李风雷投篮机器人的动作设计.docx
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李风雷投篮机器人的动作设计
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
投篮机器人的动作设计
学生姓名：
李风雷
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
丛晓霞
完成时间：
2009年5月20日
摘要
本文的主要研究方向是其中的手动机器人控制系统设计。
首先对手动机器人的行走方案﹑吃球方案、投球方案进行讨论和设计，随后又对投球装置使用的气动控制系统进行了设计。
简单介绍了为手动机器人设计的以单片机为核心的控制系统。
同时出于对稳定性的考虑，设计了以PLC为核心的控制系统，并以此为重点，对机器人的功能进行设计和扩展。
关键词：
机器人，投球，气动控制，PLC控制
Abstract
Themainresearchdirectionofthisarticleismanualrobotcontrolsystemdesign.Firstofallwecarryonthediscussionandthedesigntothemanualrobotwalkingplan,ballcollectingplan,ballshootingplan,afterwardstodesignthepneumaticcontrolsystemofballshootingsystem.Simply introducedthecontrolsystemtakesSCMasthecoredesignedforthemanualrobot.Simultaneouslybaseonthestableconsideration,wedesignedacontrolsystemtakesPLCasthecore,andtakethisasthekeypoint,carriesonthedesignandtheexpansiontotherobotfunction.
Keywords:
Robot,Shootingball,Pneumaticcontrol,PLCcontrol
1引言
1.1机器人概述
机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。
1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。
在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。
该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。
在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。
后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。
在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。
为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
（1）机器人不应伤害人类；
（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
这是给机器人赋予的伦理性纲领。
机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。
机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。
机器人发展到现在，可以分为三代：
第一代是示教再现型机器人：
它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。
当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。
这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。
第二代是有感觉的机器人：
它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。
机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。
第三代是具有智能的机器人：
智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。
目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。
1.2目前研究的概况和发展趋势
当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。
据粗略估算，全球现在至少有76万台机器人正投入使用。
中国于1972年开始研制自己的工业机器人。
我国于1985年研制成功第一台弧焊机器人，距世界最早的机器人实用机型推出晚了23年。
目前，我国从事机器人研发、制造的单位已达200多家。
2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中国产的占五分之一。
但是由于我国机器人产业化起步较晚，步伐较慢，基础工业力量比较薄弱，致使工业机器人长期大量依赖进口。
研究与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。
同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力[1]。
1.3机器人竞赛介绍
