1、毕业设计说明书基于 PLC的轮式移动机器人操作手控制系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 系 名： 专 业： 指导教师： 年 月自动控制系电气工程及其自动化基于 PLC的轮式移动机器人操作手控制系统设计摘要：轮式移动机器人操作手是移动机器人一个重要组成部分，随着全球经济的发展、产业重心从制造业向非制造业的转移，人们对机器人的灵活性、独立性、智能化提出了更高的要求，并要求机器人能够在一定范围内安全运动，自主完成特定的任务，增强机器人对环境的学习和适应能力。机器人技术不仅广泛应用于农业、工业，而且也在不断向反恐、社会安全等领域拓展，传统的基座固定式操作手由于工作空间的局限性已经无法满足人们生产生活
2、的需求，而移动机械手的出现很好的弥补了传统机械手的这一缺陷。装配有机械臂的智能移动机器人能够顺次自主地完成一系列动作：选定目标、跟踪并趋近目标、机械臂伸展、夹手抓物、运动到指定位置、机械臂复位等。应用智能机器人可以帮助老年人和残疾人来完成他们日常生活中难以做到的一些操作，解决他们生活上的困难。本设计我首先对移动机器人操作手的背景，现状，研究意义等进行了了解。其次通过查阅资料确定了系统的控制方案。之后确定了机械手的硬件系统组成，并设计出了系统结构。再次根据系统结构确定了PLC输入输出点数，并绘制出了电气原理图，之后对PLC程序进行了编写并进行了调试。最后利用GX Developer做出仿真图，对
3、结果进行了归纳总结。【关键词】 轮式移动机器人操作手，可编程序控制器(PLC)，气动机械手PLC wheeled mobile robot control system designAbstract：Wheeled mobile robot is an important part of mobile robot, along with the development of the global economy, the shift away from manufacturing to non manufacturing industry, people put forward higher
4、demand on the robot flexibility, independence, intelligent, and requires the robot can move in a certain area, accomplish the special the task of robot, reinforcement learning on the environment and the ability to adapt. Robot technology is not only widely used in agriculture, industry, but also in
5、unceasingly to counter-terrorism, social security and other areas of development, the traditional base fixed manipulator due to limitations of space has been unable to meet the peoples production and living needs, while the mobile manipulator appears very good to make up for the defect of the tradit
6、ional manipulator. Equipped with intelligent mobile robot manipulator can sequentially independently complete a series of actions: the selected target, tracking and control, mechanical arm, clamps the hand grasping, moving to the specified location, reduction and mechanical arm. Application of intel
7、ligent robot can help the elderly and disabled people to accomplish the operation difficult to do in their daily lives, to solve their difficulties in life.This topic is controlled by Mitsubishi Electric Corporation and Siemens PLC, stepper motor drives, stepper motors and other devices components.
8、This article first briefly introduce the topics, including background, current status, significance, etc.; secondly hardware components of the system, structure and principles are described and analyzed; once again used the device of the system are described separately, focusing on the PLC program w
9、ere prepared; final design of the project on knowledge learned and summarized.Key words : Wheeled mobile robot ,Programmable controller,Pneumaticmanipulator 第 I 页 共 II 页目 录1 绪 论 .11.1 轮式移动机器人操作手设计的背景 .11.2 轮式移动机器人操作手设计的内容 .21.3 轮式移动机器人操作手的设计目的和意义 .22 系统控制方案的确定 .22.1 机械手系统的功能 .22.2 系统设计的基本步骤 .33 系统硬件
10、设计 .43.1 可编程控制器(PLC) .43.1.1 PLC 简介 .43.1.2 PLC 的基本结构 .53.1.3 PLC 的工作原理 .63.2 机械手机械结构 .93.2.1 夹持装置 .93.2.2 驱动方式 .103.3 传感器的选择 .103.4 行程开关的作用及原理 .123.5 PLC 机型的选择方法 .143.6 机械手 PLC 参数及选择 .153.6.1 机械手 PLC 选择 .153.6.2 主要技术数据 .154 机械手系统控制软件设计 .164.1 编程语言的介绍 .164.2 三菱编程软件的特点 .174.3 系统流程图 .174.4 梯形图的设计基本规则和
