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[知识] 气动弹射机器人制作经验

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本帖最后由 清纯的香蕉男孩 于 2018-1-26 23:08 编辑

      气动系统有很高的危险性,制作、调试气动机器人,必须要遵守安全规则,在额定压力内使用,不要超出设计规则规定的气压,本着安全起见的原则,本文着重介绍的是制作气动弹射机器人的思路,不会介绍气动部件的购买方式。
      气动武器能在短时间内爆发出数千公斤的力量,主要是由氮气、二氧化碳和压缩空气驱动,一般用于弹射和挥击类武器。弹射又分为以Bronco、subzero为代表的美式弹射和以阿波罗、eruption为代表的英式弹射,一般来说我建议新手先从英式弹射做起,因为英式弹射气缸是固定死的,气路容易布局,而美式弹射气缸与弹射版连接,在弹射时候会随着弹射板运动而运动,气路较为复杂。而且在同等气压同等缸径下,英式弹射的效率比美式弹射高了很多。
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(英式弹射)
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      气缸出力计算:  气缸横截面积(平方厘米)X气压(Kg/平方厘米),例如缸径100mm的气缸,在2.5mpa(约为25kg/cm2 )的压力下,其气缸出力为78.5x25=1962公斤。

      决定弹射高度有两个因素:气压和流量,气压决定了弹射的力量,流量决定了弹射的速度,两者缺一不可。在规则规定的气压内,尽可能的提升流量主要有以下几个方法:1.使用大通径的电磁阀、气管和转接头。2.尽量缩短气路,气路的布局需减少直角,尽量做到直通。3.在缸径比较大的情况下考虑使用双电磁阀给气缸供气。4.缓冲瓶的容积最好是气缸容积的两倍,保证缓冲瓶有大流量供给气缸。
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      这是我最早做实验的气动系统,最右边是储气瓶,经减压阀减压后给缓冲瓶供气,缓冲瓶连接到了一个二位三通电磁阀上(这个电磁阀可以做到进气和排气一体),然后电磁阀连接气缸。
我简单介绍以下常见的气动部件作用:
  • 储气瓶;用于气体(压缩空气、氮气和二氧化碳)的储存
  • 减压阀:降低储气瓶内的压力,供给气缸使用
  • 电磁阀:控制气体的进出,实现气缸来回运动
  • 气缸:气动系统的执行部件
  • 泄压阀:在比赛结束后把缓冲瓶和储气瓶里的气体释放,使其失去危险性
  • 安全阀:在系统内压力过高时候安全阀会破开,泄出气体,防止压力过高“爆zha”
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      这是我设计制作的第一台羽量级弹射机器人奔牛1,因为第一次设计没经验,所以就先把所有的部件先购买好,然后搭建起来,再来根据空间来设计结构。图中可以看到我对气路进行了精简,因为空间很紧张,所以做了直角的气路,牺牲了一些流量来实现空间的紧凑性。
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      机身采用了直径10mm的普通钢管焊接,弹射板的管子是直径19mm的4130钢管制作而成,因为弹射板受力较大,4130钢管有很好的柔韧性,可以经受住上千公斤的力量,弹射板前铲是6mm钛合金板,可以承受住大部分旋转武器的伤害。

      奔牛1数据:调节气压2.5mpa,储存气压15mpa,气瓶容积0.45L,缸径80mm,行程80mm,驱动电机:775x2   1:40减速,电调 saberteeth 25ax2,6S  3300mah电池
PS:我的所有弹射机器人的气缸都采用了前置弹簧复位的方式,这样会使得弹射消耗的气体更低(下图所示)
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      这是奔牛2机器人,机身为3mm耐磨钢焊接而成,气动系统参数与奔牛1一样,但是气瓶容积改成了0.6L碳纤维气瓶,比铝合金气瓶更轻,容积更大。
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      谈完了低压气动系统,我们来说一下高压系统。高压系统是指高于设计规则里使用的调节压力,如英国大多数弹射都使用了未经调节的二氧化碳直驱气缸,约为6.8mpa,配合大缸径的气缸,很容易达到七八千公斤的气缸出力,但是相应的,气压越高,危险性越大。美国典型弹射机器人bronco,目测是两个缸径50mm的小气缸,但是却可以达到12000kg的弹射力,估计使用气压在15mpa以上,这样高的压力驱动气缸是很危险的,对于气动系统的每个部件都是考验,在英国FRA设计规则里,关于气动系统的设计规则就写了很多,其中着重说明了:要自制气动系统部件,必须经过液压“爆po”测试,而且要有相应的纸质证明,例如气缸和缓冲瓶等,而且高压系统对管路要求也非常高,一般都采用了液压管代替气管,巴西格斗机器人教程ribotz combot Tutorial里关于高压气动系统是这样介绍的:要使用高压系统,最好使用液压代替气动系统,特别是气缸,Ziggy的建造者Mark Demers指出,液压系统很重,但是很安全,Ziggy使用的气缸是缸径100mm,行程200mm的液压缸,额定使用压力2500psi(17mpa),在1000psi(6.8mpa)的气压下使用,所有的管路都用了液压管。

      我建议初学者从低压系统做起,在掌握了一定的经验和知识之后,在有经验的制作者指导下再进行高压系统的尝试。2015年我和Bronco设计者之一的Rose聊过,他建议我先从低压系统做起,因为即使是低压系统都很危险,高压系统的危险性更大,在熟悉之后再对高压系统进行尝试。
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swanglei  版主

发表于 2018-1-26 23:57:24

哇哇。。。感谢老刘的超详细的气动型武器解说~~!!!超赞!!!!

