投籃機(jī)器人,投籃,機(jī)器人 河南科技學(xué)院河南科技學(xué)院2009 屆本科屆本科畢業(yè)論畢業(yè)論文（文（設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)） ）論論文文題題目：投目：投籃籃機(jī)器人的機(jī)器人的動(dòng)動(dòng)作作設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：李李風(fēng)風(fēng)雷雷 所在院系：所在院系： 機(jī)機(jī)電電學(xué)院學(xué)院所學(xué)所學(xué)專業(yè)專業(yè)： ： 機(jī)械機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制造及其自制造及其自動(dòng)動(dòng)化化導(dǎo)師導(dǎo)師姓名：姓名： 叢曉叢曉霞霞完成完成時(shí)間時(shí)間： ：2009 年年 5 月月 20 日日1摘摘 要要本文的主要研究方向是其中的手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先對(duì)手動(dòng)機(jī)器人的行走方案吃球方案、投球方案進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，隨后又對(duì)投球裝置使用的氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單介紹了為手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。同時(shí)出于對(duì)穩(wěn)定性的考慮，設(shè)計(jì)了以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)，并以此為重點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。 關(guān)關(guān)鍵詞鍵詞：機(jī)器人，投球，氣動(dòng)控制，PLC 控制2AbstractThe main research direction of this article is manual robot control system design. First of all we carry on the discussion and the design to the manual robot walking plan, ball collecting plan, ball shooting plan ,afterwards to design the pneumatic control system of ball shooting system.Simplyintroduced the control system takes SCM as the core designed for the manual robot. Simultaneously base on the stable consideration, we designed a control system takes PLC as the core, and take this as the key point, carries on the design and the expansion to the robot function.Keywords: Robot, Shooting ball, Pneumatic control, PLC control3目目 錄錄1 引言引言.11.1 機(jī)器人概述.11.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì).11.3 機(jī)器人競(jìng)賽介紹.22 總總體方案分析與策略體方案分析與策略.23 行行駛駛機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).34 吃球部分吃球部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).45 投球部分投球部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).66 控制回路控制回路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).77 單單片機(jī)控制系片機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng).77.1 AVR 單片機(jī)的特性.77.2 控制電路介紹.88 以以 PLC 為為核心的控制系核心的控制系統(tǒng)統(tǒng)方案方案.98.1 PLC 介紹.98.2 PLC 的選擇.118.3 PLC 各單元介紹.128.4 控制系統(tǒng)功能介紹.168.5 前進(jìn)/后退，變速控制及投球控制.168.5.1 /O 分配.168.5.2 程序梯形圖：.178.6 自動(dòng)送球控制.209 總結(jié)總結(jié).20致致謝謝.21參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).2241 引言引言1.1 機(jī)器人概述機(jī)器人概述機(jī)器人科學(xué)是一門綜合了機(jī)械、電子、材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、仿生、人工智能等多種前沿科學(xué)的綜合性學(xué)科，是最能體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)水平的學(xué)科之一。