的力传感器有十字交叉梁结构的力传感器与四垂直筋式力矩传感器。

3扭矩传感器

如图7所示，可以将动态扭矩传