这次参加极战的比赛,听说原来还有比高压气体还要高级的气源,高压成液体的CO2,说这个比我们比赛的时候还要厉害????这个东西难度在哪里啊?
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洋葱_FMB  见习技师

发表于 2018-1-27 09:59:18

很直观的制作说明,制作这样机器安全肯定要第一的,气动的每一个安全阀门都应制作。
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hnyzcj  超级版主

发表于 2018-1-27 17:45:47

开眼睛
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xborot  初级技师

发表于 2018-1-27 19:44:26

老刘,你会做个2公斤弹射参加王大师特邀比赛吗?
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pATAq  版主

发表于 2018-1-27 21:11:43

这个很暴力
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swanglei  版主

发表于 2018-1-28 13:22:36

xborot 发表于 2018-1-27 19:44
老刘,你会做个2公斤弹射参加王大师特邀比赛吗?

他这个妥妥不像是2kg的啊
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apdmcv  学徒

发表于 2018-1-29 15:40:34

swanglei 发表于 2018-1-26 23:57
哇哇。。。感谢老刘的超详细的气动型武器解说~~!!!超赞!!!!

这次参加极战的比赛,听说原来还有比高 ...

实际上,常温下co2在7mpa压强时会自动变成液体,所以那个瓶子里顶天了7mpa,反倒比压缩空气储气瓶用的2-30mpa压力低得多
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swanglei  版主

发表于 2018-1-30 00:44:43

apdmcv 发表于 2018-1-29 15:40
实际上,常温下co2在7mpa压强时会自动变成液体,所以那个瓶子里顶天了7mpa,反倒比压缩空气储气瓶用的2-3 ...

在比赛当中,我的确问了一下英国的战队,他说35Mpa~而且我亲眼看到他们用钢瓶往里面灌~
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apdmcv  学徒

发表于 2018-1-31 17:22:10

swanglei 发表于 2018-1-30 00:44
在比赛当中,我的确问了一下英国的战队,他说35Mpa~而且我亲眼看到他们用钢瓶往里面灌~ ...

你肯定是听错了,二氧化碳一旦到达7mpa就会自动液化,35mpa那是违反物理定律的
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swanglei  版主

发表于 2018-1-31 17:46:25

apdmcv 发表于 2018-1-31 17:22
你肯定是听错了,二氧化碳一旦到达7mpa就会自动液化,35mpa那是违反物理定律的 ...

哦,那如果是35kpa,是对的么? 我对气动弹射的武器其实还不是很了解。
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apdmcv  学徒

发表于 2018-2-1 11:11:34

swanglei 发表于 2018-1-31 17:46
哦,那如果是35kpa,是对的么? 我对气动弹射的武器其实还不是很了解。

嗯,是这样,用压缩空气的话瓶子里储存的是20-30mpa的气体(氮气同理),然后经减压阀减至1-5mpa(常用范围)使用,像bronco这种技术达人经过主办方特批可以使用10mpa以上的压力。而使用二氧化碳呢,由于常温下二氧化碳在7mpa会被压缩成液态,因此瓶内气体存量实际上比30mpa的压缩空气还要大一倍,而压力反而更低——但缺点是二氧化碳沸腾会吸收大量的热,很容易引起结冰或结霜导致气动系统罢工。也就是因为二氧化碳只有7mpa,所以像布老虎这种追求极限的英式弹射会选择舍弃减压阀,直接用气瓶直驱气缸,也就是说天然具有7mpa弹射的能力(但坏消息是无法更进一步)。至于比赛现场那个35你是怎么听出来的我真是不知道,35kpa太小,35mpa太多,35bar有可能但是布老虎用的不是这个压力
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swanglei  版主

发表于 2018-2-1 23:38:27

apdmcv 发表于 2018-2-1 11:11
嗯,是这样,用压缩空气的话瓶子里储存的是20-30mpa的气体(氮气同理),然后经减压阀减至1-5mpa(常用范 ...

那什么单位我可能就不知道了,但我确定他说是35。。。。。的
谢谢啦!~~~哈哈
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tiger_zc  见习技师

发表于 2018-2-13 23:56:39

这么详细的帖子,开眼了。王大师,下次估计就有人和你组队了,你就不孤单了
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