1920 年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅薩姆的萬能機(jī)器人。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”， “Robota”是奴隸的意思。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。在該劇中，機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)。后來，羅薩姆公司取得了成功，使機(jī)器人具有了感情，導(dǎo)致機(jī)器人的應(yīng)用部門迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員。為了防止機(jī)器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于 1940 年提出了“機(jī)器人三原則”：(1)機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；(2)機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；(3)機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則。機(jī)器人真正出現(xiàn)在人類社會(huì)中的歷史并不算長(zhǎng)，1959 年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才算真正開始。機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在，可以分為三代：第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人：它由人操縱機(jī)械手做一遍應(yīng)當(dāng)完成的動(dòng)作或通過控制器發(fā)出指令讓機(jī)械手臂動(dòng)作，在動(dòng)作過程中機(jī)器人會(huì)自動(dòng)將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，能再現(xiàn)人教給它的動(dòng)作，并能自動(dòng)重復(fù)的執(zhí)行。這類機(jī)器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應(yīng)變化的環(huán)境。 第二代是有感覺的機(jī)器人：它們對(duì)外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。機(jī)器人工作時(shí)，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。第三代是具有智能的機(jī)器人：智能機(jī)器人是靠人工智能技術(shù)決策行動(dòng)的機(jī)器人，它們根據(jù)感覺到的信息，進(jìn)行獨(dú)立思維、識(shí)別、推理，并作出判斷和決策，不用人的參與就可以完成一些復(fù)雜的工作。目前，智能機(jī)器人已在許多方面具有人類的特點(diǎn)，隨著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展與完善，機(jī)器人的智能水平將越來越接近人類。1.2 目前研究的概況和目前研究的概況和發(fā)發(fā)展展趨勢(shì)趨勢(shì)當(dāng)今世界，機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)規(guī)模巨大的產(chǎn)業(yè)。據(jù)5粗略估算，全球現(xiàn)在至少有 76 萬臺(tái)機(jī)器人正投入使用。中國(guó)于 1972 年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。我國(guó)于 1985 年研制成功第一臺(tái)弧焊機(jī)器人，距世界最早的機(jī)器人實(shí)用機(jī)型推出晚了 23 年。目前，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)、制造的單位已達(dá)200 多家。2000 年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的擁有量約為 3500 臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)的占五分之一。但是由于我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化起步較晚，步伐較慢，基礎(chǔ)工業(yè)力量比較薄弱，致使工業(yè)機(jī)器人長(zhǎng)期大量依賴進(jìn)口。研究與市場(chǎng)脫節(jié)是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化過程中一個(gè)急需解決的問題。