兩軸舞龍機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧國+鄭譽(yù)煌+翁柏濤+林舒靜+李俊輝+梁奕嵐

摘 要 本文提出了一種基于可編程控制器（PLC）的兩軸舞龍機(jī)器人。本文首先簡述了兩軸舞龍機(jī)器人的重要性，再在技術(shù)層面分析了該舞龍機(jī)器人的硬件與軟件設(shè)計(jì)，硬件方面介紹了兩軸舞龍機(jī)器人的硬件組成和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)方面解釋了PLC程序的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】舞龍 機(jī)器人 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)

1 引言

在中國的傳統(tǒng)中，人們常常會(huì)在重大的喜慶日子中邀請舞龍隊(duì)和舞獅隊(duì)前來表演以增加喜慶氣氛，而傳統(tǒng)的舞龍表演都是表演者們舉著笨重的龍模型不停的搖擺，這無疑耗費(fèi)了大量的人力資源并且操作起來比較辛苦。為此，本文提出的兩軸舞龍機(jī)器人。本機(jī)器人的擺動(dòng)動(dòng)力來源于步進(jìn)電機(jī)，這種用步進(jìn)電機(jī)來代替表演者的做法大大減少了人力資源的耗費(fèi)，除此之外，該兩軸舞龍機(jī)器人還有體積的特點(diǎn)，無論是室內(nèi)還是室外都非常方便擺放。本文所提出的兩軸舞龍機(jī)器人將會(huì)是今后用來增加節(jié)日氣氛的很好選擇。

2 兩軸舞龍機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

2.1 兩軸舞龍機(jī)器人的硬件組成

本文提出的基于PLC的兩軸舞龍機(jī)器人工作系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由空氣開關(guān)、PLC控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)電源和龍模型組成，PLC產(chǎn)生脈沖信號同時(shí)控制兩個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)龍頭和龍尾有節(jié)奏地運(yùn)動(dòng)。各組成部分的具體功能如下：

2.1.1 空氣開關(guān)

整個(gè)工作系統(tǒng)的總開關(guān)，能夠?qū)﹄娐坊蛴秒娫O(shè)備發(fā)生的短路、嚴(yán)重過載以及欠壓等進(jìn)行保護(hù)，確保系統(tǒng)的電路安全工作。

2.1.2 PLC

整個(gè)工作系統(tǒng)的主控制器，產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的脈沖信號和產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的方向信號。我們選用三菱公司的FX2N-16MT的PLC。

2.1.3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

接收來自PLC的脈沖信號，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，本文提出的兩軸舞龍機(jī)器人要用兩個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2.1.4 步進(jìn)電機(jī)

龍模型擺動(dòng)的動(dòng)力來源，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)分別帶動(dòng)龍頭、龍尾的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由脈沖的頻率控制，脈沖的頻率越高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，反之越慢；在步進(jìn)電機(jī)不超載的情況下，當(dāng)一個(gè)脈沖的上升沿到來時(shí)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的總角度大小取決于脈沖的個(gè)數(shù)，脈沖的個(gè)數(shù)越多步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越大，反之越小；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向取決于方向信號的電平，若步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)高電平的方向信號時(shí)電機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，那么當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到低電平的方向信號時(shí)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。我們使用的步進(jìn)電機(jī)為1.2NM的二相四線步進(jìn)電機(jī)。

2.1.5 開關(guān)電源

將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流電，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器提供24V直流電壓。

2.1.6 龍模型

主要控制對象，被分為龍頭和龍尾兩個(gè)部分分別單獨(dú)控制。

2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成，和PLC一起控制龍模型的運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制龍頭和龍尾的運(yùn)動(dòng)，每臺步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收方向信號“DIR+”接口串聯(lián)一個(gè)阻值為2K歐姆的電阻后，再分別接到PLC控制器輸出端的Y2和Y3輸出端。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的“PLU+”接口是接收來自PLC的脈沖信號。控制龍頭和龍尾的兩個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的“PLU+”接口分別跟2K歐姆的電阻串聯(lián)后，再與PLC控制器輸出端的Y0和Y1輸出口相接。

3 兩軸舞龍機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)

本機(jī)器人需要調(diào)節(jié)使連接龍頭與步進(jìn)電機(jī)的桿與水平所成的夾角為45度左右，連接龍尾的桿與水平夾角為135度左右。運(yùn)行過程中，龍頭與龍尾的擺動(dòng)速度和擺動(dòng)角度都相同，但擺動(dòng)的方向相反。龍頭和龍身的擺動(dòng)速度由開始時(shí)的較小值，逐漸增大到一個(gè)設(shè)定的最大值，然后最大值逐漸減小到剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的較小值。舞龍的運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)擺動(dòng)速度由小到大增大，再減小再增大再減小的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程。

根據(jù)舞龍運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，在編寫PLC程序時(shí)，先讓PLC的Y2和Y3分別輸出一個(gè)為“1”一個(gè)為“0”的方向信號，Y0和Y1分別輸出一個(gè)脈沖頻率為400Hz和最大脈沖數(shù)為1600的脈沖信號，然后每一秒鐘脈沖頻率增大100Hz。當(dāng)脈沖信號的頻率增大到最大值4000Hz時(shí)，脈沖頻率由4000Hz開始每秒鐘減小100Hz，直到脈沖頻率減小到400HZ，如此一直循環(huán)。每當(dāng)PLC發(fā)送完1600個(gè)脈沖信號時(shí)Y2和Y3輸出口的輸出值交換一次。具體PLC程序如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于PLC的兩軸舞龍機(jī)器人，該舞龍機(jī)器人在系統(tǒng)通電后能夠自動(dòng)穩(wěn)定地運(yùn)行無需人工進(jìn)行復(fù)雜的操作，它能夠像傳統(tǒng)的舞龍和舞獅表演一樣給喜慶的日子增加喜慶的氣氛卻不用像傳統(tǒng)的舞龍和舞獅那樣耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。由于兩軸舞龍機(jī)器人具有體積小、占的地方較小的特點(diǎn)，它比較適合擺放在店鋪等室內(nèi)環(huán)境中。

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