近年来,随着计算机、传感器和人工智能等技术的飞速进步，机器人科学得到了前所未有的发展.在制造行业中，尤其是汽车工业,机器人已经成为生产线上的主力，可以说一个企业其生产线上机器人的质量和数量几乎可以说明这个企业的生产效率和水平。
不仅如此，机器人的应用也扩展到很多其他领域，比如侦察、探测机器人，护理机器人，农业机器人，甚至还有家用的清洁机器人……而各类机器人竞赛就是近年来发展起来的一种新兴事物。
通常情况下，比赛发布一个目标和一套规则，参赛选手据此设计机器人，与其他选手竞争，从而赢得比赛。
机器人比赛集合科技、教育、比赛、娱乐于一体，即是科普活动的一个良好载体,同时也是基础研究的一个大舞台,不仅是有趣的娱乐项目同时也能反映出一个国家科技水平的高低。
机器人竞赛给青年人提供了一个充分展示聪敏才智的舞台,培养了他们实际动手能力,团队协作能力,提高了创新能力,更使大学生对相关学科的理论学习有了更直观的认识。
同时，这些非工业用途的研究型和教学型机器人，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接经济价值。
这类机器人往往是各种学科最新技术的交叉实验平台，在新型机器人上应用的技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了机器人自身的发展，也带动了其他相关领域产品的进步。
2总体方案分析与策略
要想实现投篮的功能，机器人必须在以下几个方面达到要求：
（1）功能强大为了能完成比投篮动作，必须具备高效、可靠的动作机构。
（2）信息处理能力强需要按照一定的路线行进，对环境位置信息进行处理和判断，以便完成既定任务。
（3）速度快速度是抢占场上优势最重要的手段。
（4）坚固稳定要考虑防止机器人倾覆的措施。
3行驶机构的设计
大多数手动机器人的驱动布局方案都是：
采用两台电动机，分别驱动机器人后方的两个主动轮，而前方安装一个或两个万向轮作从动轮。
这种方案的优点是转向控制方便。
没有复杂的转向机构，通过分别控制两个电机的正反转就能使机器人转向，无论从结构上还是电路控制上都比较简单。
图1双电机驱动布局
但是这种方案有一个缺点，那就是很难让机器人在原地绕某一点精确地旋转。
而只有做到能够精确旋转，才能让机器人的定向发射机构进行精确瞄准。
于是设计了另一种方案：
在车体后部安装一个可以控制转向的主动轮，由一台电机控制它的转向，一台电动机控制其正反转。
图2主动轮转向方案
当主动轮转动方向与车身方向垂直时，车身就会以O点为圆心旋转，箭头所示就是车体的瞄准方向。
通过微调主动轮前后旋转，可以比较容易地实现车体的精确瞄准。
但最终没有采用这种方案，而是在前面方案的基础上增加一个差速器和一个主动轮，形成双可控转向驱动轮+双定向从动轮的布局。
图3双主动轮加差速器方案
选择这种方案主要基于以下几个原因：
一是四轮布局要比三轮布局稳定性高；二是如果主动轮只有一个，那么当主动轮原地旋转向时，其与地面接触的部分是滑动摩擦，阻力比较大，且运动不平稳。
我们使用电机来控制主动轮的转向，因此驱动阻力是个值得考虑的问题。
如果采用双主动轮+差速器的方案，那么主动轮原地转向时，两个主动轮就是饶电机主轴旋转，与地面之间是滚动摩擦，阻力较小，运动平稳[2]；
4吃球部分设计
对吃球机构的要求是，能够在较短的时间内尽可能地将球拾取到机器人内的指定位置。
另外如果球散落各个角落，手动机器人应该有足够的灵活性来拾取这些燃料球。
手动机器人的球发射机构通常距离地面有一定距离，所以还需要特定机构将球提升到指定高度。
我的设计方案是将拾取机构和提升机构和为一体。
图4吃球路径
如图所示，吃球模块是由电机带动的胶皮传送带，与地面的距离略微小于燃料球的直径，因此能够利用传送带和地面夹紧燃料球，同时将其沿内舌板与吃球模块组成的通道输送到球舱，球舱里的球在重力的作用下落入传送槽，在此由横向传送带送入发射位置。
图5吃球机构结构图
吃球模块实际上是一个三角形的传送带系统，有一条传送带，四个滚筒，其中一个是由电动机带动的动力滚筒，其余三个是从动滚筒，分别起到支撑和预紧的作用。
5投球部分设计
经过初步讨论，设计了几种备选方案。
一是用风扇。
用直流电动机带动风扇高速转动，将风扇靠近对方的燃料球，用高速气流将燃料球吹离篝火盘。
图6风扇方案
二是用压缩空气。
手动机器人携带一个储满高压空气的气瓶，在机器人的特定位置引出一个喷嘴，用电磁阀控制气路的开关。
将喷嘴对准对方的燃料球，利用喷射出高压气体将球逐出篝火盘。
图7吹气方案
但是这两种方法都有缺点，那就是作用距离近，而且击球的力量也比较小。
于是我们设计了另一种方案：
利用气缸作为动力元件，制作一个弹射机构。
经过试验，这种方法十分有效。
球的弹射距离非常远，能达到3米以上，撞击力量也很大。
配合手动机器人上安装的可见红外激光瞄准器，射击精度也非常高。
图8弹射机构示意图
6控制回路设计
经过研究决定气缸用二位五通电磁阀控制。
为了调节气缸运动速度，使用节流调速回路，在电磁阀的出气口分别安装节流阀。
节流阀的流量需要经过实验反复调节，观察整个机构的运动速度，达到要求之后用螺纹扣件锁死。
G2为气缸，F2为二位五通电磁阀，J2和J6分别为电磁阀两种状态下的出气节流阀。
在正常情况下电磁阀电源断开，高压气体从气缸前端进入，气缸处于缩回状态并保持不动。
当发射命令产生，电磁阀电源接通，高压气体从气缸末端进入，气缸前端气体经节流阀调速后排出，使气缸按照一定速度伸出，从而驱动射球机构将球射出[3]。
以下为投篮机器人的控制系统的设计，由于单片机和plc均可，我做两个系统进行比较。
7单片机控制系统
7.1AVR单片机的特性
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口……）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SoC”过渡的发展方向。
AVR系列单片机的选型
AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要求。
