機器人氣動裝置及擊球機構的製作方法

2023-05-30 16:47:46

專利名稱：機器人氣動裝置及擊球機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣動裝置，特別是適用於踢球機器人的氣動裝置及擊球機構。
背景技術：
隨著人類社會科學發展和技術進步，自動化控制越來越多地滲入社會生產和生活的各個領域。人們越來越多地試圖將各種不必以人親自完成的動作交由智能控制的執行機構去完成，或者說，機器人的適用領域已經得到了空前的擴大。人們常常舉辦智慧機器人比賽，以鼓勵自動化控制領域的工程師能夠提高機器人的控制智能。例如，在機器人足球比賽中，由智能移動機器人為隊員構成的足球隊，採用類似於人類足球比賽的規則進行比賽，機器人在比賽過程中完全自主踢球，比賽以踢進對方球門居多者為勝方。常見的足球機器人踢球裝置一般通過以下兩種方式實現踢球:一、利用電磁方式驅動踢球桿，實現足球機器人不同射門距離的踢球；二、利用氣動元件作為動力源，通過控制電磁閥開閉來控制氣路的通斷，以此來實現足球機器人射門。基於電磁方式的踢球裝置，射門力量大、距離遠，但需要升壓高達幾百伏，成本昂貴，且存在一定的高壓危險因素；基於氣動方式的踢球裝置，由於氣壓限制，往往射門距離較短，如果提高氣壓，則氣密性難以保證，而且隨著儲氣量的減少，氣壓降低，踢球的力量也隨之逐漸減弱。上述兩種踢球裝置，其踢球桿與足球的接觸點位置在踢球時往往始終不變，不能根據控制器指令進行調整，射門方式單一，不能實現足球的平射動作和挑射動作的互換。本領域的技術人員致力於研究一種能夠高壓儲氣，射門動作和射門力量可調的擊球機構及踢球機器人。

發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中，機器人氣動裝置氣密性差，無法隨著儲氣量變化而調節氣壓執行動作，氣動執行機構動作單一的不足，提供一種機器人氣動裝置和應用其的擊球機構。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:—種機器人氣動裝置，其特點在於，所述氣動裝置包括:一連接板，所述連接板表面設置有多個接口，所述多個接口在所述連接板內部形成通路；一充氣單元，包括一高壓球閥，所述充氣單元與所述多個接口中的一第一接口密封連接；—儲氣單元,所述儲氣單元與所述多個接口中的一第二接口密封連接；一氣壓感應單元，所述氣壓感應單元與所述多個接口中的一第三接口密封連接；一輸氣單元，包括一電磁閥，所述輸氣單元與所述多個接口中的一第四接口密封連接；其中，所述連接板、充氣單元、儲氣單元、氣壓感應單元和輸氣單元在高壓球閥和電磁閥關閉時形成一封閉氣路。較佳地，所述高壓球閥一端通過一第一高壓接頭與所述連接板連接，高壓球閥另一端通過一第二高壓接頭與一外界充氣裝置相通。較佳地，所述儲氣單元包括一高壓氣瓶，所述高壓氣瓶通過一氣瓶接頭與所述連接板連接。較佳地，所述氣壓感應單元包括一壓力傳感器，所述壓力傳感器通過一第三高壓接頭與所述連接板連接。較佳地，所述電磁閥一端通過一第四高壓接頭與所述連接板連接，電磁閥另一端通過一第五高壓接頭與一氣動銅管連接。較佳地，所述連接板呈「L」形狀，所述多個接頭分布設置在不同端面上。較佳地，所述連接板其中至少一個端面設置有螺紋孔，該螺紋孔不與所述封閉氣路相通。較佳地，所述連接板內部氣體通路的內表面光滑，轉彎處為圓弧面，所述連接板為一體成形的金屬。較佳地，所述第五高壓接頭為卡套式不鏽鋼接頭。—種踢球機器人的擊球機構，其特點在於，所述擊球機構包括:至少一個前述的氣動裝置；一數位訊號處理單元，所述數位訊號處理單元與所述氣壓感應單元和輸氣單元連接。較佳地，所述數位訊號處理單元根據所述氣壓感應單元傳輸的信號，控制輸氣閥門的開閉時間。本發明中，上述優選條件在符合本領域常識的基礎上可任意組合，即得本發明各較佳實施例。本發明的積極進步效果在於:本發明揭示的氣動裝置儲氣壓力高，可調性強，成本低，結構簡單。