同時(shí)，我國(guó)的企業(yè)也缺少大規(guī)模集成的經(jīng)驗(yàn)，難以形成很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力1。1.3 機(jī)器人機(jī)器人競(jìng)賽競(jìng)賽介介紹紹 近年來,隨著計(jì)算機(jī)、傳感器和人工智能等技術(shù)的飛速進(jìn)步，機(jī)器人科學(xué)得到了前所未有的發(fā)展.在制造行業(yè)中，尤其是汽車工業(yè),機(jī)器人已經(jīng)成為生產(chǎn)線上的主力，可以說一個(gè)企業(yè)其生產(chǎn)線上機(jī)器人的質(zhì)量和數(shù)量幾乎可以說明這個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)效率和水平。不僅如此，機(jī)器人的應(yīng)用也擴(kuò)展到很多其他領(lǐng)域，比如偵察、探測(cè)機(jī)器人，護(hù)理機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)器人，甚至還有家用的清潔機(jī)器人而各類機(jī)器人競(jìng)賽就是近年來發(fā)展起來的一種新興事物。通常情況下，比賽發(fā)布一個(gè)目標(biāo)和一套規(guī)則，參賽選手據(jù)此設(shè)計(jì)機(jī)器人，與其他選手競(jìng)爭(zhēng)，從而贏得比賽。機(jī)器人比賽集合科技、教育、比賽、娛樂于一體，即是科普活動(dòng)的一個(gè)良好載體,同時(shí)也是基礎(chǔ)研究的一個(gè)大舞臺(tái),不僅是有趣的娛樂項(xiàng)目同時(shí)也能反映出一個(gè)國(guó)家科技水平的高低。機(jī)器人競(jìng)賽給青年人提供了一個(gè)充分展示聰敏才智的舞臺(tái),培養(yǎng)了他們實(shí)際動(dòng)手能力,團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,提高了創(chuàng)新能力, 更使大學(xué)生對(duì)相關(guān)學(xué)科的理論學(xué)習(xí)有了更直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，這些非工業(yè)用途的研究型和教學(xué)型機(jī)器人，其意義遠(yuǎn)不僅是它們自身所能帶來的直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這類機(jī)器人往往是各種學(xué)科最新技術(shù)的交叉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在新型機(jī)器人上應(yīng)用的技術(shù)有可能很快就出現(xiàn)在其他領(lǐng)域的實(shí)際產(chǎn)品中，不但促進(jìn)了機(jī)器人自身的發(fā)展，也帶動(dòng)了其他相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的進(jìn)步。2 總總體方案分析與策略體方案分析與策略要想實(shí)現(xiàn)投籃的功能，機(jī)器人必須在以下幾個(gè)方面達(dá)到要求：(1)功能強(qiáng)大 為了能完成比投籃動(dòng)作，必須具備高效、可靠的動(dòng)作機(jī)構(gòu)。(2)信息處理能力強(qiáng) 需要按照一定的路線行進(jìn)，對(duì)環(huán)境位置信息進(jìn)行處理和判斷，以便完成既定任務(wù)。(3)速度快 速度是搶占場(chǎng)上優(yōu)勢(shì)最重要的手段。(4)堅(jiān)固穩(wěn)定 要考慮防止機(jī)器人傾覆的措施。63 行行駛駛機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 大多數(shù)手動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)布局方案都是：采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)機(jī)器人后方的兩個(gè)主動(dòng)輪，而前方安裝一個(gè)或兩個(gè)萬向輪作從動(dòng)輪。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向控制方便。沒有復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過分別控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)就能使機(jī)器人轉(zhuǎn)向，無論從結(jié)構(gòu)上還是電路控制上都比較簡(jiǎn)單。圖 1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)布局但是這種方案有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是很難讓機(jī)器人在原地繞某一點(diǎn)精確地旋轉(zhuǎn)。