AVR单片机有3个档次:
低档Tiny系列AVR单片机:
主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；
中档AT90S系列AVR单片机:
主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；（正在淘汰或转型到Mega中）
高档ATmega系列AVR单片机:
主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。
AVR器件引脚从8脚到64脚,还有各种不同封装供选择。
根据我们比赛的需要，选择了中档AT90S系列AVR单片机:
AT90S8515
7.2控制电路介绍
这里只简单介绍机器人上单片机系统的各部分电路。
图9单片机系统
AVRAT908515单片机系统，包括单片机、时钟晶振部分、单片机复位部分和单片机电源滤波部分。
PC0~PC7为电磁阀控制部分。
PA0~PA7为继电器控制部分。
图10继电器控制回路
继电器控制电路。
由于单片机IO断口驱动能力有限，所以需要借助三极管放大电路来驱动继电器和电磁阀。
图11放大电路
整个系统的电源部分（稳压模块）[7]。
图12稳压模块
8以PLC为核心的控制系统方案
8.1PLC介绍
在制作了以单片机为核心的控制系统之后，我们发现了一些单片机系统的问题。
一个缺点就是可靠性不足。
我们使用的控制电路从设计到印刷电路板到焊接元器件都是由自己完成，其中肯定有不足之处甚至是错误。
对于这样的复杂控制系统来说，一点小失误就有可能造成整个系统的崩溃。
特别是焊接元器件这一环节，很容易出现虚焊甚至短路这样的缺陷。
另外单片机本身的抗干扰能力也比较有限。
机器人自身的电路系统中有很多电动机和继电器等感性负载，在电流剧烈变化的瞬间会产生很高的感生电动势。
这个很高的电动势本身既能在线路上造成电磁感应干扰，又能造成接点间电火花或电弧干扰，既瞬变噪声干扰。
上述这些干扰都会对单片机的工作稳定性造成很大的威胁。
虽然有一些措施可以减少干扰对单片机的影响，比如安装电磁屏蔽罩，以及在电路中使用光电隔离等等，但制作能力方面的不足恐怕无法避免。
相比之下，PLC是一种非常成熟的控制系统。
它相当于将单片机、继电器和各种外围电路集成到了一起，经过精心设计和严格的测试，可靠性非常高，因此在工业领域得到了广泛的应用。
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
PLC的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
（5）体积小，重量轻，能耗低
PLC的应用领域：
（1）开关量的逻辑控制
（2）模拟量控制
（3）运动控制
（4）过程控制
（5）数据处理
（6）通信及联网
PLC的构成：
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
8.2PLC的选择
根据机器人的具体情况，应所选用的PLC应该满足以下几个基本条件：
（1）采用直流工作电源
（2）体积小巧，重量轻
（3）采用DC输入端子，继电器输出端子
（4）输入/输出点数至少各16个，并且输出端子至少提供2组公共地
（5）输入/输出点数扩展方便
（6）知名品牌，容易得到广泛的技术支持
（7）价格合理
综合以上因素考虑，最终选择了PanasonicNAISFP2系列PLC作为本控制系统的核心。
图13FP2PLC
NAISFP2系列PLC是松下电工推出的小型模块式PLC，其体积小，功能强大，采用模块化设计，可自由组合各部分功能，扩展方便。
其能够实现中型机的功能，安装体积却维持在小型机的水平上。
其功能模块可根据母板的情况自由选择，母板提供5、7、9、12、14不同数量的模块安装位置，可根据需要自由安装功能模块[8]。
根据设计需要，我们选择FP2系列的以下模块进行组合：
（1）母板：
FP2-BP05
（2）电源单元：
FP2-PSD2（DC24V工作电源）
（3）CPU单元：
FP2-C1标准型
（4）I/O单元：
FP2-X16D2DC输入（端子台型）
（5）I/O单元：
FP2-Y16R继电器输出（端子台型）
以上单元共同组成5模块型的基本组合。
8.3PLC各单元介绍
（1）母板：
FP2-BP05
图14母板
（2）电源单元：
FP2-PSD2
图15电源单元
（3）CPU单元：
FP2-C1标准型
图16CPU单元
（4）I/O单元：
FP2-X16D2DC输入
图17输入单元
（5）I/O单元：
FP2-Y16R继电器输出
图18输出单元
8.4控制系统功能介绍
采用PLC来控制手动机器人，目的在于提高手动机器人的自动化程度。
将一些动作交给PLC自动完成，减少操作者的工作量，减少人工操作失误的可能性。
整个手动机器人有以下几个部分需要实时操作：
机器人的前进/后退及变速功能，还有吃球、送球等动作需要通过PLC来控制。
8.5前进/后退，变速控制及投球控制
机器人的行走是通过直流电动机驱动的。
为了让机器人能够对环境有更强的适应性，应该让机器人的行走状态能够随时进行调整。
前进和后退两种模式是必须有的，此外还应该让机器人在前进时能够随时调整速度。
使用了一种比较典型的控制方法，即用继电器控制直流电动机的正反转，并增加两个输入不同电压的正转继电器，以实现前进时的三挡变速。
机器人的电源可以采用镍氢电池组，所以不同电压可以由电池组的不同抽头输出，比较方便。
操作时，将遥控器操纵杆向前推，触发前进按钮，此时电动机一档正传，同时激活换档模式。
然后每按动加挡按钮一次，电动机转速提高一档，加到三档后加挡按钮失效；按动减档按钮一次，电动机转速在现有基础上减一档，减到一档后减档按钮失效。
如果操纵杆回到中间位置或向后推，则自动退出换档模式，加减档按钮都失效。
当机器人达到到快投篮的位置时，摁下瞄准状态键，若瞄准，者发射球，若未瞄准则前轮旋转直至瞄准状态.
