足式行走机器人设计-机械控制课程设计VIP

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 足式行走机器人课程设计 学院（系）： 机械工程学院 年级专业： 2013级机控二班 学生姓名： 李旭军、刘鹤、 颜天喜、林银福 指导教师： 刘劲军 第 0 页 共 19 页 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院 基层教学单位：学 号 130101010369 130101010395130101010401130101010222学 生姓 名李旭军颜天喜刘 鹤林银福专业（班级）机控13-2班设计题目足式行走机器人设计技术参数1. 完成所设计机器人的零件图、装配图；2. 完成元件选型，计算所需成本；3. 计算机器人参数，验证可行性。 设计要求1.机器人驱动系统为气动控制系统，将采用气源、电源拖线运行方式。气源压力5bar，电源电压24V。2.利用手持有线控制器实现机器人的转向、前进、后退控制、地面行走、自动循迹。电气控制采用PLC控制方式。3.要求机器人能实现3kg负重状态下按预定轨迹行走要求。注：验收用预定轨迹转弯半径大于等于1m。4.要求机器人整体平面尺寸不超过 250mm*250mm，自行完成整机设计、选型、加工、集成及调试。工作量1 完成机器人设计主要零件图和装配图；2 完成气动回路图和电控系统；3 完成设计说明书。4 实物的组装和调试工作计划第12周 机构方案设计论证气动电气系统设计第13周 选型图纸报告第14周 机构加工制作第15周 元件组装答辩第16周 电气气动系统调试第17周 功能轨迹调试答辩比赛 参考资料1吴振顺主编. 气压传动与控制M哈尔滨工业大学出版社.2009.2吴晓明主编.现代实用气动技术.M机械工业出版社.2012.指导教师签字基层教学单位主任签字燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语：成绩： 评阅人： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日目 录一、项目意义6二、设计要求6三、总体方案设计6四、元件选择与结构设计74.1 气缸的选择7 4.2 换向阀的选择8 4.3 机械结构设计84.4 传感器的选择9五、气动系统和电控系统的设计9 5.1 气动回路的设计9 5.2 电控系统的设计10六、PLC程序与控制146.1 I/O地址分配表146.2 PLC外部接线图15 6.3 PLC梯形图15七、实物操作说明18 7.1 实物图片18 7.2 操作说明18八、总结19九、心得体会19一、项目意义 当今随着气动技术及机器人技术的发展，气动机器人的应用领域也越来越广泛。其工作可靠、体积小、动作灵活等优点使其在一些特殊的应用场合，如壁面爬行机器人的研究方面颇受欢迎，壁面爬行机器人要完成在与水平面成一定角度的各种壁面上移动，它主要完成两个任务：一是吸附，二是移动。本文设计的气动爬行机器人主要研究设计机器人的爬行功能，通过对其机械结构及控制系统设计，实现步距式爬行功能，同时可实现前进、倒退和转向等功能。 二、设计要求 1、机器人驱动系统为气动控制系统，将采用气源、电源拖线运行方式。气源压力5bar，电源电压24V。 2、利用手持有线控制器实现机器人的转向、前进、后退控制、地面步态行走。电气控制采用继电器控制方式。禁止采用轮式。 3、要求机器人能实现3kg负重状态下按预定轨迹行走要求。注：验收用预定轨迹转弯半径大于等于1m。 4、要求机器人整体平面尺寸不超过 250mm*250mm。自行完成整机设计、选型、加工、集成及调试。三、总体方案设计根据设计要求，我们设计的方案是六足气动机器人，每一个足用两个缸控制，水平杆实现移动，垂直缸实现对身体的支撑，每三个缸一组，分别用一个阀控制，示意图如图1所示。 机器人身体分为两层，A、C缸和上面一层固联，B、D缸和下面一层固联，两层之间用螺栓、螺母和轴承联接，使上下两层可以相对转动以实现转弯，转弯用与下板固联的单杆气缸控制，原理图如图2所示。 四、元件选择与结构设计 4.1 气缸的选择根据原理图进行气缸的选择，实验室提供的单杆气缸型号有CDJ2D10-15，CDJ2D10-30，CDJ2D10-45，CDJ2D10-60，双杆气缸型号有TN-10*15-S,TN-10*35-S。