而只有做到能夠精確旋轉(zhuǎn)，才能讓機(jī)器人的定向發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)。 于是設(shè)計(jì)了另一種方案：在車體后部安裝一個(gè)可以控制轉(zhuǎn)向的主動(dòng)輪，由一臺(tái)電機(jī)控制它的轉(zhuǎn)向，一臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制其正反轉(zhuǎn)。圖 2 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向方案7 當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與車身方向垂直時(shí)，車身就會(huì)以 O 點(diǎn)為圓心旋轉(zhuǎn)，箭頭所示就是車體的瞄準(zhǔn)方向。通過微調(diào)主動(dòng)輪前后旋轉(zhuǎn)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)車體的精確瞄準(zhǔn)。 但最終沒有采用這種方案，而是在前面方案的基礎(chǔ)上增加一個(gè)差速器和一個(gè)主動(dòng)輪，形成雙可控轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)輪+雙定向從動(dòng)輪的布局。圖 3 雙主動(dòng)輪加差速器方案選擇這種方案主要基于以下幾個(gè)原因：一是四輪布局要比三輪布局穩(wěn)定性高；二是如果主動(dòng)輪只有一個(gè)，那么當(dāng)主動(dòng)輪原地旋轉(zhuǎn)向時(shí)，其與地面接觸的部分是滑動(dòng)摩擦，阻力比較大，且運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。我們使用電機(jī)來控制主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向，因此驅(qū)動(dòng)阻力是個(gè)值得考慮的問題。如果采用雙主動(dòng)輪+差速器的方案，那么主動(dòng)輪原地轉(zhuǎn)向時(shí)，兩個(gè)主動(dòng)輪就是饒電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，與地面之間是滾動(dòng)摩擦，阻力較小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)2； 4 吃球部分吃球部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 對(duì)吃球機(jī)構(gòu)的要求是，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)盡可能地將球拾取到機(jī)器人內(nèi)的指定位置。另外如果球散落各個(gè)角落，手動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該有足夠的靈活性來拾取這些燃料球。手動(dòng)機(jī)器人的球發(fā)射機(jī)構(gòu)通常距離地面有一定距離，所以還需要特定機(jī)構(gòu)將球提升到指定高度。我的設(shè)計(jì)方案是將拾取機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)和為一體。8圖 4 吃球路徑如圖所示，吃球模塊是由電機(jī)帶動(dòng)的膠皮傳送帶，與地面的距離略微小于燃料球的直徑，因此能夠利用傳送帶和地面夾緊燃料球，同時(shí)將其沿內(nèi)舌板與吃球模塊組成的通道輸送到球艙，球艙里的球在重力的作用下落入傳送槽，在此由橫向傳送帶送入發(fā)射位置。圖 5 吃球機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖吃球模塊實(shí)際上是一個(gè)三角形的傳送帶系統(tǒng)，有一條傳送帶，四個(gè)滾筒，其中一個(gè)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的動(dòng)力滾筒，其余三個(gè)是從動(dòng)滾筒，分別起到支撐和預(yù)緊的作用。95 投球部分投球部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)經(jīng)過初步討論，設(shè)計(jì)了幾種備選方案。一是用風(fēng)扇。用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)扇靠近對(duì)方的燃料球，用高速氣流將燃料球吹離篝火盤。圖 6 風(fēng)扇方案二是用壓縮空氣。手動(dòng)機(jī)器人攜帶一個(gè)儲(chǔ)滿高壓空氣的氣瓶，在機(jī)器人的特定位置引出一個(gè)噴嘴，用電磁閥控制氣路的開關(guān)。將噴嘴對(duì)準(zhǔn)對(duì)方的燃料球，利用噴射出高壓氣體將球逐出篝火盤。圖 7 吹氣方案但是這兩種方法都有缺點(diǎn)，那就是作用距離近，而且擊球的力量也比較小。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了另一種方案：利用氣缸作為動(dòng)力元件，制作一個(gè)彈射機(jī)構(gòu)。經(jīng)過試驗(yàn)，這種方法十分有效。