如将操纵杆向后推，则电动机一档反转，且无换档功能。
8.5.1Ｉ/O分配
（1）I口 Ｘ１ 前进按钮
Ｘ２ 后退按钮
Ｘ３ 加档键
Ｘ４ 退档键
Ｘ５ 投篮位置检测
Ｘ７ 瞄准状态
Ｘ８ 吃球
Ｘ９ 吐球
ＸＡ 光电开关触发
ＸＢ 位控开关触发
（2）Ｏ口：
Ｙ０ 继电器Ｊ６的控制
Ｙ１ 一档正转
Ｙ２ 二档正转
Ｙ３ 三档正转
Ｙ４ 继电器Ｊ２的控制
Ｙ５ 反转
Ｙ６ 吃球正转
Ｙ７ 吐球反转
Ｙ８ 传动带启动
Ｙ９ 指示灯
ＹＡ 前驱动轮电机
8.5.2程序梯形图：
图19程序图
程序中用到的指令介绍：
（1）ST↑上升沿开始
概述:
用于上升沿检测的触点指令，仅在检测到信号上升沿的周期内对触点进行逻辑处理。
图20上升沿指令
ST↑、AN↑和OR↑指令在X0发生从OFF到ON的变化后，Y10仅输出一个扫描周期。
在机器人程序中，这个命令起到了非常重要的作用：
每次触发前进按钮时，换档模式启动，并让计数器复位，同时给计数器用的过程寄存器设定初始值，且只在触发前进按钮的上升沿时才进行复位和赋值，在随后换档模式的工作过程中不动作，因此不会对其他程序产生影响。
这个命令非常简单有效。
（2）F0（MV）16位数据传输
概述：
将16位数据复制到指定的16位区。
其中S为16位常数或存放常数的16位区（源区），D为16位区（目的区）。
当触发器R0为ON时，数据寄存器DT10的内容复制到数据寄存器DT20。
在机器人程序中，这个命令被用来给计数器用的寄存器赋初始值。
图21数据传送指令
（3）ST=、〉=字比较:
相等时初始加载、大于等于时初始加载
图22比较指令
概述：
将两个字数据（16bit）项进行比较作为运算条件。
根据比较的结果触点闭合或断开。
S1是被比较的16位常数或存放常数的16位区，S2是被比较的16位常数或存放常数的16位区。
分别将数据寄存器DT0的内容与K50和K60进行比较。
若DT0=K50，则外部输出继电器Y30为ON；若DT0≥K60，则外部输出继电器Y31为ON。
在机器人程序中，这个命令用来比较计数器计算的结果与挡位之间的关系，从而决定输出档位。
（4）F118（UDC）加/减计数器
概述：
设置加/减计数器。
图23加减计数器指令
S是存放计数器预置值的16位常数或16位区，D是计数器经过值16位区。
示例表示设置初始值，当目标值为0时R50变为ON。
本程序示例可以用于控制指示灯，当增或减工件达到某一数量时，使灯变亮。
当检测到复位信号X2的下降沿（ON→OFF）时，数据寄存器DT10中的数据被传输到DT0中。
当X0处于OFF状态时，计数输入X1会使DT0的数值递减（减计数操作）。
当X0处于ON状态时，计数输入X1会使DT0的数值递增（加计数操作）。
写指针当经过值DT0=K0时，特殊内部继电器R900B（=标志）将变为ON，并且内部继电器R50也为ON。
这个命令是换档程序的核心。
通过计数器的加减计算，得出换档键的触发次数，从而决定最终的档位输出[]0]。
8.6自动送球控制
按照前面的方案设计，吃球机构将球拾起后，球会沿着机器人内部的轨道落入输送槽。
在输送槽中安装红外激光传感器，一旦检测到槽内有球，则计时3秒（目的是下一个循环球射出后等待弹射机构复位），然后自动开启传送带，将球输送到弹射机构的托盘上。
托盘上安装一个位控开关，球送到托盘上后触发开关，传送带停止工作，此时ready指示灯亮，提示操作者球已到位可以发射。
当球射出后又开始下一个循环。
自动送球程序的梯形图
图24送球指令
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