图书存取机械手设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII--PAGEII-图书存取机械手设计摘要图书馆自动存取手臂的设计延伸到整个图书馆自动存取机器人的设计，图书馆自动存取机器人是一种取代人工在图书馆工作的高度自动化和智能化的装置，能够大大的降低工作人员的工作强度，提高整体的工作效率，对于读者的借书和还书都有着巨大的帮助。本课题主要图书对于机械手也就是图书馆机器人末端执行机构的设计，通过气动回路来实现基本的操作，通过PLC编程进行控制。论文的主要内容包括：对于图书馆机器人在国内外的发展现状进行参考，然后进行图书馆机器人的整体方案的设计，通过对比选择最佳的方案，整体的设计基于直销坐标型机器人的运动，X、Y、Z轴的运动带动整个末端执行机构进行位置的变换，进行最佳的夹书取书机构的结构的确定，最终得出一个整体的设计方案。进行末端执行机构所需的气压驱动元件的选择及其校核，零件尺寸的确定，对移动机构的选取和小车形状的设计进行简单的计算，本设计主要突出的是末端执行机构的设计和计算校核，确定其尺寸并且利用CAD来绘制零件图和装配图。对图书馆机器人的末端执行机构的控制进行设计。本文采用的是气压驱动和PLC的编程控制，所以要利用CAD绘制气动回路图，在PLC编程方面利用CAD绘制其控制的顺序功能图和梯形图，来实现图书馆机器人的取书和还书的具体操作。关键词图书馆；机械手；气动控制；CAD图纸AccesstobooksmanipulatordesignAbstractThedesignoftheautomaticaccessarmextendedtothewholelibraryautomaticaccesstothedesignoftherobot,theworkefficiencyofthewholeforreader'sborrowingandreturningbooksareagreatdealofhelp.Thistopicmainlybooksfortheactuatorattheendoftherobotmanipulatorislibrarydesign,throughthepneumaticcircuittorealizethebasicoperation,throughthePLCprogrammingcontrol.Themaincontentofthepaperinclude:(1)forthelibrarydevelopmentpresentsituationathomeandabroadforreference,andthentothelibrarytherobot'soverallschemedesign,choosethebestschemebycomparisonandtheoveralldesignbasedondirectcoordinaterobot.(2)tomeettheneedofendactuatorpneumaticdrivingelementselectionandchecking,determinethesizeofparts,andtheselectionofmobilemechanismdesignofcarshapesimplecalculation,thedesignismainlyprominentistheendoftheactuatordesignandcheckingcalculation,determinethesizeandtheuseofCADtodrawthepartdrawingandassemblydrawing.(3)tothelibraryfortheactuatorattheendofthecontroloftherobotdesign.ThispaperadoptspneumaticdriveandPLCprogrammingcontrol,sotouseCADdrawingpneumaticcircuitdiagram,thePLCprogrammingusingCADdrawingthecontrolsequencefunctiondiagramandladderdiagramofrobottorealizelibrarybooksandconcreteoperation.KeywordsThelibrary;Manipulator;Pneumaticcontrol;TheCADdrawings-PAGEIV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII18889第1章绪论 114831.1课题背景及研究意义 1149661.2国内外研究现状分析 1295821.2.1国内研究现状 11.2.220333国外研究现状 2166511.3课题研究的主要内容 4195681.4本章小结 431156第2章总体设计方案 5294332.1图书馆图书自动存取机械装置设计要求 5301202.2工作原理 