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迎宾机器人解析
毕业论文
课题名称
迎宾机器人
院/专业
机械工程学院/机电一体化
班级
学号
学生姓名
指导教师:
2016年5月24日
摘要
随着社会日新月异的飞速发展,人的地位是显得越来越重要,一些比较枯燥无味的工作越来越没人愿意去做,让人类从一些简单枯燥的工作中解放出来成为一种必然的趋势。
而迎宾机器人的出现,就完美的解决了这一系列的问题。
不仅可以代替人去工作,而且节省了开支,可谓是一举两得。
在实际应用中,迎宾机器人已经开始慢慢的在生活中崭露头角。
上海海底捞火锅,包括隆力奇生物有限公司等,都已经开始使用迎宾机器人,取得了相当令人满意的成果。
因此我决定用PLC为控制器,光电传感器为检测器,步进电机为驱动器,设计一个迎宾机器人。
关键词:
PLC、迎宾机器人、光电传感器、步进电机
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofsocialchangeswitheachpassingday,theperson'sstatusismoreandmoreimportant,noonewouldliketodosomeboringwork.Itisbeinganinevitabletrendtoletthehumanliberatefromsomesimpleboringwork.Withtheappearanceoftherobotreceptionists,itsolvesseriesofproblemseffectively.Notonlycanreplacehumantowork,andsavetheexpenses,itmaybesaidtokilltwobirdswithonestone.
Therobotreceptionistshavebeguntoslowlycutafigureinthelifeinpractice.Haidilaohotpot,thebossofhotpotindustryinShanghai,includingmanyrestaurantsandplacesofpublicservicesuchasllqbiotechnology,whichhavebeguntouserobotreceptionists,andobtainedfairlysatisfactoryresults.
SoIdecidedtousePLCasthecontroller,photoelectricsensorasthedetector,stepmotorasactuator,todesignarobotreceptionist.
Keywords:
PLC,Roboticreceptionists,Photoelectricsensor,Steppermotor
目录
第一章绪论1
1.1本课题的背景及意义1
1.2迎宾机器人的当前状况与前景展望1
1.3迎宾机器人的组成2
1.4本设计的主要内容2
第二章迎宾机器人的总体方案3
2.1本设计的仿真迎宾机器人的试样要求3
2.2仿真迎宾机器人的总体方案3
第三章机械结构的设计及硬件的选择4
3.1步进驱动系统4
3.2电动推杆6
3.3光电传感器8
3.4手臂装配图及关键部位零件图10
第四章可编程控制器PLC11
4.1可编程控制器PLC11
4.2PLC系统的选择与设计12
第五章迎宾机器人的电气设计及控制程序14
5.1PLC系统控制原理14
5.2PLCI/O分配表15
5.3PLC外部接线图15
5.4PLC梯形图16
第六章整机调试的问题及解决办法23
致谢26
参考文献27