球的彈射距離非常遠(yuǎn)，能達(dá)到 3 米以上，撞擊力量也很大。配合手動(dòng)機(jī)器人上安裝的可見紅外激光瞄準(zhǔn)器，射擊精度也非常高。圖 8 彈射機(jī)構(gòu)示意圖106 控制回路控制回路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)經(jīng)過研究決定氣缸用二位五通電磁閥控制。為了調(diào)節(jié)氣缸運(yùn)動(dòng)速度，使用節(jié)流調(diào)速回路，在電磁閥的出氣口分別安裝節(jié)流閥。節(jié)流閥的流量需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)節(jié)，觀察整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到要求之后用螺紋扣件鎖死。G2 為氣缸，F(xiàn)2 為二位五通電磁閥，J2 和 J6 分別為電磁閥兩種狀態(tài)下的出氣節(jié)流閥。在正常情況下電磁閥電源斷開，高壓氣體從氣缸前端進(jìn)入，氣缸處于縮回狀態(tài)并保持不動(dòng)。當(dāng)發(fā)射命令產(chǎn)生，電磁閥電源接通，高壓氣體從氣缸末端進(jìn)入，氣缸前端氣體經(jīng)節(jié)流閥調(diào)速后排出，使氣缸按照一定速度伸出，從而驅(qū)動(dòng)射球機(jī)構(gòu)將球射出3。以下為投籃機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)和 plc 均可，我做兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較。7 單單片機(jī)控制系片機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)7.1 AVR 單單片機(jī)的特性片機(jī)的特性AVR 單片機(jī)是 1997 年由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速 8 位單片機(jī)。AVR 的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件(包括 FLASH 程序存儲(chǔ)器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等)和多種功能(增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、具替換功能的 I/O 端口 )于一身，充分體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng)SoC”過渡的發(fā)展方向。 AVR 系列單片機(jī)的選型 AVR 單片機(jī)系列齊全,可適用于各種不同場(chǎng)合的要求。AVR 單片機(jī)有 3 個(gè)檔次: 低檔 Tiny 系列 AVR 單片機(jī): 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等； 中檔 AT90S 系列 AVR 單片機(jī): 主要有 AT90S1200/2313/8515/8535 等； (正在淘汰或轉(zhuǎn)型到 Mega 中)高檔 ATmega 系列 AVR 單片機(jī): 主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存儲(chǔ)容量為 8/16/32/64/128 KB）以及 ATmega8515/8535 等。 AVR 器件引腳從 8 腳到 64 腳, 還有各種不同封裝供選擇。根據(jù)我們比賽的11需要，選擇了中檔 AT90S 系列 AVR 單片機(jī):AT90S85157.2 控制控制電電路介路介紹紹 這里只簡(jiǎn)單介紹機(jī)器人上單片機(jī)系統(tǒng)的各部分電路。圖 9 單片機(jī)系統(tǒng)AVR AT908515 單片機(jī)系統(tǒng)，包括單片機(jī)、時(shí)鐘晶振部分、單片機(jī)復(fù)位部分和單片機(jī)電源濾波部分。PC0PC7 為電磁閥控制部分。PA0PA7 為繼電器控制部分。圖 10 繼電器控制回路繼電器控制電路。由于單片機(jī) IO 斷口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以需要借助三極管放大電路來驅(qū)動(dòng)繼電器和電磁閥。12圖 11 放大電路整個(gè)系統(tǒng)的電源部分（穩(wěn)壓模塊）7。圖 12 穩(wěn)壓模塊8 以以 PLC 為為核心的控制系核心的控制系統(tǒng)統(tǒng)方案方案8.1 PLC 介介紹紹在制作了以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)之后，我們發(fā)現(xiàn)了一些單片機(jī)系統(tǒng)的問題。一個(gè)缺點(diǎn)就是可靠性不足。我們使用的控制電路從設(shè)計(jì)到印刷電路板到焊接元器件都是由自己完成，其中肯定有不足之處甚至是錯(cuò)誤。對(duì)于這樣的復(fù)雜控制系統(tǒng)來說，一點(diǎn)小失誤就有可能造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。