533472.3图书自动存取装置的总体设计 7265282.4本章小结 914334第3章机械结构设计和部件选型 1080663.1图书馆自动存取装置结构设计方案对比性分析 10135843.1.1图书存取机械手结构方案的选择 10200393.1.2末端执行机构方案的选择 12313383.1.3移动机构方案的选择 14159613.2运动部件的驱动系统的选择 15190623.3图书馆自动存取装置的结构设计 15193473.3.1末端执行机构参数设计 1541773.3.2末端执行机构机械结构设计 161333.3.3图书馆自动存取装置三轴线性运动结构设计 21288133.3.4图书自动存取装置移动平台设计 25109343.4本章小结 2614573第4章气动系统及控制系统设计 2715124.1气动设计 27284184.1.1取书机构气动回路设计 27242534.1.2还书机构气动回路设计 28319714.1.3气动辅助元件的选择 30202584.2控制系统设计 30133814.2.1取书机构的工作方式 3029204.2.2取书机构PLC设计 31255434.2.3还书机构的PLC控制设计 35115234.3本章小结 3622320第5章产品的技术经济分析 3741535.1经济分析指标 3789315.2产品的成本估计 38174785.3与传统图书馆开销对比 38235295.4本章小结 3918891结论 4010548致谢 错误!未定义书签。31100参考文献 错误!未定义书签。16393附录A 错误!未定义书签。32101附录B 错误!未定义书签。--PAGE41-绪论课题背景及研究意义这个课题是研究图书馆自动存取图书的一种装置，也就是图书馆自动存取图书机器人。在平时人们的日常生活中，书籍已经成为绝大多数人必不可少的事物，去图书馆买书、借书是最主要的途径之一，面对如此大的需求，图书馆的平日管理的过程中，对于图书的分类、搬运和上架下架等作业需要花费大量的人力和时间，这大大增加了图书管理员的工作强度，有时还会出现上下架的错误和图书分类的错误等现象。目前，大多数的图书馆利用了数据库技术和条形码实现了图书信息的系统管理，即图书的典藏、采购、读者借还图书等环节的信息化管理，提升了整个图书管理的效率和服务水平，如今信息化的时代，图书馆缺少以机械作为基础装置的自动化装置。图书馆机器人的智能化和自动化能够减少图书管理员的工作强度、提高工作效率，而且现如今有很多需要在恒温、恒湿环境下保存的重要文献和重要资料档案，通过自动化的智能机器人代替人为操作能大大减少图书管理员出入图书馆、储藏室等对重要资料文献的保存环境所造成的破坏和扰动，更加有利于对资料的保护。因此，智能的图书存取装置，智能的图书馆是未来图书馆发展的重要趋势。如果能将图书的管理系统、智能的自动存取系统和物流相结合起来，完全可以实现让读者在家中就能够借书还书，这会给广大的读者带来极大的便利，因此，研究和开发图书馆自动存取图书装置是一项有利于社会和经济价值的项目。国内外研究现状分析国内研究现状现如今，大多数的图书馆仍然利用的是人工的上下架、整理和清点，这耗费了大量的人力物力和时间。为了提高工作效率，图书馆自动存取机器人的研究和开发也就出现了。2007年12月，我国广东省东莞市推出了国内首台图书馆ATM，如图1-1所示，这种自助型图书馆是类似于银行自助提款机ATM的小型自助存取图书的设备。这种设备的书库是由若干的可移动的机械柜组成，每个书柜都有独立的图书存取和传送装置，能够独立的进行图书的存取，整体的操作就类似于从银行的ATM机上存取钞票，当读者想要借还图书只要在ATM机上进行类似操作即可。该设备共可容纳图书500册，兼容了无线射频识别技术，并通过智能的机械手来实现图书的存取，这极大的降低了图书馆运营的成本，这项技术打破了传统的图书馆的经营理念，读者可以24小时进行图书的借还，节省了市民的大量的时间，其完全可以到离自己家近的图书馆ATM机上进行图书的借还。图1-2为苏州24小时自助图书馆，目前鄂尔多斯、北京、深圳、广州、上海、郑州等多个省市都相继推出了这种自助型图书馆ATM。图1-1深圳图书馆ATM图1-2苏州图书馆ATM国外研究现状国外在图书馆的自动存取图书机器人的研究和开发上已经有了很大的进展，现如今主要分为自动仓储是图书馆和移动式图书馆机器人。自动仓储式图书馆是一种大型的图书存取机构，名为ARC设备首先在美国犹他州的J.WillardMarriott图书馆使用，如图1-3所示。这种仓储式图书馆可容纳200万册书籍，书库整体被设计成自动化立体仓库，由机器人和码垛机互相配合以完成图书的存取工作，当图书管理员或者是读者要去书时，有码垛机从书库中取出书籍，然后由移动机器人把图书送至借书口，还书过程相反。这种大型的立体仓储式图书馆，虽然能大大的提高了图书管理的效率，但是系统造价相当之高，仅仅是机器人的价格就高达1200万美元，这放在一般的图书馆上是没有购买能力的，但是J.WillardMarriott图书馆的管理人员认为这种图书馆能极大地提升效率的同时还能减少运营的成本，目前美国芝加哥大学图书馆、加拿大等大学的图书馆都采取了这种图书自动存取设备。