第一章绪论
1.1本课题的背景及意义
2007年,著名的比尔·盖茨先生曾经在一次会议中说过“家家都有机器人”。
由此看来,在未来的某一刻,机器人就如我们的家人一样,成为一个家庭中不可缺少的一名重要成员。
就全球的市场状况而言,市场已经有了不下超过百万台服务型机器人。
这个数字,不仅仅代表数量,更重要的是一种趋势,机器人的发展脚步将会越来越快。
在实际生活中,也有不少成功的例子,例如,扫地拖地机器人已经成功的融入到广大家庭中;医疗机器人也在手术领域大放光彩。
由此看来,服务型机器人已经慢慢地在融入到人们的日常生活中。
在未来,地球上只会有三种人,男人,女人,机器人。
而迎宾机器人作为服务型机器人大家族中的一个重要成员,自然也不能落后。
迎宾机器人不仅仅能够取代酒店、餐厅等服务场所的迎宾工作,而且它作为智能科技的一种的发展趋势,会更具有亲和力。
1.2迎宾机器人的当前状况与前景展望
就我们现有的市场而言,迎宾机器人产业可以说是一片空白。
就拿使用率最高的家庭服务机器人来举例。
在中国,家庭服务机器人年销售总额高达11亿,然而在沿海城市普及率却只有不到5%,内地城市为0.4%,而美国家庭却已经达到了16%。
这一问题最主要的原因就是高昂的价格,一些中低收入的家庭根本无福消受。
但是高速发展的科技降低了机器人的成本,使得服务型机器人会越来越受到青睐。
放眼国内各大企业,中小型企业已经成为了服务型机器人的主力载体。
在已有的市场中,扫地机器人、教育机器人、AGV等几种类型在生产方面已经有了一些规模。
并且在实际生产中,一些企业已经取得了相当明显的效果,例如科沃斯机器人,在扫地机器人取得了良好的业绩;穿山甲机器人公司,在送餐机器人以及迎宾机器人,俨然走在了行业的前沿。
根据调查显示,日前,在全世界范围内,最少有49个国家在研究机器人。
有接近一半的国家已开始对服务型机器人研发。
在美国、日本和欧洲的一些国家,截止到今天,存在8种类别共51款服务型机器人进入研发和产业生产中。
在不久的将来,工业机器人和服务机器人的关系将会发生彻底的改变。
所以,从长远的发展角度来说,服务机器人的需求量将会远远的大于工业机器人需求量。
同时,也就意味着的服务型机器人在未来会有一个巨大的市场等待着挖掘。
1.3迎宾机器人的组成
迎宾机器人的结构大概可以分成两部分来说,第一是机械结构部分,第二是电气控制部分。
机械结构部分:
迎宾机器人主要部位就是两个手臂,分别是四个电机和钣金件支架组成,手臂的各个关节依靠光电传感器定位,腰部是由电动推杆组成,腰部以下是一块电气控制板,底部是一个圆形的底盘作为整个身体的支撑。
电气控制部分:
主要部分集中在电气控制板上,PLC是核心控制中心,以及电磁继电器等电气元件,底盘上有一块蓄电池为整个机器人提供动力。
1.4本设计的主要内容
本设计以《非标准设备设计手册》、《自动化设备设计标准》、《机械设备设计标准》为参照标准,对总体方案进行设计。
本设计的主要内容如下:
(1)制定合理的方案设计
(2)选型合理的光电传感器、步进电机、电动推杆
(3)电气原理图设计与出图
(4)机械装备图的设计与出图
(5)PLC系统设计与PLC选择
(6)PLC系统程序梯形图
第二章迎宾机器人的总体方案
严格参照《非标准设备设计手册》、《自动化设备设计的标准》以及《机械设备设计标准》的相关规定,最终制定此方案设计。
2.1本设计的仿真迎宾机器人的试样要求
(1)外形与人差不多,高度160cm,上身与下身比例协调。
(2)机器人安置好位置后,顾客从机器人前面经过时,会触发感应传感器,做出欢迎光临的动作;当顾客离开的时候,同样能触发感应传感器,做出欢迎下次再来的动作。
2.2仿真迎宾机器人的总体方案
根据市场的需求及实际情况,再结合本设计的具体要求,制定出以下迎宾机器人的总体设计方案:
