地震救援机器人液压系统微控制设计

摘要： 本救援机器人微控制系统设计是为机械破碎臂及机械剪切臂的设计，主要实现机械破碎臂及机械剪切臂的液压系统定量取置、均匀稳定运行。本系统整体由液压系统、电路控制系统组成。液压系统设计轻便、简洁、可靠、高效、可扩展；采用互不干扰的并联式电路控制系统，工作稳定。使用者可以准确选择置取微量液压，操作界面方便，易于使用。本系统简单、使用维护简便、造价低廉、创意新颖。符合液压系统的发展趋势，具有很好的使用价值和推广潜力。

Abstract： The rescue robot control system design is for the design of mechanical broken arm and mechanical shearing arm， mainly realizing the pick-and-place， uniform and stable operation of the hydraulic system of mechanical broken are and mechanical shearing arm. The whole system is composed of hydraulic system and electric control system. The design of hydraulic system is portable， simple， reliable， efficient and scalable. It adopts parallel circuit control system without mutual interference， and it is stable. The user can accurately select micro hydraulic pressure， operation interface is convenient and easy to use. The system has the advantages such as simple， easy maintenance， low cost， novel originality. It is in line with the development trend of hydraulic system， has the very good use value and popularization.

关键词： 液压系统；电路控制；微操作；定量取值

Key words： hydraulic system；circuit control；micromanipulation；quantitative determination

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0019-02

0 引言

地震救援除了需要人员以外，必要的辅助救援设备也是必不可少的。在这两次的救援中发现有一些救援不能靠人力或简单的设备完成，尤其是一些需要高强度剪切、高强度破碎、高冲击性打孔的时候，现有的设备无法完成这些工作，耽误了救援的时间，而大型设备因为体积庞大且运动缓慢，这给救援工作带来了很多的不便。地震多功能辅助救援机器人就是为了更好完成这项工作而设计。地震多功能辅助救援机器人主要采用小型液压循环系统，液压油循环后冷却可以连续不间断的使用，同时还设计了带有液压转换为风压的功能，可以很好地解决救援中救援风袋的使用。机械剪切臂和机械破碎臂在救援中都要进行微操作，保障救援的准确和避免救援的二次伤害，有必要对救援机器人的为操作液压系统进行设计。

1 设计方案

本系统主要由液压系统、机电一体化及控制系统系统组成，通过时间继电器控制耐酸泵的运行时间达到定量出液的效果，通过液压缸的运动准确定位。

设计中较多的使用标准化部件且不仅限于此的注重设备的通用性、可扩展性和与外部设备的可扩展性。

1.1 液压系统设计方案 液压系统由液压油罐、耐酸泵、单向阀、喷头、软管构成。各液压系统组件按照液压系统图安装，管件之间采用过盈配合。液压部件按照机架及摆杆的设计进行安装和固定。

液压缸部分：破碎臂、剪切臂液压缸采用大孔径液压管，入口部孔径略小于PE软管，使油液以连续流出的方式出液；风泵部使用小孔径，使风量均匀、稳定输出风量用于救援袋的使用。

液压系统与液压油接触部分材料均采用聚乙烯（PE）树脂。所用材料均符合国家相关标准[4]对于其技术及可靠性要求。

其他组件使用较耐高温、潮湿、腐蚀材料；泵体外壳完全密封，以适应恶劣环境中的使用。

1.2 机电控制系统设计

1.2.1 供电及控制电路设计 供电采用AC 220V / 50Hz 市电供电，机电一体化部分采用DC 12V作为工作电压。使用Out DC 12V稳压开关电源对供电电源进行处理，开关电源同时具有一定的宽容性，以保证系统在外部电网供电质量较差的环境下稳定工作和延长使用寿命。

阀控、泵控液压伺服系统的研究与应用[5，6]已较成熟。本系统控制电路采用3组互不干扰的并联回路，保证在某一组发生故障时，其他组可以继续稳定工作。同时并联回路的控制电路设计符合设备总体设计要求具有良好的可扩展性的要求。其表现为工作组数量可扩展和外部智能控制可扩展。

继电器的失效率对系统的失效有着重大的影响[7]，继电器的触点、电磁、机械等部分[8]均与电参数有关，因此使用精确定量控制OMRON DH48S-1Z型多段预置式限时继电器来。其电气控制精度可达0.01秒，控制范围最高可达连续工作99小时，性能、寿命均可达到设计寿命。

1.2.2 继电器安装与控制系统接线 Protel是众人熟悉的电子CAD软件[9]，使用Protel绘制。设计考虑设备的通用性以及部件故障替换的便捷，故继电器采用8孔国标PF083A露出型底座。继电器机身使用开放式安装，即保证必要的安装强度，又易于清洁与维护。

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理 液压油自重力注入油罐下部耐酸泵泵腔。

接通电源后通过按键输入所需液量与液压缸的对应时间。按下对应的开关按钮，计数器复位并开始计数，并同时接通耐酸泵电源。

耐酸泵工作，将液压油压入出液管路并冲开单向阀，液压油流至液压缸，经机械臂的运动实现规定的动作。

2.2 操作步骤

2.3 性能分析 根据对的测试、试验和使用体验。该装置完全实现设计要求和功能。

使用中达到了设计中要求的精确定量、液压缸微量动作。

设计采用了两个液面高度差：耐酸泵位于容器下方，耐酸泵可以靠液体重力和大气压力自动注液，实现“即装即用”；

耐酸泵根据设计和使用环境，间歇性工作，散热良好。电源设置散热外壳并接地保护，保障连续工作的稳定性和安全性。

装置整体设计寿命5至10年。内部组件机械寿命五百万次，电器寿命一百万次。液压罐可就实际使用情况进行清洁和更换。

3 结语

电路传动系统采用了OMRON时间继电器控制耐酸泵，精度可达0.01s，系统采用并联控制系统，继电器和耐酸泵都采用12V的电压等级，将220V电源电压降为12V，统一供电。

液压系统采用了两个液面高度差。耐酸泵位于容器下方，耐酸泵可以靠液体重力和大气压力自动注液；

本系统结构简单，便于操作，节约资源，动作准确。具有很高的经济效益和应用前景，应用推广价值巨大。

参考文献：

[1]葛正浩，梁金生，蔡小霞，等.SolidWorks 2008典型机械零件设计实训教程[M].北京：化学T业出版社，2008.

[2]徐格宁，孙占营，陶元芳.基于组件对象模型的Solidworks三维参数化建模方法[J].中国工程机械学报，2004，2（3）：263.269.

[3]吴文根.基于SolidWorks的产品设计专用系统的研究与开发[D].武汉：武汉理工大学，2007：13.

[4]中华人民共和国国家标准GB/T 1115―2009 聚乙烯（PE）树脂. 2009.

[5]Jen Y， Lee C. Robust Speed Contro l o f a pump ～ Contro lled M otor System [J]. I EEE proceed i ng D. 1992，139（6）：503-510.

[6]Thayer WJ . Redundant d lectrohydraulic servoactuators pumps [J].SAE 871863.

[7]万里浩.国外大电流断路器机构特点[D].中国电工技术学会低压电器专业委员会第十二届学术年会论文集，2005.

[8]GB 14048.2――2008低压开关设备和控制设备第2部分：断路器[S].2008.

[9]李勇，许福东，等.电路仿真软件protel在电路中的应用[J].科技信息，2007（31），146-147.