相比于自动仓储式图书馆，移动式图书馆机器人的研制和开发这极大地节省了制造和运营成本，在不改变图书馆的整体结构框架、书架的形状的前提下，利用图书馆机器人来进行搬运、自动上下架图书是一种非常可行的方案。根据不同的功能进行分类，图书馆机器人可以分为两种：一种是只负责图书搬运的机器人，负责把图书搬运到指定的地点；另一种是不仅仅可以将图书搬运到指定地点还可已进行图书的上下架的操作。图书馆搬运机器人是实现图书的搬运工作，目前来看图书馆搬运机器人已经在德国洪堡大学图书馆和日本大阪大学图书馆进行使用。德国洪堡大学的图书馆搬运机器人，如图1-3所示。该机器人可在总服务台和书架之间自动进行图书的上架，而且还能自动乘电梯来往于一楼和二楼之间，这个机器人耗资38万欧元。日本大阪大学图书馆的图书馆机器人，如图1-4所示。可以根据服务台发出的指令到达图书馆的指定位置，当读者阅读完图书后，把图书放在小车内，图书馆搬运机器人能够行至到该小车处，通过托盘将小车搬运到指定的地点。这种图书馆搬运机器人是利用地面的电磁导线进行导航的。无论是德国洪堡大学图书馆的搬运机器人还是日版大阪大学的图书馆搬运机器人都是需要图书管理员进行图书的分类和上下架的。图1-4日本大阪大学图书馆搬运机器人图1-4日本大阪大学图书馆搬运机器人图1-3德国洪堡大学图书馆搬运机器人图书馆自动存取机器人正在处于研究的阶段，这种机器人的智能化和自动化程度非常的高，其不仅仅能够实现图书的搬运还能够实现图书的上下架功能，虽然现在没有研发出一种成熟的图书馆自动存取机器人，但是它代表了以后图书馆的发展方向。在美国约翰霍普金斯大学研发出了一种相对完整的图书馆自动存取机器人CAPM，如图1-5所示。这个装置是由移动装置、机械手、视觉系统、升降装置、定位装置的部分组成，可以进行图书的定位，抓取和储存、图书的浏览的功能，CAPM是靠着在主程序中存入电子地图来导航其行动路径，当输入图书的存取要求的时候，装置会移动到图书的指定位置进行图书的抓取，但是要求书架上的图书要保持直立的松散的状态，这方面的设置还有待提高。在西班牙卡斯杰罗大学设计人员设计了一款名为UJI的图书馆机器人，如图1-6所示。这个图书馆机器人的载体是一个三轮的移动小车，小车，其上面有着7个自由度的机械手能够灵活的进行运作，另外在它的夹持机构上有这传感器和摄像头能够对图书进行准确的定位，它利用了红外线扫描来寻找读者需要的图书进行夹取，这种设计相比于CAPM，书和书之间是紧密连接的，而且书架不需要大的改动，非常的适合传统图书馆的推广和使用。图1-5约翰霍普金斯大学的图书馆机器人图1-6卡斯捷罗大学的图书馆机器人课题研究的主要内容本课题研究的是，在现有的图书馆机器人研究的基础上，对于移动式图书馆机器人的自动存取装置进行研究和设计，研究内容如下：通过对图书馆机器人存取机构的研究，对移动式图书馆机器人做一个整体的设计，包括存取书的机械手的方案选取、移动方案的设计等。利用CAD绘制整体的装配图及其各部分零件图，详细的确定其绘制尺寸和整体结构，并利用UG绘制其三维图，能够更加直观的展现其操作过程。编写气动控制程序、PLC，是其能够实现所设计的操作，更加的自动化和智能化。对设计的图书馆自动存取书机器人进行经济性分析，使其达到具有非常合理的经济性和可行性。本章小结阐述了国内外的图书馆机器人的现状和本课题研究的主要内容。总体设计方案图书馆图书自动存取机械装置设计要求图书馆自动存取装置的设计，也就是指图书馆移动式图书自动存取机器人，主要在于能够自动的完成图书的搜索、识别、上下架和搬运等功能。如图2-1所示，是图书馆利用移动式图书馆自动存取机器人进行取书、还书等操作的示意图，图书馆的藏书处和阅览处是分开的，在图书借还书的地方有一个电脑来对图书馆机器人进行命令，向其发出借书或者还书的指令，然后有图书馆机器人独自的完成图书的识别、搬运、存取等工作行为。图2-1图书馆环境工作原理图书馆机器人的工作原理如图2-2所示，读者或者管理人员通过电脑向图书馆机器人发出借书或者是还书的指令，当图书馆机器人接到借书指令后，先通过系统查询该书是否借出，若是没有借出，就搜索该书的具体位置，然后通过感知系统感知机器人自己的位置，设置优化路线已达到所要取的图书的位置，最后到达要取的书的具体的书柜位置，确定所要取得的图书的具体位置，通过机械手进行取书，取出书后小车移动到借书的位置，放下书籍回到小车原点任务结束。当图书馆机器人接收到还书的指令后，首先对图书进行识别，确定此图书所在的书柜的位置和层数及其具体的位置，然后移动小车到还书处，夹取书籍后确定自身所在位置，规划到此书的位置的路径，移动小车到达此书的具体位置，通过图书馆机器人的末端执行机构进行还书操作，然后回到小车的原点，完成还书任务操作。读者和图书馆管理人员能够一次性的进行多个指令，通过图书馆机器人的智能控制部分来优化时间和操作，对命令进行预处理，区别借书和还书，在执行命令是应优先的完成还书操作，还书操作结束后还能再次定位寻找要取的书籍，节省了大量的时间提高了整体的工作效率。