兩軸舞龍機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

鄧國+鄭譽煌+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）的兩軸舞龍機器人。本文首先簡述了兩軸舞龍機器人的重要性，再在技術(shù)層面分析了該舞龍機器人的硬件與軟件設(shè)計，硬件方面介紹了兩軸舞龍機器人的硬件組成和步進驅(qū)動電路的設(shè)計，程序設(shè)計方面解釋了PLC程序的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】舞龍 機器人 步進驅(qū)動

1 引言

在中國的傳統(tǒng)中，人們常常會在重大的喜慶日子中邀請舞龍隊和舞獅隊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器人。本機器人的擺動動力來源于步進電機，這種用步進電機來代替表演者的做法大大減少了人力資源的耗費，除此之外，該兩軸舞龍機器人還有體積的特點，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器人將會是今后用來增加節(jié)日氣氛的很好選擇。

2 兩軸舞龍機器人的硬件設(shè)計

2.1 兩軸舞龍機器人的硬件組成

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

2.1.1 空氣開關(guān)

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

2.1.2 PLC

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

2.1.3 步進驅(qū)動器

接收來自PLC的脈沖信號，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，本文提出的兩軸舞龍機器人要用兩個步進驅(qū)動器分別驅(qū)動兩個步進電機運動。

2.1.4 步進電機

龍模型擺動的動力來源，兩個步進電機的運動分別帶動龍頭、龍尾的運動。步進電機的轉(zhuǎn)動速度由脈沖的頻率控制，脈沖的頻率越高步進電機的轉(zhuǎn)動速度越快，反之越慢；在步進電機不超載的情況下，當(dāng)一個脈沖的上升沿到來時步進電機電機轉(zhuǎn)動一個小角度，步進電機轉(zhuǎn)動的總角度大小取決于脈沖的個數(shù)，脈沖的個數(shù)越多步進電機轉(zhuǎn)動的角度越大，反之越小；步進電機的轉(zhuǎn)動方向取決于方向信號的電平，若步進驅(qū)動器接收到一個高電平的方向信號時電機順時針方向轉(zhuǎn)動，那么當(dāng)步進驅(qū)動器接收到低電平的方向信號時步進電機逆時針方向轉(zhuǎn)動。我們使用的步進電機為1.2NM的二相四線步進電機。

2.1.5 開關(guān)電源

將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流電，給步進驅(qū)動器提供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部分分別單獨控制。

2.2 步進驅(qū)動電路的設(shè)計

步進驅(qū)動單元由步進驅(qū)動器和步進電機組成，和PLC一起控制龍模型的運動。兩個步進電機控制龍頭和龍尾的運動，每臺步進驅(qū)動器接收方向信號“DIR+”接口串聯(lián)一個阻值為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。步進驅(qū)動器的“PLU+”接口是接收來自PLC的脈沖信號。控制龍頭和龍尾的兩個步進驅(qū)動器的“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 兩軸舞龍機器人的程序設(shè)計

本機器人需要調(diào)節(jié)使連接龍頭與步進電機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。運行過程中，龍頭與龍尾的擺動速度和擺動角度都相同，但擺動的方向相反。龍頭和龍身的擺動速度由開始時的較小值，逐漸增大到一個設(shè)定的最大值，然后最大值逐漸減小到剛開始運動時的較小值。舞龍的運動就是一個擺動速度由小到大增大，再減小再增大再減小的循環(huán)運動過程。

根據(jù)舞龍運動的設(shè)計思想，在編寫PLC程序時，先讓PLC的Y2和Y3分別輸出一個為“1”一個為“0”的方向信號，Y0和Y1分別輸出一個脈沖頻率為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，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個脈沖信號時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的兩軸舞龍機器人，該舞龍機器人在系統(tǒng)通電后能夠自動穩(wěn)定地運行無需人工進行復(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大量的人力和財力。由于兩軸舞龍機器人具有體積小、占的地方較小的特點，它比較適合擺放在店鋪等室內(nèi)環(huán)境中。

參考文獻

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