(1)当顾客从机器人前面经过时,会触发感应传感器,机器人伸出右手,弯曲左手,做出欢迎光临的动作;顾客离开时同样会触发感应传感器,做出欢迎再来的动作,即欢迎光临的反向动作。
(2)迎宾机器人的运行由PLC控制实现。
(3)迎宾机器人机械结构由步进电机、电动推杆、光电传感器,电源及电控板组成。
主要实现迎宾的的功能。
第三章机械结构的设计及硬件的选择
3.1步进驱动系统
步进驱动系统使本设计中迎宾机器人的主要动力系统。
它主要由两大部分构成,一是步进电机,二是步进电机驱动器。
3.1.1步进电机
步进电机是一种讲数字脉冲转换为阶梯波电压,并在此电压驱动下作步进动作的电动机。
施加一个脉冲信号,步进电动机就前进一个步距。
它由步进电动机本体、驱动电路和控制电路构成,其系统框图如图3.1所示。
图3.1步进电动机系统框图
步进电机的选型要涉及到许多因素,其中比较重要的三个分别是步距角、静转矩、及电机最大工作电流这三个因素。
由于机器人工作环境对噪音有要求,所以噪音也是一个很重要的选择指标。
(1)步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。
(2)静力矩的选择
实际情况中,步进电机的动态力矩不容易测量,一般都是转换为测量电机的静力矩。
选择电机的静力矩,主要的因素是电机工作的负载。
正常来说,只要把电机的静力矩确定了,电机的外形尺寸也就定了下来。
(3)电流的选择
在电机的静力矩相同的情况下,电流大小不一样,他的运行特性差异也不一样,这可以根据矩频特性曲线图来确定电机的电流。
(4)噪音的选择
较强的噪声对人的生理与心理会产生不良影响。
迎宾机器人多用于餐厅,宾馆等服务型场所,工作期间必须保持一定的安静,故噪音是个很重的指标。
根据实际情况及以上电机选型的要求,需要的参数为步距角1.8度,静力矩大于1.0N.m,额定电流3A,噪音小于50dB。
结合仿真迎宾机器人手臂的大小及成本质量等方面的考虑,本设计决定选择步进电机选型为瑞德NEMA23行星减速步进电机,型号为23HS2450-01,其各项参数如表3-1.
表3.1瑞德23HS2450-01步进电机各项参数表
23HS2450-01电气性能参数
名称
单位
规格
步距角
度(°)
1.8
相数
2
电流
A
3
保持力矩
N.m
1.1
电阻
Ω
0.72±10
电感
mH
2.5±50
噪音
dB
≤45
图3.2瑞德23HS2450-01步进电机安装尺寸图
3.1.2步进电机驱动器
驱动器是一种能够将脉冲信号转化为电机角位移的装置。
当一个脉冲信号被驱动器接收时,它能够驱动步进电机运转,按照预定的方向转动。
因此,他能够以脉冲的数量来控制电机转动的角位移,这样就能保证定位的精确性。
步进电机驱动器型号的确定一般看以下三个参数。
(1)驱动器的电流电压
一般情况下,步进电机驱动器的最大工作电流要大于电机的电流,这样才能保证电机的正常运转。
另外,电流同样也是决定了驱动器能力的大小,是非常重要的一个参数。
(2)驱动器供电电压
供电电压是判断驱动器升速能力的标志。
本次设计中所需要的电压为24V即可达到要求。
(3)驱动器的细分
细分是用来控制电机的精度,通过改变细分能改变精度。
它能增加电机运转的稳定性,因为一般的步进电机都有低频振动的缺点,所以加大细分能够减少震动,达到电机平稳运行的目的。
根据电机的实际需求,选择雷赛M542型驱动器。
表3.2雷赛M542驱动器各项电气参数表
说明
最小值
典型值
最大值
单位
输出电流
1.0
-
4.2
A
输入电源电压
18
36
48
VDC
控制信号输入电流
7
10
76
mA
步进脉冲频率
0
-
200
KHz
