模拟驯马展项深化设计书.doc

展项深化设计书机科发展科技股份有限公司主题展厅：低碳科技厅 展项名称：模拟驯马 展项代号：4-5-011 依据标准本展项设计、制作依据以下标准：游乐设施安全规范（GB8408-2008）国家玩具安全技术规范（GB 6675-2003）工业与民用电力装置的接地设计规范（GBJ65-83）。电气装置安装工程接地装置施工及验收规范(GB 5016992)招标文件的相关要求2 展示内容展项为一台形象逼真的仿真机器马。该模型有机电装置进行驱动。参与者可以与机器马充分的进行互动，可骑在马上，通过语音、动作及操控使马做出各种仿真动作。3 交互方式3.1 语音命令参与者发出规定的语音命令，机器马控制系统自动识别相应语音，并自动执行该语音命令。3.2 动作控制参与者可通过夹腿等肢体动作，对机器马进行操控。参与者的肢体动作是控制系统通过相应部位的传感器感知的。3.3 装具操控参与者可通过马缰、马鞭对机器马进行操控4 技术方案4.1 马匹运动骨骼马匹身高：1500mm（至肩胛骨处）根据马匹的骨骼结构参与动作的骨骼为：前腿：肱骨、桡骨、掌骨、踝骨。后腿：股骨、胫骨、蹠骨、踝骨。其它：颈椎、尾椎。根据马匹骨骼尺寸设计机器马机械结构：4.2 仿真机械结构主要腿骨为杆状结构，包括：前腿的肱骨、桡骨、掌骨、踝骨及后腿的股骨、胫骨、蹠骨。 脚踝部分较为复杂，为多关节。在马匹运动状态自动转换时颈椎、尾椎相应的配合动作。4.3 马腿驱动装置4.3.1.驱动方式主要仿真腿骨及关节采用FESTO肌肉缸直接驱动关节。4.3.2. 人工肌肉的特点及结构气动人工肌肉是一种体积小巧、柔软、重量轻、工作简单、容易控制的仿生学产品，它由压缩空气驱动作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。重量轻,最小的甚至只有10g，适合一些对重量很敏感的应用成本低。比其它很多致动器成本低，安装简单,运动平滑 动作平滑，响应快速组合灵活适配性强 可以方便的集成到各种运动系统里 人工肌肉主要由一根橡皮管外包强力的塑料网构成，当被充气和吸气时，可以像人的肌肉一样伸缩。在功率/重量比方面，人工肌肉高达400:1的，而一般的气缸和电动缸只有16:1，因此它也特别适合用于机器人等应用4.3.3.系统组成气压驱动子系统 ：气压驱动子系统由气源、压力伺服比例阀、McKibben气动人工肌肉及机构部分组成。由气源提供压力为0.60.9MPa的压缩气体.压缩气体由导管经过伺服比例阀送人气动人工肌肉中。每条肌肉均与一伺服比例阀相连并有一出气阀门和一进气阀门。通过控制伺服比例阀上所加的电压即可控制肌肉中的气体压力。加压后的气动肌肉输出收缩张力并驱动机构部分的关节转动，因此通过对肌肉压力的控制即可达到轨迹跟踪所需的关节力矩。本系统中采用的McKibben气动人工肌肉为FESTO公司的MAS-20-300N型，其工作压力范围为0O.6MPa，最大工作频率为3Hz，最大收缩为肌肉长度的25%，O.6MPa时理论作用力为300N，重复精度小于1%。压力伺服比例阀接受控制端传入的电压输入并通过调节充气阀门和进气阀门控制肌肉内气压。本系统采用了SMC公司的丌ITVOO5C-2ML型压力比例阀。此阀的输入范围为05VDC，输出为0.0010.9MPa之间的压力。 传感器子系统：传感器子系统由直线位移传感器构成。通过直线位移传感器可以测量出肌肉的收缩量，根据此收缩量可以利用肌肉和关节模型进行轨迹跟踪控制。直线位移传感器采用了WDL型直滑式导电塑料电位计。 控制子系统：控制子系统由工业控制计算机(IPC)、A/D采集卡、D/A转换卡组成。软件控制系统运行于工业控制计算机上，并通过D/A转换器将数字控制量转换为模拟量。此模拟量用以控制压力伺服比例阀的输出气压。A/D转换器采集拉力传感器和直线位移传感器的数据，并提供给工业控制计算机可由软件处理的数字信号。本系统中采用的D/A转换器为16通道模拟量输出卡。它提供了16个12位双缓冲的模拟量输出通道，可满足肌肉伺服控制的需要。MD采集卡采用了PCL-813B型12位32通道A/D卡，它提供了32通道带隔离的直流电压测量，精度可以满足系统要求。 软件系统 ：气动人工肌肉驱动的关节中肌肉的压力为系统的控制变量。由于系统通过压力变量控制一个自由度的运动。在工控计算机中编写了气动人工肌肉关节系统的控制软件及操作界面。通过此软件系统可以实现肌肉模型的参数设定 。软件的主体部分包括轨迹规划模块和压力控制模块。轨迹规划模块实现了上层的关节轨迹规划，并根据关节模型计算实现期望关节轨迹所需的关节力矩。压力控制模块执行底层计算，它的输入量为上层规划得到的期望关节力矩。压力计算模块根据气动人工肌肉的实际模型计算控制肌肉运动所需压力，其输出为期望肌肉压力值。智能PID控制算法模块根据此期望压力值和A/D采集得到的实际肌肉压力数据进行智能PID控制，从而实现闭环控制。其输出经数值和D/A环节转换为输出到硬件系统的实际控制电压。4.4 升降及俯仰驱动方式升降及俯仰驱动采用交流电动伺服控制方式：伺服电机通过减速机及滚珠丝杠带动马匹的升降及俯仰动作。该方式具有动作可靠、准确、动作不随负载变化而变化的特点。4.5 动作分析详细分析马的行走姿态，掌握其运动规律是编制动作控制软件的关键。