图2-2图书馆机器人工作原理示意图在设计图书馆机器人的机构时，首先要考虑它所工作的环境，图书馆机器人是在图书馆的书柜之间进行图书的自动存取，空间比较狭窄，所以当设计小车的移动平台和末端执行机构时，必须要限制它的最大宽度，才能够保证图书股机器人的正常工作，另外，对于图书馆机器人的容易操作、结构相对简单、可移动性、工作安全性、工作效率和整体的外观也要做重要的考虑，当然，一个产品的设计和研发一定离不开它的经济性，在选材方面，在考虑材料的强度、刚度、韧性的基础上要考虑选材的价格是否合理，在选择零件方面，尽量使用标准件，这样可以在机器发生故障的时候能够很容易的解决问题，在产品的优化设计时也容易进行再一次的更新换代，这样既节约了制作成本有提高了生产效率，在设计非标准零件时一定尽量做到机构简单，易于加工和装配。图书自动存取装置的总体设计图书馆自动存取装置总的来说是由机械子系统和电气子系统两大子系统组成，总体的机构如图2-3所示，机械子系统包括了机器人的末端执行元件、线性执行元件和决定了机器人的运动方式的机械元件。其设计的重点在于机器人的末端的执行机构，能够按照设计方案顺利的完成图书的抓取工作和放置工作，要满足图书馆机器人运行所需要的速度、精度和其他的运动的需要。电气系统也可以进行详细的分类，它由电源子系统、人机交互子系统、感知子系统、控制子系统和上位机子系统组成，电气子系统包括了机械子系统所需的所有控制单元，它的设计的重点在于保障机械子系统的运动的实现，为机械子系统服务，对于整体的机器人的设计时要从机械子系统入手。图2-3图书馆图书自动存取机器人的总体结构机械子系统对于整个图书馆自动存取图书机器人来说相当于它的骨架，它的机械系统由两部分组成，包括在书柜之间移动的平台及末端执行机构，这两部分也就相当于它躯干和四肢部分，机械手是以移动平台为载体，通过控制子系统的控制完成图书的存取工作，对于图书馆机器人的机械手的设计要考虑所要夹取书籍的厚的重量的校核，执行元件的选取等因素，能够顺利的完成图书的存取工作，并且机械手的结构尽量要简单容易操作，控制方便而对于移动平台的设计，首先要考虑整个图书馆机器人是在书柜之间进行行进运动，要满足其尺寸的大小符合书柜之间的间距，然后考虑图书馆机器人实现工作的形式、所承受的末端执行机构加上图书负载的大小，当然还要考虑它整体外形的美观性。图书馆机器人的上位机子系统相当于它的大脑，因为这主要是实现各个子系统之间的协调工作并且监控它们的运行状态；保存图书馆机器人的内部信息包括位置、工作的环境和地图等信息；搜索需要存取的图书的所在书柜的位置和其具体的放置位置；接收感知子系统所接收到的一切信息。所以图书馆机器人的自动化和智能化程度完全决定于上位机子系统的好坏，上位机子系统是由CPU、输入输出设备、储存装置等单元组成，上位机子系统通常采用嵌入式系统，通过编写的高级算法来实现它的自动化和智能化。图书馆机器人的感知系统相当于它的感知器官，负责接收各种信息，包括传感器和一些辅助电路，它主要是接受机器人的内部信息和所处的环境信息，因此它包括内外两种传感器，如图2-4所示，整个装置的内部信息主要包括小车的移动速度、位移、机械手的行进位置、距离等因素，外部环境因素包括小车所处的零点的位置、所要存取的图书的书柜的位置和该图书在书柜上的具体位置等。图2-4图书馆自动存取图书机器人的感知子系统图书馆机器人实现所有的动作的动力都来源于控制子系统，在读者和图书管理员在机器人上的电脑上输入借书或者还书指令时，控制子系统负责把这些指令具体实施的动作，实现了机械运动的精确控制，包括小车的行进位置、末端执行机构存取书时的位置定位，小车的行进速度的控制和转矩和力的控制，图书馆在实现存取书运动是否能够精确、顺利的完成指定动作取决于控制子系统的好坏，控制子系统包括图书存取机械手臂控制系统和移动平台控制系统两部分，硬件部分由传感器、控制器、工控机、电动机和电源组成，另外本课题图书馆机器人的末端执行机构是采取的气动控制。图书馆机器人的人机交互子系统是用于读者和图书管理员于机器人之间的交流，主要是指人对图书馆机器人输入一些存取图书的指令，所以再设计人机交互子系统时一定要具有直观性、简洁性和易于操作和使用。它具有一个人机界面，人直接在其中输入指令传入上位机系统，机器人就会根据所得信息进行处理，包括图书存取的路劲的设计优化和图书的识别和选取。一个机器人要能够运动当然需要能量，对于图书馆机器人来说，它行走于图书馆的各个书柜之间，如果用外部的电源，那么会拖着很长的电线进行运动，而起在不同的路径时候会产生电线的缠绕的问题造成很大的麻烦，所以图书馆机器人要自备电源，它是图书馆机器人能够正常工作的保障。电池的种类很多，通常选取电池时需要考虑电池的大小、容量和充电性能，机器人的电池通常选用镍氢电池，它们具有很高的电容量并且充电性能很好，非常适合图书馆机器人的使用。本章小结通过对图书馆自动存取机构的人物特点，根据图书馆机器人工作环境的要求来确定整体的图书馆机器人的设计方案，是各个子系统之间的相互配合来实现整体的取书还书的操作过程。