3.1.3步进电机与驱动器的连接:
驱动器与步进电机一般分为两种连接方法,差分接法和共阳(阴)极接法,下面以M542为例。
图3.3M542驱动器典型接法
在图3.3中,左图为差分接法,右图为共阳极接法。
3.2电动推杆
电动推杆由电机和推拉杆构成的一种装置。
它能够将电机的旋转运动转化为
在本设计中,迎宾机器人的弯腰主要依靠电动推杆来完成。
本次用到的电动推杆主要根据一下几个方面来选择:
(1)行程
行程是电动推杆的一个主要参数。
根据本设计中机器人弯腰的幅度,推算出电动推杆的行程。
(2)速度
电动推杆的速度都是固定的,不可调节,因此,速度也是一个主要的选型依据。
因为本设计中的机器人是模仿人的,所以弯腰速度和正常的人弯腰速度差不多。
据此可以算出想要的电动推杆
(3)负载
本次设计的迎宾机器人的主要身体框架是钣金件,根据各个部分大概推算了一下,整体重量是60kg左右,而腰部以上在30kg左右。
因此,考虑到实际情况及安全问题,电动推杆的负载不能小于400N。
(4)噪音
噪音不是电动推杆的一个主要参数,但是对于本次设计的产品,迎宾机器人来说,确是个非常重要的参数。
太大的噪音会在整体上严重影响顾客对迎宾机器人的感受。
因此,对于噪音,必须要在50dB以下才能够保迎宾机器人工作时不会发出太大的噪音,影响顾客的感受。
根据以上的几个方便,综合市场已有的各种电动推杆,决定选择XC758型电动推杆,以下该型电动推杆的各项参数。
表3.3XC758型电动推杆各项参数表
行程
100mm
速度
7mm/s
负载
750N
噪音等级
≤42dB
图3.4XC758型电动推杆安装尺寸图
3.3光电传感器
光电传感器是一种将光信号转化为电信号的元器件,工作原理如图3.5。
图3.5光电传感器的工作原理图
其选型主要考虑有三点:
槽宽要多宽的;分辨率(光缝宽度);固定方式
(1)槽宽,
被检测物要穿过槽型光耦的槽,这样才能遮挡住红外光,因此光电传感器的槽宽要大于被检测物,为了实际安装的方便,还要留有一定的余量才行。
(2)槽型光耦的分辨率
假设被检测物为一个齿盘,她得齿盘齿的宽度是h,齿盘齿槽的宽度是4,则槽型光耦的光缝宽度要求小于h,且小于f,这样才能保证将红外光有效的阻断和导。
在上述条件下都满足的情况之下,优先选择光缝比较大的槽型光耦。
(3)安装位置
传感器安装时,应使检测齿盘的外径超过槽型光耦光轴1-2mm。
这样才能有效阻断光线。
根据以上的几个方便以及对市场已有的各种光电传感器分析,决定选择SUNXPM-Y44型光电传感器,表3-4位该型传感器的各项参数。
表3.4SUNXPM-Y44型光电传感器各项参数表
检测距离
5mm(固定)
最小检测物体
0.8*1.8,mm非透明物体
重复精度
0.03mm以下
电源电压
5-24VDC±10%;脉动P-P10%以下
输出类型
NPN输出型;
反应时间
入光时:
20us以下;遮光时:
100us以下
工作状态指示灯
红色LED(入光亮起)
3.1.1SUNPMY-44型光电传感器连接及安装
该型传感器共有四根线,分别是褐色、黑色、白色已经蓝色。
褐色为电源正极;蓝色为负极;白色为常闭信号线;黑色为敞开信号线。
图3.5为连接示意图
图3.5SUNPM-Y44型光电传感器连接图
图3.6SUNPM-Y44型光电传感器安装尺寸图
3.4手臂装配图及关键部位零件图
见附图,YBJQR-01手臂装备图,YBJQR-02明细表,YBJQR-03手腕法兰,YBJWQR-04横板,YBJWQR-05电机支架,YBJWQR-13直齿轮1,YBJWQR-14直齿轮2
第四章可编程控制器PLC
4.1可编程控制器PLC