水平气缸的活塞杆要承受一定径向力，而且水平缸的行程应选较大的，综合考虑选择双杆气缸TN-10*35-S,行程为35mm。垂直缸要承受自身重力和外负载，且考虑到行走的平稳，选择双杆缸，考虑到运动的快速性，选择较小行程的型号为TN-10*15-S的气缸。实验台提供的气源压强最大为0.5Mpa，取气缸的机械效率为0.7，则气缸能承受最大的力为受到尺寸要求和机械结构的限制，左右转弯的角度不宜太大，且转弯不需要特别大的力，选择短行程的单杆气缸CDJ2D10-15。 4.2 换向阀的选择实验室提供的换向阀的型号有4V110-M5-B，4V120-M5-B，4V130C-M5-B，4V130E-M5-B，根据控制要求可以选择两位五通双控阀和中位闭气的三位五通双控阀，考虑成本，选择4V120-M5-B两位双控阀。 4.3 机械结构设计结构的三维图如下所示 4.4 传感器的选择传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 根据实验室提供的材料选择SMC的磁性开关D-A93.五、气动系统和电控系统的设计 5.1 气动回路的设计任何复杂的气动控制回路都是由一些特定功能的基本回路和常用回路组成，但不论它如何复杂，一般都应该包括几个部分，如供气部分、启动部分、控制部分、导气部分和工作部分等。 1、供气部分 采用实验室提供的供气气源。2、控制部分 在设计的气动回路里是由电磁换向阀和行程开关组成。 3、工作部分 这个部分指的是水平缸，垂直缸和转向缸。 如下图所示，A1，A2，A3和B1，B2，B3为水平缸，C1，C2，C3和D1，D2，D3为垂直缸，E为转向缸。 5.2 电控系统的设计 为适应生产过程自动化的需要，行程程序系统也常采用电气控制，这是由于采用电气控制的行程程序系统具有寿命长，可靠性高，可以直接利用各种传感器（位置、压力、温度等）的输出信号达到控制目的，易于实现大规模生产过程自动化等优点。这就是近年越来越多地采用电控的原因之一，当选择电控的气动阀操纵气动执行元件时，控制线路中的控制元件是由电气开关等元件组成，设计此类系统的方法仍可采用信号动作（XD）状态图法，卡诺图法及程序控制线图法等，其设计步骤与纯气动的行程程序控制系统类似。前进动作程序如下所示 其中下角标L表示左侧进气，R表示右侧进气，下角标1表示缸伸出，0表示缸缩回，表示A缸左侧进气，表示A缸右侧进气，表示B缸左侧进气，表示B缸右侧进气，参考示意图1。X-D图如下所示 后退动作程序如下所示对应的X-D图如下所示根据X-D设计的电控系统图如下所示前进模块 后退模块停止模块左右转模块总的电控图六、PLC程序与控制 6.1 I/O地址分配表输入设备对应输入点号输出设备对应输出点号停止按钮SB0X0电磁阀DT1Y1前进按钮SB1X1电磁阀DT2Y5右转按钮SB2X2电磁阀DT3Y6左转按钮SB3X3电磁阀DT4Y7行程开关SB4X4电磁阀DT5Y10 行程开关C0X5电磁阀DT6Y11行程开关C1X6电磁阀DT7Y12行程开关d0X7电磁阀DT8Y13行程开关d1X10电磁阀DT9Y14电磁阀DT10Y15 6.2 PLC外部接线图 6.3 PLC梯形图七、实物操作说明 7.1 实物图片 7.2 操作说明 如上图所示，按下前进按钮可实现机器人的前行，按下后退按钮可实现机器人退行，长按左右转按钮可实现机器人一定角度的转弯，机器人在运行过程中按下停止按钮可实现急停。八、总结 该六足气动机器人基本满足了前进、后腿、左转、右转和停止的功能。其优点是平稳性较好，速度快，能在行走中进行左右转弯，进一步加快了速度，机械结构简单，可防止由于加工误差而引起的卡死现象，行程开关少，在控制上也能加快速度。缺点是气缸多，成本较高，同时也增加了调试的难度，在设计上存在很多不足之处，使得安装困难，调试复杂。九、心得体会 通过本次二级项目，我们组的成员都掌握了一定的实验操作能力，都有相当的学习收获。在前期准备阶段，我们小组成员总是聚到一起进行方案设计讨论，研究过各种各样的方案设计，并都加紧了书本知识的温习，大家一起相互交流学习，除了扎实了老师在课堂上给我们介绍的理论知识，更是增进了我们同学之间的友谊，在这种浓烈的学习氛围之中大家的学习热情都十分高涨。对气动电控系统消障方式进行了较为深入的研究，在课堂上也是特别关注这方面的理论知识，我们组员之间都相互督促，将这方面的理论知识掌握得十分牢固。在项目过程中，我们首先要感谢的指导老师给我们提供的帮助。在指导老