机械结构设计和部件选型图书馆自动存取装置结构设计方案对比性分析图书存取机械手结构方案的选择图书存取机械手是其完成图书存取操作的重要机构，它的工作过程是：当图书馆机器人接收到取书指令后，小车会根据其所设计的路线到达改图书的指定位置，通过机械手上的摄像头扫描并识别所需要取的图书后，进行图书的夹取；当图书馆机器人接收到还书的指令后，机械手的末端执行机构会夹取所还图书，机器人会对此图书所在的位置进行查询，然后小车会移动到改图书所在的位置，通过分书的机械手在指定的位置分开书籍，夹书机械手会把书籍送入该位置还书工作结束。典型的机械手结构如图3-1所示。（a）直角坐标机械手（b）柱面坐标机械手（c）球面坐标机械手（d）关节型球面坐标机械手图3-1典型的机械手结构直角坐标机械手如图3-1（a）所示，每个运动的自由度互相之间都成直角关系，这种机械手有X、Y、Z轴三个方向的自由度，被广泛的应用于装配、焊接、码垛、包装等工业机器人上，直角坐标机械手的运动直观性强控制简单，但是占地面积大动作灵活性较差。柱面坐标机械手如图3-1（b）所示，它是由两个平移关节和一个旋转关节组成，这种机械手可以完成X、Z轴的平移运动和Z轴的旋转运动，其工作面是一个圆柱面，它的结构紧凑定位精度高但是负载能力差，常用于工件的装卸、搬运和装配。球面坐标机械手如图3-1（c）所示，它是由一个平移关节和两个旋转关节组成，可以完成X轴的平移运动和X、Z轴的旋转运动，这种机械手的占地面积小机构紧凑，活动范围大动作较灵活，但是其运动的控制比较复杂，常用于机器人电焊、搬运。关节型球面坐标机械手入股3-1（d）所示，它是由三个旋转关节组成，可以进行X、Y、Z轴的旋转运动，它的通用性强、动作灵活和活动范围大，但是运动直观性差，运动控制较为复杂，常用于喷漆、装配和焊接，因为其活动平面大部分为球面，所以被称为关节型球面机械手。表3-1典型机械手结构的比较类型工作空间特点缺点应用直角坐标型长方体运动直观性强、控制简单、活动范围大占地面积大、动作灵活性较差焊接、装配、上下料、码垛、包装柱面坐标型圆柱体机构紧凑、定位精度高、占地面积小负载能力差装卸、搬运、装配球面坐标型球体活动比较灵活、大通用性强、占地面积小运动控制比较复杂机器人点焊、搬运关节型近似球体通用性强、动作灵活性强、活动范围大运动直观性差、运动控制比较复杂喷漆、装配、焊接典型的机械手结构比较如表3-1所示，从功能方面来看，采用关节型的机械手最为合适，它能够增加机器人的灵巧性和柔顺性，但是它的成本非常的高、控制复杂、运动直观性差。相比较而言，采用直角坐标型机械手，控制相对简单而且成本低，运动直观性也比较强，是比较理想的方式。另外，对于图书馆机器人而言，它需要机械手上的摄像头沿着Y轴对图书进行识别和扫描，通过对比这几种机械手，直角坐标机械手最为容易完成沿着Y轴的直线运动，而其他的几种机械手需要很复杂的运动才能完成这个动作。因此，选择直角坐标机械手作为图书馆机器人的机械手机构更为合适。现如今，为了降低整体的制作成本、缩短生产周期、提高产品的性能、增加产品的可靠性，直角坐标机械手的好多部件都已经能进行模块化的生产，其中线性执行器已成为直角坐标机械手的核心元件，线性执行器是指运动滑块在定位体型材的轨道上进行直线运动的机构，直角坐标机械手的直线定位单元，通常可以分为齿轮齿条线性执行器、滚珠丝杠线性执行器、同步齿形带线性执行器等。滚珠丝杠线性执行器如图3-2（a）所示，它多用于行程较短的紧密运动。同步齿形带线性执行器，如图3-2（b）所示，它比较适用于长行程的、快速的线性移动。滚珠丝杠线性执行器（b）同步齿形带线性执行器图3-2直角坐标型机器人常用的线性执行器末端执行机构方案的选择本课题设计的重中之重是图书馆机器人机械手臂的末端执行机构，这部分的设计是否合理直接决定了图书馆机器人能否成功的存取图书。在执行取书的动作时候，本设计采用了模仿人手进行在书架上取书的动作，有一个拨书机构还有一个图书的夹取的机构，通过机械手臂的移动和定位，末端执行机构运动至所需要取的图书的位置，上面的拨书机构把目标书籍拨出来，然后夹取机构夹取图书被拨出来的部位，最后完成目标图书的夹取操作，为了防止图书被损坏，与图书接触的拨书部分和夹书部分为橡胶材料制作如图3-3所示为图书的夹取过程原理图。图3-3取书原理图还书机构是在取书机构的正下方，有一个长的手爪部分负责在需要送还的目标书籍位置进行一个分缝动作，然后通过上面的手爪送入书籍，当然还书机构需要考虑对书籍送入时对书籍进行一个收拢，已达到书籍完好的送入准确位置。如图3-4所示为还书机构原理图。图3-4还书机构原理图因为所取的书籍的尺寸厚度都不同，所以在设计图书的夹取机构时，要考虑机械手指的开闭范围，以保证能够顺利的完成图书的夹取动作，另外图书的夹取力度一定要合适，如果夹取的力度过大会造成能量的浪费，如果夹取力度过小，会造成图书在夹取过程中发成脱落。图书的夹取机构在设计过程中，在满足所需的必要性能的同时尽量做到结构简单、紧凑、重量轻。