圖1為本發明一個具體實施例下的氣動裝置的結構爆炸圖。圖2為本發明一個具體實施例下的擊打裝置的結構爆炸圖。圖3為本發明一個具體實施例下的擊球機構的結構示意圖。圖4為本發明一個具體實施例下的擊打裝置擊球時其中一個效果示意圖。圖5為本發明一個具體實施例下的擊打裝置擊球時另一個效果示意圖。
具體實施例方式本發明的實施例將參照附圖進行說明。在說明書附圖中，具有類似結構或功能的元件將用相同的元件符號表示。附圖只是為了便於說明本發明的各個實施例，並不是要對本發明進行窮盡性的說明，也不是對本發明的範圍進行限制。出於清楚敘述的目的，結構爆炸圖中的大量螺釘螺栓等固定零件和墊圈等密封元件將不再依次羅列說明，本領域的技術人員應該明白這些都是業內常用的技術手段。
圖1為本發明一個具體實施例下的氣動裝置的結構爆炸圖。在該實施例中，氣動連接板10內部設有多個氣體通道(圖未示出)，氣體通道在氣動連接板10的端面形成多個通氣接口，該多個通氣接口設置內螺紋，便於與其它高壓密封接頭連接，氣體通道在所述連接板內部彼此相通。根據通氣接口連接的部件作用不同，這些接口可以分為充氣接口、儲氣接口、氣壓感應接口和輸氣接口等等，與此對應地，各個部件及其組合件也可稱之為充氣單元、儲氣單元、氣壓感應單元和輸氣單元等等。氣動連接板10可能還設置更多的通氣接口，當多餘的接口暫無連接的部件時，應將空置的接口用高壓封口封死，以保證該氣動連接板10、充氣單元、儲氣單元、氣壓感應單元和輸氣單元形成一封閉氣路。各個通氣接口的作用並不固定，若部件和部件之間調換位置後仍能與相應的通氣接口完成很好的高壓密封，並對整體氣動裝置的結構安排沒有不良影響，則部件之間可以進行任意的調換。氣動連接板10可以由金屬一體成型，也可以由其它能夠進行高壓氣體密封連接的材料製成。出於降低流體阻力的考慮，氣動連接板10內部氣體通路的內表面應儘可能光滑，通道轉彎處應為圓弧面，以降低高壓氣體在通道內的壓力損失。在本實施例中，氣動連接板10形狀為L狀近似長方體，所述多個接頭分布設置在不同端面上。近似長方體該近似長方體的伸出部分還設置有螺紋孔，便於將氣動連接板10固定安裝。一高壓球閥20通過一 90°高壓接頭22與氣動連接板10的充氣接口(圖未示出)連接，形成充氣單元，該高壓球閥另一端通過充氣高壓接頭24與外界充氣設備相通。當需要充氣時，該充氣高壓接頭24與充氣設備(例如空氣壓縮機)密封連接，開啟高壓球閥20，高壓氣體通過此充氣接口進入氣動連接板10，從而進入相應的儲氣單元。在一個優選實施例中，充氣高壓接頭24選用高壓快速充氣接頭，以保證快捷地完成充氣動作。儲氣單元包括一高壓氣瓶30，該高壓氣瓶30通過一密封墊片34和氣瓶接頭36與氣動連接板10的儲氣接口 12連接。高壓氣瓶30材料不限，但應具備能達到存儲十幾個大氣壓的氣體的能力。氣壓感應單元包括一壓力傳感器40，該壓力傳感器40與壓力傳感器連接螺母46連接，壓力傳感器連接螺母46通過傳感器高壓接頭48與氣動連接板10的氣壓感應接口 14連接。本領域的技術人員應該明白，壓力傳感器40測量流體壓力，並將壓力信號以模擬信號或數位訊號的方式向處理器傳輸，這是個業內較為成熟的技術，任何一種合適的能夠用來精確測量高壓氣體壓力的傳感器都能適用。輸氣單元包括一電磁閥50，所述電磁閥50 —端通過一高壓接頭55、一高壓接頭組件56和輸氣高壓接頭57與所述氣動連接板10的輸氣接口 16連接，電磁閥50另一端通過一卡套式不鏽鋼接頭組件52與一氣動銅管51連接。這樣，當電磁閥開啟時，高壓氣瓶30內的高壓氣體就可以經氣動銅管51輸出，從而輸出動力。該氣動裝置還包括一數位訊號處理單元(Digital Signal Processing unit,「DSP」)(圖未示出)，DSP可以包括微處理器(μΡ)、微控制器(yC)、中央處理器(CPU)等。DSP可以固定安裝在氣動裝置在任意合適的位置，也可以安裝在機器人其它合適的位置。