1566-投籃機(jī)器人,投籃,機(jī)器人 河南科技學(xué)院2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：投籃機(jī)器人的動作設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：　 李風(fēng)雷 所在院系： 機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化導(dǎo)師姓名： 叢曉霞完成時間：2009 年 5 月 20 日1摘 要本 文 的 主 要 研 究 方 向 是 其 中 的 手 動 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 。首 先 對 手 動機(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 投 球裝 置 使 用 的 氣 動 控 制 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 了 設(shè) 計(jì) 。簡 單 介 紹 了 為 手 動 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 出 于 對 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 機(jī) 器 人 的 功 能 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 和 擴(kuò) 展 。關(guān)鍵詞：機(jī)器人，投球，氣動控制，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.Simply　introduced 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 錄1 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 ..........................................................................11.3 機(jī)器人競賽介紹 ..............................................................................................22 總體方案分析與策略 ................................................................................................23 行駛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ........................................................................................................34 吃球部分設(shè)計(jì) .............................................................................................................45 投球部分設(shè)計(jì) ............................................................................................................66 控制回路設(shè)計(jì) ............................................................................................................77 單片機(jī)控制系統(tǒng) ........................................................................................................77.1 AVR 單片機(jī)的特性 .......................................................................................77.2 控制電路介紹 ..................................................................................................88 以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)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 Ｉ/O 分配 ................................................................................................168.5.2 程序梯形圖： ........................................................................................178.6 自動送球控制 .................................................................................................209 總結(jié) ..........................................................................................................................20致謝 ..............................................................................................................................21參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................2241 引言1.1 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)一個國家基礎(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)展對人類社會的悲劇性影響，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。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)在人類社會中的歷史并不算長，1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(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)完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機(jī)械手臂動作，在動作過程中機(jī)器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機(jī)器人工作時，能再現(xiàn)人教給它的動作，并能自動重復(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，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 目前研究的概況和發(fā)展趨勢當(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 萬臺機(jī)器人正投入使用。中國于 1972 年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。我國于 1985 年研制成功第一臺弧焊機(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，我國從事機(jī)器人研發(fā)、制造的 單位已達(dá)200 多家。2000 年，我國工業(yè)機(jī)器人的擁有量約為 3500 臺，其中國 產(chǎn)的占五分之一。但是由于我國機(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)器人長期大量依賴進(jìn)口。研究與市場脫節(jié)是我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化過程中一個急需解決的問題。同時，我國的企 業(yè)也缺少大規(guī)模集成的經(jīng)驗(yàn)， 難以形成很強(qiáng)的競爭力 [1]。