可编程控制器一般简称为PLC,是一种在传统的电气控制技术和计算机技术的基础上融合了自动化技术、计算机技术和通信技术而不断发展完善起来的新型工业控制装置,具有使用方便、编程简单、可靠性高、易于维护等优点,在工业控制领域应用十分广泛。
4.1.1PLC组成结构以及工作方式
最基本的结构由控制部分、输入和输出部分构成。
如图4-1所示。
主要组成部分与个人电脑相似,主要包含中央处理器、存储器、输入输出接口电路、电源、手持编程器以及输入输出I/O扩展接口。
图4.1PLC结构框图
工作方式采用循环扫描方式,中央处理器从第一条指令开始执行,按指令序号做周期循环扫描,一个循环即为一个周期,周期长短取决于CPU执行指令速度,执行一条指令的占用时间,程序指令数量的多少。
PLC的一个循环周期一般分为三个阶段,如图4.2所示。
第一阶段,输入扫描,中央处理器扫描所有输入端口,读取端口状态并记入输入状态寄存器,记入完成后,关闭端口进入下一阶段。
第二阶段,程序执行,逐条执行被输入的指令,并将相应的逻辑运算结果存入对应寄存器,该阶段工作完成后,进入下一阶段。
第三阶段,输出扫描,所有指令完成后,将输出状态寄存器中的内容,按顺序输送到锁存电路,并输出驱动外部相应的执行元件工作,完成PLC的实际工作内容。
图4.2PLC的工作过程框图
4.1.2可编程控制器的工作原理
早期的PLC主要用于代替传统的继电器-接触器构成的控制装置,但是这两者的运行方式不同。
继电器控制装置采用硬逻辑并行的方式,如果一个继电器的线圈通电或断电,改继电器的所有厨电(常开触点/常闭触点)不论在控制电路的哪个位置,都会立即同时动作。
而PLC则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式,即如果一个线圈接通或断开,该线圈所有的触点不会立即动作,必须等待扫描到该触点时才动作,为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异,考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在100ms以上,而PLC扫描用户程序时间一般小于100ms,PLC采用了一种不同于一般卫星计算机的运行方式-循环扫描。
4.2PLC系统的选择与设计
本设计的真空包装机所需要的I/O点点数,输入点数为31个,输出点为27个。
鉴于此迎宾机器人的结构和程序都比较简单,所以本设计选用的可编程控制器只需具有一般顺序控制的功能就能满足本设计的迎宾机器人。
适用场合一般均可以。
设计留有余量,控制成本等诸多因素决定,本设计初选可编程控制器为松下FP-XC60RD/TD
松下FP-XC60RD/TD型PLC,适合在小型环境中进行控制。
它具有卓越的性能、串行36输出点:
24继电器输出,系统配置即固定又灵活,编程简单,备有可自由选择,丰富的品种,令人放心的高性能,高速运算,使用于多种特殊用途,外部机器通讯简单化,共同的外部设备。
鉴于松下FP-XC60RD/TD可编程控制器的各项参数及功能符合本设计对于可编程控制器的要求,所以本设计决定使用该型号的PLC。
第五章迎宾机器人的电气设计及控制程序
5.1PLC系统控制原理
系统控制原理图如图5.1所示。
图5.1系统控制原理图
系统控制工作原理:
当有人从迎宾机器人前面经过时,传感器会检测到信号,控制迎宾机器人做出欢迎光临的动作,即右手臂伸出,左手臂弯曲,同时会弯腰。
完成迎宾动作后,复位到原始站立的位置。
这样就实现了一个完整的迎宾过程。
5.2PLCI/O分配表
I/O分配表如表5.1所示
表5.1迎宾机器人I/O口表
输入I点
输出O点
弯腰原点
X0
左大臂上下脉冲
Y0
左大臂原点
X1
左大臂上下脉冲
Y1
左小臂原点
X2
左肩部前后脉冲
Y2
右大臂原点
X3
左肩部前后脉冲