马共有慢走、小跑、大跑和奔跑姿态共四种，各种姿态变换需平稳过渡。4.5.1马的慢走动作规律 以上是马的一般走路的四肢运动规律。它的方式是对角线换步法，即左前右后，右前左后的交替循环。一般慢走每一个完步大约一秒半钟的时间，。慢走的动作，腿向前运动时不易抬得较高。如果走快步，可以提高些。前肢和后腿运动时的关节屈曲方向是相反的，前肢腕部向后弯，后肢跟部向前弯。走路时头部动作要配合，前足跨出时头点下，前足着地时头抬起。4.5.2马的小跑动作规律马的小跑是属于一种轻快地走步动作，四肢的运动规律基本上也是对角线交换的步法。与慢走稍为不同的是，对角线的两足是同时离地、同时落地。四足向前运动时要提得高，特别是前足可提的较高些。身躯前进时要有弹跳感，对角两足运动成垂直线时身躯最高，成倾斜线时身躯最低。动作节奏是四足落地、离地时快，运动过程是两头快中间慢。4.5.3马的大跑动作规律这种大跑的步伐不用对角线的步法，而是左前有前，左后右后交换的步法，即前两足和后足的交换。前进时身躯的前后部有上下跷动的感觉，这种大跑的步法，步子跨出的幅度较大，第一个起点与第二个落点之间的距离可达一个多的体长，速度大约是每秒钟两个完步。 4.5.4马的奔跑动作规律奔跑是最快的一种步伐，运动方式也是两前足和两后足交换的步法。四足运动充满着弹力，给人以蹦跳出去的感觉。迈出步子的距离更大，并且常常只有一只脚与地面接触，甚至全部腾空，每个循环步伐之间落地点的距离可达身体三、四倍的长度。马奔跑的时速可达50哩，一秒钟可跑三个完步。4.6 其它动作装置4.6.1头颈部动作伴随马匹的步伐动作，头部有点头、抬头的动作。此动作要求相对简单，可采用交流变频控制。4.6.2马尾动作马在奔跑时，马尾应抬起，并随风吹起。采用2只气缸组合，实现3挡幅度动作。4.6.2风幕用于渲染高速奔跑的临场效果。应使马鬃、马尾飘起，并使参与者感到迎面的气流吹来。4.6.2仿真马匹马身内部结构为钢骨架，外壳为玻璃钢结构，表面为仿真织物表皮。马头外表面由硅胶翻制而成，具有较为逼真的仿真效果。马腿机械结构外包有聚氨酯泡沫外覆仿真表皮，关节处由较大弹性的硅胶结构覆盖。马鬃、马尾均为仿真毛发。4.6.2马鞍、马缰、马鞭、马镫马鞍、马缰、马鞭、马镫均为真实结构。4.6.2内部传感器马身表面装有多个传感器，同于感受人体操控动作。缰绳与拉力传感器连接，可将缰绳的受力传给控制系统。5 布展要求5.1.布展占用空间尺寸（长宽高）：7.2米5米3.3米。5.2.电源需求：380V 4KW； 220V 2KW。5.2.设备间静音气泵需设备间，最小面积1m1.5m，静音气泵外加消音罩噪音小于50dB。6 报价 4-5-01模拟驯马 展项组价表序号项目名称规格/型号/材质单位数量单价(元)总价(元)展项制作费584735.76 1实体费423830.00 1.1材料费89230.00 1.1.1玻璃钢造型6mm（阻燃）m26400024000.00 1.1.2仿真织物m26220013200.00 1.1.3金属框架kg5002512500.00 1.1.5硅胶kg5050025000.00 1.1.6不锈钢护栏50kg250307500.00 1.1.7护栏玻璃8+8m30.01300030.00 1.1.8精密传动部件kg100606000.00 1.1.9其他材料费（胶、管、线等）项110001000.00 1.2外购件242100.00 1.2.1伺服电机安川2系列1.3kw台2600012000.00 1.2.2精密减速机Eisele64/118台240008000.00 1.2.3滚珠丝杠太敬32-500只215003000.00 1.2.4肌肉缸FESTO40-250只8150012000.00 1.2.5肌肉缸20-150只812009600.00 1.2.6电-气比例阀FESTO只16400064000.00 1.2.7供气单元FESTO套115001500.00 1.2.8汽缸及其它附件FESTO套11200012000.00 1.2.9静音气泵台12500025000.00 1.2.10工控机台180008000.00 1.2.11PLC西门子300台11500015000.00 1.2.12模拟量扩展模块4通道输出块3500015000.00 1.2.13模拟量扩展模块8通道输入块2650013000.00 1.2.14传感器套180008000.00 1.2.15电气柜及低压电器00 1.2.16电气布线140004000.00 1.3加工费92500.00 1.3.1玻璃钢造型6mm（阻燃）m26250015000.00 1.3.2仿真织物m26250015000.00 1.3.3金属框架kg5002010000.00 1.3.4硅胶kg5050025000.00 1.3.5不锈钢护栏50kg250307500.00 1.3.6护栏玻璃8+8m3154006000.00 1.3.7精密传动部件kg100202000.00 1.3.8其他材料费（胶、管、线等）项11200012000.00 2非实体费65000.00 2.1软件套16000060000.00 2.2图文版设计150005000.00 2.2.1图文版设计项150005000.00 3安装费=1费率（5%）项21191.5