11、技巧 .18第 II 页 共 II 页5 机械手 PLC 控制系统设计 .185.1 确定 PLC 输入/输出点数 .185.2 PLC 接线图 .205.3 指令表 .215.4 梯形图 .225.5 仿真图 .255.5.1 自动方式仿真图 .255.5.2 手动方式仿真图 .256 结论 .27参考文献 .28致谢 .30第 1 页 共 30 页1 绪论1.1 轮式移动机器人操作手设计的背景随着全球经济的发展、产业重心从制造业向非制造业的转移，人们对机器人的灵活性、独立性、智能化提出了更高的要求，并要求机器人能够在一定范围内安全运动，自主完成特定的任务，增强机器人对环境的学习和适应能力。
12、机器人技术不仅广泛应用于农业、工业，而且也在不断向反恐、社会安全等领域拓展，传统的基座固定式操作手由于工作空间的局限性已经无法满足人们生产生活的需求，而移动机械手的出现很好的弥补了传统机械手的这一缺陷。因此，近年来移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。目前，对移动机械手的研究为国内外的研究学者所关注，它所涉及的科学领域包括：移动机械手的运动学分析，路径规划、自主定位与导航技术、移动机器手动力学建模、移动机械手的协调控制理论和方法等。目前而言，国内外对移动机械手的运动学研究比较多，对移动机械手的路径规划、最优构形，基于运动学的协调控制等问题的研究已经比较深入，并提出了一些比较合理的解决方法。但
13、是在对移动机械手动力学方面的研究则相对要少一些，由于结构相对复杂，分析动力学特征有一定难度，而且移动机械手是一种非线性、强耦合的系统，建立精确、合理的动力学模型还有待进一步的深入研究，也给基于动力学的协调控制带来了很大的难度，从目前的整体情况来看，移动机械手的动力学模型的建立、基于动力学模型下的解耦机制和协调控制原理还有待揭示。国外在移动机器人方面的研究可以追溯到上世纪中叶，最初只是为了学术研究的需要，通过对室外机器人的体系结构的研究和相关信息的处理，建立移动机器人实验系统以此来验证相关的研究结果；进入上世纪90年代，随着科学技术的不断进步和工业生产的需要，实现了从对移动机器人理论研究到应用的
14、飞跃，开始应用于工业生产、科学研究等领域，如由美国NASA资助研制的火星探测机器人“索杰那”在1997年成功登上火星。国内对移动机器人领域的研究相对较晚，目前对移动机械手的相关研究还处于理论分析、跟踪、和试验阶段，并在某些领域取得了一定的成果，例如清华大学自主研制的智能移动机器人THMR-IH，中国科学院（沈阳自动化研究所）投资研发的自动导引第 2 页 共 30 页车AGV和防爆机器人，以及服务机器入和自动导航车在香港城市大学研制成功。第 3 页 共 30 页1.2 轮式移动机器人操作手设计的内容本设计用可编程控制器实现一个有单步、单周期、连续、自动回原点、手动，五种工作模式的机械手控制系统。
15、轮式机器人主体有底盘、机械手及电气控制等三部分组成。电气控制部分由可编程控制器、电机驱动、各种位置电磁传感器和一些低压电器元件组成。可编程控制器作为控制核心，采集输入端口信号后完成各种逻辑控制和数据的运算，然后通过输出端口完成电机的运动和各种信号的现实。1.3 轮式移动机器人操作手设计的目的和意义移动机器人操作手作为轮式机器人的重要组成部分，也有了长足的发展。关于移动机械手的研究早在60年代就己经开始了，移动机器人操作手就是在一个全方位移动平台上通过安装一个或若干个多自由度机械手所构成的联合体。正由于移动机器人操作手这种构造使得它具有移动和操作两大基本功能，移动平台的位置移动几乎无限制地扩大了
16、机械手的工作空间，并能在这个空间内选择一个更加适合的姿态来执行任务。移动机械手并非是传统机器人与机械手的简单组合，与他们相比具有明显的优势，特别是在高柔性和自主性上比较突出。装配有机械臂的智能移动机器人能够顺次自主地完成一系列动作：选定目标、跟踪并趋近目标、机械臂伸展、夹手抓物、运动到指定位置、机械臂复位等。应用智能机器人可以帮助老年人和残疾人来完成他们日常生活中难以做到的一些操作，解决他们生活上的困难。而在工业生产和军事领域中，机器人小车完成抓取搬运任务，可以避免在恶劣和危险环境中人工作业的危险性。因此，装配机械臂的智能机器人的研究对机器人在工业、服务业、军事等领域的开发设计与应用具有重要的
17、实用价值和实际意义。2 系统控制方案的确定2.1 机械手系统的功能如图1所示是一台气动机械手的动作示意图，其作用是将工件从A点传递到B点。气动机械手的升降和左右移动分别有两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升和下降对应电磁阀的线圈分别为YV2和YV1，左行右行对应电磁阀的线圈分别为YV4和YV3。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧，松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，第 4 页 共 30 页线圈得电夹住工件，线圈断电，松开工件。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关X2、X1和X4、X3，夹持装置不带
18、限位开关，它通过一定的延时来表示其夹持动作的完成.机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。2.2 系统设计的基本步骤1.深入了解和分析的机械手条件和控制要求。2.确定 I/O 设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。3.根据 I/O 点数选择合
19、适的 PLC 类型。4.分配 I/O 点。分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计机械手系统的梯形图程序。根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序。6.将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。机械手系统设计与调试的主要步骤，如图 2 所示：第 5 页 共 30 页确定课题分析课题确定方案资料搜集确定硬件配置设计系统结构运行并分析课题总结绘电气原理图编写程序调试程序错误图2 机械手系统设计与调试的主要步骤3 系统硬件设计3.1 可编程控制器(PLC)3.1.1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programma
20、ble Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。PLC 是由继电器控制技术发展而来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控