移动机构方案的选择对于图书馆机器人来说，其工作环境是在图书馆的书柜之间，两书柜之间的间距一定，要考虑图书馆机器人的外形尺寸，整个图书馆的范围是相比之下非常大，所以图书馆机器人就需要整个图书馆范围的移动能力。移动机器人常用的几种移动机构包括腿足式、轮式、履带式，相比于腿足式和履带式两种方案轮式机器人的控制简单、反应快、运动灵活和能量的消耗小，特别是在图书馆这样的工作环境，轮式的机器人在工作上更占据了优势，而且，在机器人的定位方面，可以通过一些检测装置扫描小车轮子的旋转速度、半径、整体的移动速度等方面进行小车的精准定位。当然轮式机器人在移动过程中，也会出现一些问题，例如：由于图书馆的地面比较光滑，在小车进行移动的过程中发生偏移和打滑等现象，会对图书馆机器人的具体定位造成影响。对于图书馆机器人的移动，小车车轮的选择至关重要，小车车轮与图书馆的地面、承载的重量都息息相关，如果要是用轨道，就选用钢制车轮，如果是小车直接在图书馆的地面上运行，直接选择橡胶充气轮胎，本课题在不改变图书馆的情况下运行，所以选择橡胶充气轮胎。选择轮式机器人有两种驱动方式：驱动式和差分驱动式，驱动式是指小车运动的方向和速度等因素是有不同的轮子的控制来实现的，差分驱动式是指小车的运动、速度和方向等因素是由同一个轮子来控制的，本课题选用差分驱动式的驱动方式，这能使得小车的整体控制简单容易操作和实现。在设计小车轮子时候，可以是三轮结构也可以是四轮结构，三轮机构的优点在于运动灵活，控制容易，工作环境是相对狭小的图书馆的书柜之间，而且负载小，需要极大的灵活性，所以本设计选用的是三轮结构的小车。小车的示意图如图3-5所示。图3-5小车示意图运动部件的驱动系统的选择常用的驱动系统包括：电机驱动、液压驱动和气压驱动，移动小车的两轮和机械手的X、Y、Z轴均采用电机驱动。因为图书馆机器人所工作的环境决定了其对环境没什么影响，电机驱动的无污染、无气味、无烟尘、噪音小，非常的适合于图书馆。移动机器人常用的电机有直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机，交流伺服电机不需要经常地维护，但是它的价格高昂电路复杂，相比交流伺服电机，直流伺服电机的控制简单、价格便宜、体积小，但是需要定期的维护，使用寿命相对较短，步进电机相比于上两个电机而言过载能力弱，有时候会出现失步现象。综合以上三种电机的优缺点，选择直流伺服电动机。移动机器人的小车选用两台直流伺服电动机来控制小车的两个车轮，直角坐标机械手选用的是步进电机，对于整个移动机器人来说，一个合适的电机能够更加有效的进行工作，如果电机的功率大那么它的体积和质量也大，如图电机的功率小，不能达到机器人的要求，那么机器人的工作就不稳定，所以说选择一个合适的电机对于机器人非常大的重要。移动图书馆机器人的X、Y、Z轴的移动个都是通过滚珠丝杠来实现的，以移动机器人的Y轴方向的运动为例，丝杠上的电机通过减速器，把力传给联轴器，联轴器又把力传递给丝杠，丝杠和机械手的Z轴相连，使机器人的升降机构沿着Y轴运动，因为图书馆机器人的末端执行机构的连接，所以Z轴和X轴的丝杠要承受一些力，要保证其不变形。图书馆机器人的末端执行机构是本课题研究的重点，它采用的是气压驱动。其压驱动的优点在于结构简单、动作比较迅速而且无污染，但是气压驱动的稳定性略差，气缸的伸缩速度不容易控制，图书馆机器人的夹书机构对于气缸的速度没什么大的要求，所以可以忽略气缸的稳定性不好、伸缩速度不容易控制的缺点。但是夹取图书的气缸需要考虑它的夹取力度，因为图书都为纸制品，所以如若夹取力度大一些也不会对图书造成损坏，但是如果夹取力略小的话，会在图书夹取过程和移动过程发生图书掉落的情况。图书馆自动存取装置的结构设计末端执行机构参数设计设图书的质量不大于2kg，尺寸范围是32开到16开，厚度的范围是6到20mm，所以选取机械手开合气缸的行程为30mm，伸缩气缸的行程为30mm，旋转气缸的旋转角度为90°，小车宽度不大于800mm。末端执行机构机械结构设计图书馆机器人的末端执行机构可以分为取书机构和分书机构，整个取书操作是取书机构独立完成，而还书操作是有分书机构和取书机构共同完成。还书过程是首先通过摄像头对目标图书的位置进行定位，通过分书机构在书架上对于目标位置进行分离图书产生缝隙，然后通过夹书机构夹取图书放入目标位置。（1）取书机构图书馆机器人的取书机构由拨书的机构、夹书的机构、伸缩机构和旋转机构，取书机构如图3-6所示。图3-6取书机构示意图拨书机构的设计是模仿人在图书馆取图书时候，用食指拨书然后加取书籍，所以在拨书手指的末端需要橡胶，这样才能增大于书脊上方的摩擦，保证图书能够被拨出来，在拨书机构进行操作的时候需要X轴的线性执行器带动其工作，具体运动为：拨书机构在目标图书的书脊上方下压图书，X轴的线性执行器向X轴的负方向移动，使图书沿着书脊作旋转运动。拨书手指的材料选择LC4，重量为0.0013kg。夹书的机构类似于人在取书时候大拇指和中指的夹取过程，所以它是由两个手指和一个开合气缸组成。