特別是焊接元器件這一環(huán)節(jié)，很容易出現(xiàn)虛焊甚至短路這樣的缺陷。13另外單片機(jī)本身的抗干擾能力也比較有限。機(jī)器人自身的電路系統(tǒng)中有很多電動(dòng)機(jī)和繼電器等感性負(fù)載，在電流劇烈變化的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的感生電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)很高的電動(dòng)勢(shì)本身既能在線路上造成電磁感應(yīng)干擾，又能造成接點(diǎn)間電火花或電弧干擾，既瞬變?cè)肼暩蓴_。上述這些干擾都會(huì)對(duì)單片機(jī)的工作穩(wěn)定性造成很大的威脅。雖然有一些措施可以減少干擾對(duì)單片機(jī)的影響，比如安裝電磁屏蔽罩，以及在電路中使用光電隔離等等，但制作能力方面的不足恐怕無法避免。相比之下，PLC 是一種非常成熟的控制系統(tǒng)。它相當(dāng)于將單片機(jī)、繼電器和各種外圍電路集成到了一起，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性非常高，因此在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（Programmable logic Controller）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義：“PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 ” PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。大型 PLC 使用另外一個(gè) CPU 來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。PLC 的特點(diǎn)：（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造14（5）體積小，重量輕，能耗低PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）開關(guān)量的邏輯控制（2）模擬量控制（3）運(yùn)動(dòng)控制（4）過程控制（5）數(shù)據(jù)處理（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC 的構(gòu)成： 從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。8.2 PLC 的的選擇選擇 根據(jù)機(jī)器人的具體情況，應(yīng)所選用的 PLC 應(yīng)該滿足以下幾個(gè)基本條件： （1）采用直流工作電源 （2）體積小巧，重量輕 （3）采用 DC 輸入端子，繼電器輸出端子 （4）輸入/輸出點(diǎn)數(shù)至少各 16 個(gè)，并且輸出端子至少提供 2 組公共地 （5）輸入/輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展方便 （6）知名品牌，容易得到廣泛的技術(shù)支持 （7）價(jià)格合理 綜合以上因素考慮，最終選擇了 Panasonic NAIS FP2 系列 PLC 作為本控制系統(tǒng)的核心。15圖 13 FP2 PLCNAIS FP2 系列 PLC 是松下電工推出的小型模塊式 PLC，其體積小，功能強(qiáng)大，采用模塊化設(shè)計(jì)，可自由組合各部分功能，擴(kuò)展方便。其能夠?qū)崿F(xiàn)中型機(jī)的功能，安裝體積卻維持在小型機(jī)的水平上。其功能模塊可根據(jù)母板的情況自由選擇，母板提供 5、7、9、12、14 不同數(shù)量的模塊安裝位置，可根據(jù)需要自由安裝功能模塊8。 根據(jù)設(shè)計(jì)需要，我們選擇 FP2 系列的以下模塊進(jìn)行組合：（1）母板：FP2-BP05（2）電源單元：FP2-PSD2（DC 24V 工作電源）（3）CPU 單元：FP2-C1 標(biāo)準(zhǔn)型（4）I/O 單元：FP2-X16D2 DC 輸入（端子臺(tái)型）（5）I/O 單元：FP2-Y16R 繼電器輸出（端子臺(tái)型）以上單元共同組成 5 模塊型的基本組合。8.3 PLC 各各單單元介元介紹紹(1)母板：FP2-BP05圖 14 母板(2)電源單元：FP2-PSD2 16圖 15 電源單元 (3)CPU 單元：FP2-C1 標(biāo)準(zhǔn)型圖 16 CPU 單元17(4)I/O 單元：FP2-X16D2 DC 輸入圖 17 輸入單元 (5)I/O 單元：FP2-Y16R 繼電器輸出18圖 18 輸出單元8.4 控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)功能介功能介紹紹 采用 PLC 來控制手動(dòng)機(jī)器人，目的在于提高手動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)化程度。將19一些動(dòng)作交給 PLC 自動(dòng)完成，減少操作者的工作量，減少人工操作失誤的可能性。 