Y3
右小臂原点
X4
右大臂上下脉冲
Y4
左肩部原点
X5
右大臂上下脉冲
Y5
左手腕原点
X6
右肩部前后脉冲
Y6
右肩部原点
X7
右肩部前后脉冲
Y7
右手腕原点
X8
左小臂弯曲
Y8
左底部传感器
X9
左小臂伸直
Y9
右底部传感器
XA
右小臂弯曲
YA
右进门切换
XF
右小臂伸直
YB
左进门切换
X10
弯腰
YC
换衣服按钮
X11
伸腰
YD
手自动切换
X12
左手腕内转动
Y10
左手腕外转动
Y11
右手腕内转动
Y12
右手腕外转动
Y13
5.3PLC外部接线图
见附图:
迎宾机器人PLC外部接线图
5.4PLC梯形图
第六章整机调试的问题及解决办法
根据本设计的要求及相关规定,做出了迎宾机器人的样机,图6.1所示为完整的样机实物图。
图6.1迎宾机器人样机实物图
图6.2为身着另一种服装正在执行迎宾动作的迎宾机器人。
图6.2迎宾时的迎宾机器人
在样机出来之后,进行了一系列的整机调试及测试,也遇到了许多的问题。
从大体上可以分为以下几个部分。
(1)齿轮啮合问题
在实际测试中,迎宾机器人机械结构方面的问题属于比较严重的方面。
最为严重第一个问题就是,齿轮啮合问题,经过多次的测试,发现齿轮啮合总是会出现打滑现象,从而导致机器人手臂动作过于缓慢,迎宾动作不协调。
有时候也会出现手臂弯曲不能到达指定位置,从而光电传感器无法正常的感应到信号,PLC就无法发出下一步的指令,导致接下来的一系列动作终止,严重影响的迎宾机器人的正常工作
问题原因
经过多次测试发现,齿轮啮合最主要的原因就是齿轮与轴的连接是采用顶丝来固定的,而顶丝在机器人运转时,经常出现松动现象,导致齿轮与轴直径存在相对滑动,进而齿轮就无法正常的啮合。
而顶丝之所以容易松动,最主要就是因为顶丝的太软,硬度不够。
解决方法
更换顶丝,购置12.9级的顶丝,并且在顶丝拧到位后,加滴一滴螺纹胶加固顶丝与齿轮的连接。
经过这样的改进之后,齿轮啮合问题得到了改善,取得了非常好的效果。
(2)钣金件变形
第二个机械结构问题就是在整机测试中,发现手臂发生了轻微的变形,部分地方变形较为严重,不仅在外观上影响到机器人的美观,更重要的是影响到光电传感器的正常工作。
问题原因
考虑本次出的是样机,故选钣金件多采用铝作为主要材料,价格便宜切易加工。
而铝质地软,易变形。
这也是当时一个重要的欠考虑的地方。
解决方法
更换机器人手臂的材料,选用更为硬的钢或者合金作为机器人手臂的新材料,这样的变形的问题就迎刃而解。
(3)组装问题
在实际组装过程中,发现很多配合件不能轻松的组装在一起,不是过于紧,就是间隙太大,松动太严重。
尽管组装严格按照要求执行,问题却依然存在。
问题原因
由于是样机,不是大批量的生产,机器人的大部分零部件大的厂家不接单,智能寻找一些小的加工坊进行加工。
然后,很多加工坊不是很规范,图纸上已经表的很清楚,是什么有的配合,公差尺寸多少,但是并不能安装要求来加工,致使拿到手的零部件不是很标准,给组装带来的极大的麻烦,也影响的机器人的整体测试效果。
解决方法
寻找其余更为规范的加工厂家,严格按照图纸进行加工,这样就能保证组装的顺畅和测试的整体效果。
(4)电气控制板比较乱
在电气线路全部接好后发现,电路控制板比较乱,走线槽里的电线有溢出的现象,不仅影响电气控制板的美观,也为调试及维修带来的极大的不便
问题原因
在设计之前,没有考虑到电线的直径大小,选择的用0.5mm比较通用的电线,而0.5mm的最大电流是5A,这个远远超过了电气控制的电流,不仅在资源上是一种浪费,在接线后的整理中也带来很大的困难。
解决方法
问题原因比较清晰,根据电流
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