夹书的手指的力度和开合范围是通过开合气缸来控制的，由于图书是纸制品所以如若夹取力度大一些也不会对图书造成损坏，但是如果夹取力略小的话，会在图书夹取过程和移动过程发生图书掉落的情况，在调整气泵的压力的时候尽量选取大气压。夹书的机构开合气缸的原理是把空气进行压缩并转化成机械能，根据整体运动和设计要求选择合适的气缸。夹取图书机构的开合气缸选择SMC气动公司的型号为MHL2-16D的平行式开合气缸，如图3-7所示。图3-7开合气缸标准参数如表3-2所示。表3-2开合气缸标准参数缸径16mm流体空气动作形式双动最高使用圧力0.6Mpa最低使用圧力0.1Mpa环境和流体温度-10~+60℃重复精度±0.1mm保持力N45N（4.6kgf）行程30mm重量585g开闭宽度68~98mm开合气缸的主要校核：设图书和夹书手指之间的摩擦系数f=0.8，图书的最大质量为2kg，所以图书的夹进过程所需要的保持力N=1.6kgf小于所选开合气缸的保持力4.6kgf，而且图书的厚度设为6~20mm，所以所选择的开合气缸的行程30mm完全满足夹取图书的需要。在整个取书过程中，X轴的线性执行器带动拨书机构沿着其X轴负方向运动，使图书绕着书脊旋转从而离开书架一部分，这时候停止，需要夹书手指继续向X轴正向移动，然后夹取书籍，最后线性执行器带动着整个取书的机构向X轴的负方向运动，完成取书动作。因此要完成这个动作需要一个伸缩气缸来配合，此过程选取的伸缩气缸为SMC公司生产的型号为MGPM16-30新型带导杆气缸，如图3-8所示。图3-8伸缩气缸标准参数如表3-3所示。表3-3伸缩气缸标准参数缸径16mm流体空气动作形式双动最高使用圧力1.0Mpa最低使用圧力0.12Mpa环境和流体温度-10~+60℃行程公差+0.50mm最大侧面负载F27N行程30mm重量420g最大抗扭力T0.49Nm伸缩气缸的主要校核：对于伸缩气缸来说，其连接着夹书的手指机构，还包括夹取的书籍，由表3-2可知开合气缸的质量为0.585kg，夹书手指采用的是黑塞钢质量为0.008kg，夹书手指机构重心到伸缩气缸的距离大概为10mm，由此可以算出伸缩气缸侧面所承受的负载为25N小于表3-3所给的最大侧面负载27N，可以满足正常取书过程的需求。旋转气缸的作用主要是，在取书的过程中夹取手指机构夹取图书后，X轴的现行执行器沿着X轴的负方向运动一段距离，然后通过旋转机构把整个机械手臂旋转到要放书的书筐位置，在还书过程中，通过旋转使得夹取机构处于书筐的位置，夹取目标图书后，旋转至书柜方向，X轴方向的滚珠丝杠线性执行器作正向运动，在分书装置的分书结束后，通过夹取手指把目标图书送入其所在位置。旋转机构的选择是SMC气动公司生产的型号为MSQB10A的转台型齿杆式回转摆动气缸，如图3-9所示。图3-9旋转气缸标准参数如表3-4所示。表3-4旋转气缸标准参数缸径10mm流体空气动作形式双动最高使用圧力1.0Mpa最低使用圧力0.6Mpa环境和流体温度-10~+60℃行程公差+0.50mm最大径向负重78N最大轴向负重78N重量530g最大弯矩W2.4Nm角度调节范围0°~190°最大回转角度190°旋转气缸的主要校核：旋转机构的主要受力为轴向旋转，所以主要校核的是旋转气缸的最大弯矩和最大轴向负重。轴向负重包括夹书机构和取书机构和所要夹取的图书的重量，图书的最大质量为2kg，由表3-2可知开和气缸质量是585g，由表3-3可知伸缩气缸的质量是420g，共约为30N，由表3-4可知此旋转气缸的最大轴向负重为78N，最大弯矩为2.4Nm，满足要求。夹书手指、图书、开和气缸、伸缩气缸、连接板（选用材料为LC4，重量较轻可以忽略）总的重心到旋转气缸旋转轴的圆心的距离约为0.05m，所以最大弯矩为1.5Nm，满足要求。、图书馆机器人的取书结构总质量约为3kg，加上图书的最大质量2kg，总体的重量不超过5kg。分书机构图书馆机器人的分书机构的整个分书运动利用开合气缸、伸缩气缸和旋转气缸的相互配合来实现运动的，分书机构如图3-10所示。图3-10分书机构图书馆机器人的还书过程是通过取书机构与分书机构相互协作完成，在取书机构夹取图书利用X轴滚珠丝杠线性执行器运动至所夹取的图书所在的位置，分数机构由的机械手臂由原来的竖直状态利用旋转机构旋转到水平位置，其手指部分中间的巨大缝隙正好把图书框在其内，然后分书机构的伸缩机构使分书机构最前端的薄的分书部位，伸入图书应在的位置的缝隙中，开合机构在进行开合运动，利用取书机构伸缩机构把书送到所分开的缝隙中，完成还书操作。分书机构的开合部分主要是在于分书机构的末端插入图书缝隙时候开合，使得图书分开，此过程选择SMC气动公司的型号为MHL2-16D的平行式开合气缸，如图3-7所示。开合气缸校核：设书架一层大概放40本书籍，中间有一个隔层也就是一侧是20本书，图书在书架上放置与书架之间的摩擦系数为0.1，每本书籍最大质量为2kg，所以分开图书所需要的最大力N=4kfg，由表3-2所示，开和气缸的最大保持力为4.6kfg，所以满足要求。分书机构的伸缩部分是作用在末端插入图书所在位置的缝隙，选取的伸缩气缸为SMC公司生产的型号为MGPM16-30新型带导杆气缸，如图3-8所示。