1.3 機(jī)器人競賽介紹近年來,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 選手競爭，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，即是科普活動的一個良好載體,同時也是基礎(chǔ)研究的一個大舞臺,不僅是有趣的娛樂項(xiàng)目同時也能反映出一個國家科技水平的高低。機(jī)器人競賽給青年人提供了一個充分展示聰敏才智的舞臺,培養(yǎng)了他們實(shí)際動手能力,團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,提高了創(chuàng)新能力, 更使大學(xué)生對相關(guān)學(xué)科的理論學(xué)習(xí)有了更直觀的認(rèn)識。同時，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，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，也帶動了其他相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的進(jìn)步。2 總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方面達(dá)到要求：(1)功能強(qiáng)大 為了能完成比投籃動作，必須具備高效、可靠的動作機(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 搶占場上優(yōu)勢最重要的手段。(4)堅(jiān)固穩(wěn)定 要考慮防止機(jī)器人傾覆的措施。63 行駛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)大多數(shù)手動機(jī)器人的驅(qū)動布局方案都是：采用兩臺電動機(jī)，分別驅(qū)動機(jī)器人后方的兩個主動輪，而前方安裝一個或兩個萬向輪作從動輪。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單。圖 1 雙電機(jī)驅(qū)動布局但是這種方案有一個缺點(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可以控制轉(zhuǎn)向的主動輪，由一臺電機(jī)控制它的轉(zhuǎn)向，一臺電動機(jī)控制其正反轉(zhuǎn)。圖 2 主動輪轉(zhuǎn)向方案7當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)動方向與車身方向垂直時，車身就會以 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)上增加一個差速器和一個主動輪，形成雙可控轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪+雙定向從動輪的布局。圖 3 雙主動輪加差速器方案選擇這種方案主要基于以下幾個原因：一是四輪布局要比三輪布局穩(wěn)定性高；二是如果主動輪只有一個，那么當(dāng)主動輪原地旋轉(zhuǎn)向時，其與地面接觸的部分是滑動摩擦，阻力比較大，且運(yùn)動不平穩(wěn)。我們使用電 機(jī)來控制主動輪的轉(zhuǎn)向，因此驅(qū)動阻力是個值得考慮的問題。如果采用雙主動輪+差速器的方案，那么主動輪原地轉(zhuǎn)向時，兩個主動輪 就是饒電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，與地面之間是滾動摩擦，阻力較小，運(yùn) 動平穩(wěn) [2]； 4 吃球部分設(shè)計(jì)對吃球機(jī)構(gòu)的要求是，能夠在較短的時間內(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角落，手動機(jī)器人應(yīng)該有足夠的靈活性來拾取這些燃料球。手動機(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)際上是一個三角形的傳送帶系統(tǒng)，有一條傳送帶，四個滾筒，其中一個是由電動機(jī)帶動的動力滾筒，其余三個是從動滾筒，分別起到支撐和預(yù)緊的作用。95 投球部分設(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。用直流電動機(jī)帶動風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動，將 風(fēng)扇靠近對方的燃料球，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。手動機(jī)器人攜帶一個儲滿高壓空氣的氣瓶，在機(jī)器人的特定位置引出一個噴嘴，用電 磁閥控制氣路的開關(guān)。將噴嘴對準(zhǔn)對方的燃料球，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。于是我們設(shè)計(jì)了另一種方案：利用氣缸作為動力元件，制作一個彈射機(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)， 觀察整個機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動速度，達(dá)到要求之后用螺紋扣件鎖死。G2 為氣缸， F2 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。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，我做兩個系統(tǒng)進(jìn)行比較。7 單片機(jī)控制系統(tǒng)7.1 AVR 單 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)時控制、 儀 器儀表、通 訊設(shè)備、家用電器等各個領(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 程序存儲器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI 、SPI、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、定 時器/ 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合的要求。AVR 單片機(jī)有 3 個檔次: 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 控制電路介紹這里只簡單介紹機(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。PC0~PC7 為電磁閥控制部分。PA0~PA7 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)動能力有限，所以需要借助三極管放大 電路來驅(qū)動繼電器和電磁閥。12圖 11 放大電路整個系統(tǒng)的電源部分（穩(wěn)壓模塊） [7]。圖 12 穩(wěn)壓模塊8 以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)方案8.1 PLC 介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誤。對于這樣的復(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)中有很多電動機(jī)和繼電器等感性負(fù)載，在電流劇烈變化的瞬間會產(chǎn)生很高的感生電動勢。這個很高的電動勢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，既瞬變噪聲干擾。上述 這些干擾都會 對單片機(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 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒 布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 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器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、 順序運(yùn)算、計(jì)時、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)。它以存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、 順序控制、定時、 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 儲器中。