整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人有以下幾個(gè)部分需要實(shí)時(shí)操作：機(jī)器人的前進(jìn)/后退及變速功能，還有吃球、送球等動(dòng)作需要通過 PLC 來控制。8.5 前前進(jìn)進(jìn)/后退，后退，變變速控制速控制及投球控制及投球控制 機(jī)器人的行走是通過直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。為了讓機(jī)器人能夠?qū)Νh(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)該讓機(jī)器人的行走狀態(tài)能夠隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。前進(jìn)和后退兩種模式是必須有的，此外還應(yīng)該讓機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)能夠隨時(shí)調(diào)整速度。使用了一種比較典型的控制方法，即用繼電器控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并增加兩個(gè)輸入不同電壓的正轉(zhuǎn)繼電器，以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)時(shí)的三擋變速。機(jī)器人的電源可以采用鎳氫電池組，所以不同電壓可以由電池組的不同抽頭輸出，比較方便。操作時(shí)，將遙控器操縱桿向前推，觸發(fā)前進(jìn)按鈕，此時(shí)電動(dòng)機(jī)一檔正傳，同時(shí)激活換檔模式。然后每按動(dòng)加擋按鈕一次，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高一檔，加到三檔后加擋按鈕失效；按動(dòng)減檔按鈕一次，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減一檔，減到一檔后減檔按鈕失效。如果操縱桿回到中間位置或向后推，則自動(dòng)退出換檔模式，加減檔按鈕都失效。當(dāng)機(jī)器人達(dá)到到快投籃的位置時(shí)，摁下瞄準(zhǔn)狀態(tài)鍵，若瞄準(zhǔn)，者發(fā)射球，若未瞄準(zhǔn)則前輪旋轉(zhuǎn)直至瞄準(zhǔn)狀態(tài).如將操縱桿向后推，則電動(dòng)機(jī)一檔反轉(zhuǎn)，且無換檔功能。8.5.1 /O 分配分配（1）I 口前進(jìn)按鈕后退按鈕加檔鍵退檔鍵投籃位置檢測(cè)瞄準(zhǔn)狀態(tài)吃球吐球光電開關(guān)觸發(fā)位控開關(guān)觸發(fā)（2）口：繼電器的控制一檔正轉(zhuǎn)20二檔正轉(zhuǎn)三檔正轉(zhuǎn)繼電器的控制反轉(zhuǎn)吃球正轉(zhuǎn)吐球反轉(zhuǎn)傳動(dòng)帶啟動(dòng)指示燈 前驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)8.5.2 程序梯形程序梯形圖圖： ： 圖 19 程序圖 程序中用到的指令介紹： (1)ST上升沿開始21概述:用于上升沿檢測(cè)的觸點(diǎn)指令，僅在檢測(cè)到信號(hào)上升沿的周期內(nèi)對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行邏輯處理。圖 20 上升沿指令ST、AN和 OR指令在 X0 發(fā)生從 OFF 到 ON 的變化后，Y10 僅輸出一個(gè)掃描周期。在機(jī)器人程序中，這個(gè)命令起到了非常重要的作用：每次觸發(fā)前進(jìn)按鈕時(shí)，換檔模式啟動(dòng)，并讓計(jì)數(shù)器復(fù)位，同時(shí)給計(jì)數(shù)器用的過程寄存器設(shè)定初始值，且只在觸發(fā)前進(jìn)按鈕的上升沿時(shí)才進(jìn)行復(fù)位和賦值，在隨后換檔模式的工作過程中不動(dòng)作，因此不會(huì)對(duì)其他程序產(chǎn)生影響。這個(gè)命令非常簡(jiǎn)單有效。(2)F0（MV）16 位數(shù)據(jù)傳輸概述：將 16 位數(shù)據(jù)復(fù)制到指定的 16 位區(qū)。其中 S 為 16 位常數(shù)或存放常數(shù)的 16 位區(qū)(源區(qū))，D 為 16 位區(qū)(目的區(qū))。當(dāng)觸發(fā)器 R0 為 ON 時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器 DT10 的內(nèi)容復(fù)制到數(shù)據(jù)寄存器 DT20。 在機(jī)器人程序中，這個(gè)命令被用來給計(jì)數(shù)器用的寄存器賦初始值。 22圖 21 數(shù)據(jù)傳送指令 (3)ST= 、 = 字比較: 相等時(shí)初始加載、大于等于時(shí)初始加載圖 22 比較指令概述：將兩個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)(16bit)項(xiàng)進(jìn)行比較作為運(yùn)算條件。根據(jù)比較的結(jié)果觸點(diǎn)閉合或斷開。S1 是被比較的 16 位常數(shù)或存放常數(shù)的 16 位區(qū)，S2 是被比較的 16 位常數(shù)或存放常數(shù)的 16 位區(qū)。