壓力傳感器40將壓力信號向DSP傳輸，DSP響應壓力信號，對當前的氣體壓力值進行判斷，並電磁閥50發出控制信號，驅動電磁閥50進行打開和關閉動作。電磁閥50打開時，氣動銅管51輸出空氣，電磁閥50關閉時，氣動銅管51停止輸出空氣。當目前的氣體壓力值低於一個或多個預先設定的閥值時，DSP相應地延長電磁閥50的開啟時間，從而延長空氣輸出時間，這樣，當高壓氣瓶30的儲氣量減少時，可以通過輸出更多的空氣量來保證氣壓的能量供應。圖2為本發明一個具體實施例下的擊打裝置的結構爆炸圖。在該實施例中，底座100為一長方形殼體，其上設置一擊打孔110，一彈簧120通過一連接板122連接在底座100下方，底座100頂部端面設置絲槓孔130和兩導杆孔132。一氣缸固定板250通過螺釘固定在底座100上，氣缸200前端包括固定螺紋部210和活塞頭220。固定螺紋部210穿過擊打孔110與氣缸固定螺母260螺接擰緊，這樣氣缸固定螺母260和氣缸夾持住氣缸固定板250，從而使氣缸200與底座100固定連接。一撞擊頭240通過一撞擊頭調整螺母230與活塞頭220連接。通過旋轉撞擊頭調整螺母230可以調整撞擊頭240的衝程位置。活塞200進氣端通過卡套式不鏽鋼接頭270與前述氣動銅管51密封連接，從而通過控制電磁閥50開閉來控制氣缸活塞頭220的運行。位置調整座330設置梯形螺母孔和直線軸承孔，擊打杆300與位置調整座330樞接。擊打杆300底端設置多個螺孔，擊打杆調整板310可以根據位置需要選擇性地通過相應螺釘固定到擊打杆300上。擊打杆調整板310設置一彎折部，彎折部的一段還設置一螺孔，擊打螺釘320旋入該螺孔中，以增強擊打效果。擊打杆300底端還同時與彈簧120連接。當活塞頭220處在初始位置時，擊打杆300上端懸吊在位置調整座330上，下端豎直下垂，當活塞頭220受到氣壓驅動向如推出時，擊打杆300擊出，隨後活塞頭220縮回初始位直，擊打杆300在彈簧120的彈性作用下復位。彈簧120可以用橡膠件或其它合適的彈性元件代替。在活塞頭220沒有伸出時，撞擊頭240與擊打杆保持接觸。梯形螺母410和兩直線軸承420穿過相應孔位藉助螺釘與位置調整座330固定設置。絲槓400穿過梯形螺母410和位置調整座330，下端伸入底座絲槓孔130並懸空；導杆430下端設有螺紋，穿過直線軸承420和位置調整座，下端伸入底座導杆孔132藉助螺帽固定設置在底座100上。導杆430上端與導柱安裝板440固定連接。絲槓400上端穿過導柱安裝板440，藉助聯軸器460與直流伺服電機470的輸出軸連接，直流伺服電機470前端設置一減速器472，保證絲槓合適的轉速。直流伺服電機470藉助電機安裝板450固定在導柱安裝板440上。這樣，底座100和導柱安裝座440通過兩根導杆430連接成一個整體，絲槓400固定於導柱安裝板440和底座100之間；梯形螺母410在絲槓400上旋動，帶動位置調整座330和直線軸承420沿導杆上下滑動。直流伺服電機470與編碼器480連接，從而將位置調整座330當前的位置信號傳輸至前述DSP。位置調整座330上面設置信號板510，導柱安裝板440和底座100上各設置上位光電傳感器510和下位光電傳感器520，作為保護元件。當位置調整座位置上升超過了光電傳感器510或下降超過了下位光電傳感器520的位置,DSP響應信號，向直流伺服電機470發出停止或者反轉的信號，以保證位置調整機構順利工作。圖3為本發明一個具體實施例下的擊球機構的結構示意圖。在此實施例中，踢球機器人除設置擊球機構外，還包括視覺系統(圖未示出)，對當前球和球門的位置做出判斷。前述DSP響應壓力傳感器40傳來的氣體壓力信號，編碼器480傳來的位置信號和視覺系統傳來的球的相關信息，迅速做出判斷，決定輸氣閥門的開閉時間和擊打杆300的位置，向電磁閥50、直流伺服電機470發出指令，使擊打杆300達到合適的高度，將球擊出。