運(yùn)行時按存儲程序的內(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)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的 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，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）為一個模擬量。大型 PLC 使用另外一個 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，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（端子臺型）（5）I/O 單元：FP2-Y16R 繼電 器輸出（端子臺型）以上單元共同組成 5 模塊型的基本組合。8.3 PLC 各單元介紹(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 控制系統(tǒng)功能介紹采用 PLC 來控制手動機(jī)器人，目的在于提高手動機(jī)器人的自動化程度。將19一些動作交給 PLC 自動完成，減少操作者的工作量，減少人工操作失誤的可能性。整個手動機(jī)器人有以下幾個部分需要實(shí)時操作：機(jī)器人的前進(jìn)/后退及變速功能，還有吃球、送球等動作需要通過 PLC 來控制。8.5 前進(jìn)/后退，變速控制及投球控制機(jī)器人的行走是通過直流電動機(jī)驅(qū)動的。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)時能夠隨時調(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機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并增加兩個輸入不同電壓的正轉(zhuǎn)繼電器，以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)時的三擋變速。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，將遙控器操縱桿向前推，觸發(fā)前進(jìn)按鈕，此時電動機(jī)一檔正傳，同時激活換檔模式。然后每按 動加擋按鈕一次， 電動機(jī) 轉(zhuǎn)速提高一檔，加到三檔后加擋按鈕失效；按動減檔按鈕一次，電動機(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，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，則電動機(jī)一檔反轉(zhuǎn)，且無 換檔功能。8.5.1 Ｉ/O 分配（1）I 口 ?。兀薄　∏斑M(jìn)按鈕Ｘ２　　后退按 鈕Ｘ３　　加檔鍵Ｘ４　　退檔鍵Ｘ５　　投籃位置 檢測Ｘ７　　瞄準(zhǔn)狀 態(tài)Ｘ８　　吃球Ｘ９　　吐球ＸＡ　　光電開關(guān)觸 發(fā)ＸＢ　　位控開關(guān)觸 發(fā)（2）Ｏ口：　 Ｙ０　　繼電器Ｊ６的控制?。伲薄　∫粰n正轉(zhuǎn)20Ｙ２　　二檔正轉(zhuǎn)Ｙ３　　三檔正轉(zhuǎn)Ｙ４　　繼電器Ｊ２的控制Ｙ５　　反轉(zhuǎn)Ｙ６　　吃球正轉(zhuǎn)Ｙ７　　吐球反轉(zhuǎn)Ｙ８　　傳動帶啟動Ｙ９　　指示燈Ｙ Ａ　 前驅(qū)動輪電機(jī)8.5.2 程序梯形圖：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:用于上升沿檢測的觸點(diǎn)指令， 僅在檢測到信號上升沿的周期內(nèi) 對觸點(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 僅輸出一個掃描周期。在機(jī)器人程序中，這個命令起到了非常重要的作用：每次觸發(fā)前進(jìn)按鈕時，換檔模式啟動，并讓計(jì)數(shù)器復(fù)位，同時給計(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作，因此不會對其他程序產(chǎn)生影響。 這個命令非常簡單有效。(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，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 時初始加載、大于等于 時 初始加載圖 22 比較指令概述：將兩個字?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 DT0≥K60，則外部輸出繼電器 Y31 為 ON。在機(jī)器人程序中，這個命令用來比 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 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，使燈 變亮。當(dāng) 檢測到復(fù)位信號 X2 的下降沿(ON→OFF) 時，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， 計(jì)數(shù)輸入 X1 會使 DT0 的數(shù)值遞減(減 計(jì)數(shù)操作)。當(dāng) X0 處于 ON狀態(tài)時， 計(jì)數(shù)輸入 X1 會使 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，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 自動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 到槽內(nèi)有球， 則計(jì)時 3 秒（目的是下一個循環(huán)球射出后等待彈射機(jī)構(gòu)復(fù)位），然后自動開啟傳送帶，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 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循環(huán)。自動送球程序的梯形圖圖 24 送球指令9 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，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)[1] 周維 .人工智能與機(jī)器人控制的探討 [C].全國先進(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[M]. 北京.第一版; 機(jī)械工業(yè)出版社，2001:138-161.25[4] 齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M]. 北京.第 3 版; 機(jī)械工業(yè)出版社,2004 年 1 月:55-71.[5] 宗光華 .機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京. 第一版; 北京航空航天大學(xué)出版社,2004 年2 月:125-159.[6] 趙松年.機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京; 機(jī)械工業(yè)出版社，1997 年:166-189.[7] 胡建.單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)踐教程[M]. 北京; 機(jī)械工業(yè)出版社，2004:233-245.[8]（日）西原主計(jì) .機(jī)器人 C 語言機(jī)電一體化接口[M].北京;科學(xué)出版社，OHM 社，2002:24-77.[9] 陳洪 .采掘機(jī)器人遠(yuǎn)程無線遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程 ,1998,02.[10]（日）城井田勝仁.機(jī)器人組裝大全[M]. 北京; 科學(xué)出版社，OHM 社， 2002:67-90.[11] Craig J. Introduction to robotics[M]. New York;Addison-Wesley Publishing Company, 1986:23-43.[12] 陳建國.機(jī)器人產(chǎn)業(yè)：21 世紀(jì)最令人矚目的工業(yè) [J].安徽科技 ,2003,1-2 期合刊.[13] 盧業(yè)忠.世界機(jī)器人市場發(fā)展 [J] 電子產(chǎn)品世界 2003,2.[14] 劉祚時 .競賽機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制[J]. 機(jī)電工程,2005 年第 22 卷第 6 期.[15] 濮良貴 .機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京 .第七版; 高等教育出版社，2002：66-87.[16] 郭成 .微型四輪移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制 計(jì)算機(jī),2004 年 17 卷第 4 期.