分別將數(shù)據(jù)寄存器 DT0 的內(nèi)容與 K50 和 K60 進(jìn)行比較。若 DT0=K50，則外部輸出繼電器 Y30 為 ON；若 DT0K60，則外部輸出繼電器 Y31 為 ON。在機(jī)器人程序中，這個(gè)命令用來比較計(jì)數(shù)器計(jì)算的結(jié)果與擋位之間的關(guān)系，從而決定輸出檔位。(4)F118(UDC)加/減計(jì)數(shù)器概述：設(shè)置加/減計(jì)數(shù)器。圖 23 加減計(jì)數(shù)器指令S 是存放計(jì)數(shù)器預(yù)置值的 16 位常數(shù)或 16 位區(qū)，D 是計(jì)數(shù)器經(jīng)過值 16 位區(qū)。示例表示設(shè)置初始值，當(dāng)目標(biāo)值為 0 時(shí) R50 變?yōu)?ON。本程序示例可以用于控制指示燈，當(dāng)增或減工件達(dá)到某一數(shù)量時(shí)，使燈變亮。當(dāng)檢測(cè)到復(fù)位信號(hào) X2 的下降沿(ONOFF)時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器 DT10 中的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)?DT0 中。當(dāng) X0 處于OFF 狀態(tài)時(shí)，計(jì)數(shù)輸入 X1 會(huì)使 DT0 的數(shù)值遞減(減計(jì)數(shù)操作)。當(dāng) X0 處于 ON狀態(tài)時(shí)，計(jì)數(shù)輸入 X1 會(huì)使 DT0 的數(shù)值遞增(加計(jì)數(shù)操作)。寫指針當(dāng)經(jīng)過值 DT0 23= K0 時(shí)，特殊內(nèi)部繼電器 R900B(=標(biāo)志)將變?yōu)?ON，并且內(nèi)部繼電器 R50 也為ON。這個(gè)命令是換檔程序的核心。通過計(jì)數(shù)器的加減計(jì)算，得出換檔鍵的觸發(fā)次數(shù)，從而決定最終的檔位輸出0。8.6 自自動(dòng)動(dòng)送球控制送球控制按照前面的方案設(shè)計(jì)，吃球機(jī)構(gòu)將球拾起后，球會(huì)沿著機(jī)器人內(nèi)部的軌道落入輸送槽。在輸送槽中安裝紅外激光傳感器，一旦檢測(cè)到槽內(nèi)有球，則計(jì)時(shí) 3 秒（目的是下一個(gè)循環(huán)球射出后等待彈射機(jī)構(gòu)復(fù)位），然后自動(dòng)開啟傳送帶，將球輸送到彈射機(jī)構(gòu)的托盤上。托盤上安裝一個(gè)位控開關(guān)，球送到托盤上后觸發(fā)開關(guān)，傳送帶停止工作，此時(shí) ready 指示燈亮，提示操作者球已到位可以發(fā)射。當(dāng)球射出后又開始下一個(gè)循環(huán)。自動(dòng)送球程序的梯形圖圖 24 送球指令9 總結(jié)總結(jié)通過本畢業(yè)設(shè)計(jì)，使自己進(jìn)一步強(qiáng)化了工業(yè)自動(dòng)化的概念，能夠把大學(xué)期間學(xué)習(xí)的東西系統(tǒng)起來，學(xué)到了很多之前沒學(xué)到的，學(xué)的不精的東西。致致謝謝畢業(yè)論文是在叢老師的精心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題、方案的論證、理論和實(shí)驗(yàn)研究到論文的最后定稿，自始至終都得到了導(dǎo)師的親切關(guān)懷和悉心指點(diǎn)，每一步都傾注著導(dǎo)師的心血與汗水。叢老師對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求使我端正了學(xué)習(xí)態(tài)度，明確了畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，在她身上我學(xué)到的不僅僅是我畢業(yè)設(shè)計(jì)24中所涉及到的知識(shí)，更重要的是我學(xué)到了分析問題、解決問題的方法。另外，叢老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和求實(shí)精神、高尚的品德及忘我的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，并從中獲得很多人生啟迪。在此，我謹(jǐn)向叢老師致以最誠摯的謝意。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 周維 .人工智能與機(jī)器人控制的探討 C.全國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇論文集. 2 孫桓 .機(jī)械原理M.北京.第六版;高等教育出版社,2001:92-107.3 章宏甲 .液壓與氣壓傳動(dòng)M.北京.第一版;機(jī)械工業(yè)出版社，2001:138-161.254 齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)M.北京.第 3 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