圖4和圖5為本發明一個具體實施例下的擊打裝置擊球時的執行示意圖。當視覺系統傳輸球門和球的信號，需要將球以平踢的方式擊出時，DSP驅動電機旋轉，絲槓驅使位置調整座和擊打杆上升，達到合適的位置，將球擊出。反之亦然，當需要將球以挑踢的方式擊出時，DSP驅動電機反向旋轉，絲槓驅使位置調整座和擊打杆下降，達到合適的位置，將球擊出。以上雖然描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，例如，直流伺服電機可以是其它合適的微型電機，只要能受DSP控制並輸出轉交信號，都可以適用，這些變更和修改均落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種機器人氣動裝置，其特徵在於，所述氣動裝置包括: 一連接板，所述連接板表面設置有多個接口，所述多個接口在所述連接板內部形成通路； 一充氣單元，包括一高壓球閥，所述充氣單元與所述多個接口中的一第一接口密封連接； 一儲氣單元，所述儲氣單元與所述多個接口中的一第二接口密封連接； 一氣壓感應單元，所述氣壓感應單元與所述多個接口中的一第三接口密封連接； 一輸氣單元，包括一電磁閥，所述輸氣單元與所述多個接口中的一第四接口密封連接; 其中，所述連接板、充氣單元、儲氣單元、氣壓感應單元和輸氣單元在高壓球閥和電磁閥關閉時形成一封閉氣路。
2.如權利要求1所述的氣動裝置，其特徵在於，所述高壓球閥一端通過一第一高壓接頭與所述連接板連接，高壓球閥另一端通過一第二高壓接頭與一外界充氣裝置相通。
3.如權利要求1所述的氣動裝置，其特徵在於，所述儲氣單元包括一高壓氣瓶，所述高壓氣瓶通過一氣瓶接頭與所述連接板連接。
4.如權利要求1所述的氣動裝置，其特徵在於，所述氣壓感應單元包括一壓力傳感器，所述壓力傳感器通過一第三高壓接頭與所述連接板連接。
5.如權利要求1所述的氣動裝置，其特徵在於，所述電磁閥一端通過一第四高壓接頭與所述連接板連接，電磁閥另一端通過一第五高壓接頭與一氣動銅管連接。
6.如權利要求1至5任一項所述的氣動裝置，其特徵在於，所述連接板呈「L」形狀，所述多個接頭分布設置在不同端面上。
7.如權利要求1至5任一項所述的氣動裝置，其特徵在於，所述連接板其中至少一個端面設置有螺紋孔，該螺紋孔不與所述封閉氣路相通。
8.如權利要求1至5任一項所述的氣動裝置，其特徵在於，所述連接板內部氣體通路的內表面光滑，轉彎處為圓弧面，所述連接板為一體成形的金屬。
9.如權利要求5所述的氣動裝置，其特徵在於，所述第五高壓接頭為卡套式不鏽鋼接頭。
10.一種踢球機器人的擊球機構，其特徵在於，所述擊球機構包括: 至少一個權利要求1至9任一項所述的氣動裝置； 一數位訊號處理單元，所述數位訊號處理單元與所述氣壓感應單元和輸氣單元連接。
11.如權利要求10所述的擊球機構，其特徵在於，所述數位訊號處理單元根據所述氣壓感應單兀傳輸的信號，控制輸氣閥門的開閉時間。
全文摘要
本發明公開了一種機器人氣動裝置及擊球機構，包括一連接板，所述連接板表面設置有多個接口，所述多個接口在所述連接板內部形成通路；一充氣單元，包括一高壓球閥，所述充氣單元與所述多個接口中的一第一接口密封連接；一儲氣單元，所述儲氣單元與所述多個接口中的一第二接口密封連接；一氣壓感應單元，所述氣壓感應單元與所述多個接口中的一第三接口密封連接；一輸氣單元，包括一電磁閥，所述輸氣單元與所述多個接口中的一第四接口密封連接；其中，所述連接板、充氣單元、儲氣單元、氣壓感應單元和輸氣單元在高壓球閥和電磁閥關閉時形成一封閉氣路。本氣動裝置儲氣壓力高，射門動作和射門力量可調性強，成本低。
文檔編號A63H29/16GK103203105SQ20121001343
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者宋小康, 孫立彪 申請人:上海未來夥伴機器人有限公司