伸缩气缸校核：主要的受力是开合气缸的重量和分书手指的重量，分书手指的重量约为15g，开合气缸的质量如表3-2所示为585g，所以总质量为600g，分书部分的重心到伸缩气缸的距离大概为15mm，所以伸缩气缸侧面所承受的负载为9N小于表3-3所给的最大侧面负载27N，满足要求。分书机构的旋转部分的作用是把整个的分书部分从竖直位置旋转到水平位置已完成分书动作，在完成取书动作后旋转回竖直位置，旋转机构的选择是SMC气动公司生产的型号为MSQB10A的转台型齿杆式回转摆动气缸，如图3-9所示。旋转气缸校核：旋转气缸主要受的是径向负重和轴向旋转，径向负重包括分书手指、开和气缸和伸缩气缸，分书手指的质量为16g，由表3-2可知开和气缸质量是585g，由表3-3可知伸缩气缸的质量是420g，共约12N，由表3-4可知此旋转气缸的最大轴向负重为78N，最大弯矩为2.4Nm，满足要求。图书馆机器人的末端执行机构是整个本课题设计的重中之重，通过取书机构、分书机构和X、Y、Z轴的滚珠丝杠线性执行器之间的相互配合来完成图书的存取功能，末端执行机构设计的成功与否直接关系到图书馆机器人存取书籍动作的顺利完成。图书馆自动存取装置三轴线性运动结构设计直角坐标型机械手是沿着X、Y、Z轴进行线性运动，图书存取机构的末端执行机构连接在X轴的现行执行器上，如图3-11所示。图3-11直角坐标机器人三轴方向线性运动直角坐标机器人的X轴方向是其前后的运动方向，要完成机器人的取书和还书动作需要在X轴方向上有两个线性执行器。在进行取书动作时，小车移动到目标图书的位置，图书的夹取机构连接在上面的X轴线性执行机构的滑块上，拨书机构下压书脊上端后，通过滑块沿X轴的正方向移动来完成书籍的旋转和夹取图书后，书籍的完全取出。在完成还书机构的时候，还书机构连接在下面的X轴滑块上移动到图书位置，进行分书、还书等动作。要求X轴方向的移动的有效距离为0~500mm，图书馆机器人的末端执行机构连接在X轴的滑块上，所以它的负载为末端执行机构的重量和所夹图书的重量，本课题设计采用的是深圳市福士工业科技有限公司的机械手模块，选用的型号为ss60-10-500-T-256-s1标准型丝杠线性执行器。线性执行器具体参数如表3-5所示。表3-5X轴线性执行器具体参数底座宽度60mm总长812mm本体重量3.8kg定位精度±0.02mm丝杠导程10mm行程0~500mm电机选择两相56步进电机最高速度300mm/sec最大水平负载10kg最大垂直负载5kg负载力矩Ma50Nm负载力矩Mb50Nm负载力矩Mc65Nm负载伸出长度三方向均小于100mm线性执行器受力如图3-12所示。末端执行机构的取书机构总重的最大值约为3kg，图书的质量为2kg，总的质量之和为5kg，还书机构的质量的最大值约为3kg，取书和还书机构分别连接在上下两个X轴线性执行器的滑块上，符合线性执行器的对于最大负载的要求。估算还书机构和取书机构到滑块的重心距的最大值都为L=0.2m，所受的最大力矩为Ma方向。取书机构的最大力矩：Ma=mgLa=5kg×10Nm/s2×0.2m=10Nm<50Nm符合设计要求。还书机构的最大力矩：Ma=mgLa=3kg×10Nm/s2×0.2m=6Nm<50Nm符合设计要求。X轴方向的上下两个线性执行器通过不同的工作过程已达到图书馆自动存取机器人末端执行机构的图书存取操作，在整个结构中起到了至关重要的作用。图3-12线性执行器力矩分析X轴的两个线性执行器连接着的末端执行机构都沿着Z轴作垂直的升降运动，通过Z轴的线性执行器的升降以使得机械手能够达到目标图书所在的位置，在选择Z轴的线性执行器时，要保证其运动的稳定性和在竖直方向的直线度，根据整个图书馆机器人设计的需要，设定其有效行程为0~1000mm，它所承受的负载包括两个X轴的线性执行器及其上面的取书机构、还书机构和图书的总质量。Z轴选用的线性执行器的型号为ss130-10-1000-T-286-s1标准型丝杠串联线性执行器，其具体参数如表3-6所示。表3-6Y轴线性执行器具体参数底座宽度130mm总长1406mm本体重量17.7kg定位精度±0.02mm丝杠导程10mm行程0~1000mm电机选择两相86步进电机最高速度200mm/sec最大水平负载28kg最大垂直负载10.5kg负载力矩Ma100Nm负载力矩Mb100Nm负载力矩Mc120Nm负载伸出长度三方向均小于100mmZ轴线性执行器所受的总负载包括两个X轴的线性执行器及其上末端执行机构和图书，m=5kg+3kg+3.8kg+3.8kg=15.6kg，Mb方向所受的力矩最大。Mb最大值=mgLb=15.6kg×10Nm/s2×0.2m=31.2Nm<100Nm，符合设计要求。Y轴方向是机器人的平移方向，当小车运动到目标位置时候，机械手由Y轴进行移动，对这一层的书籍和位置进行扫描来确定具体的位置，来进行图书的存取动作。Y轴上线性执行器上的负载包括两个X轴的线性执行器及其上的末端执行机构、图书和Z轴的上升机构，选取的Y轴线性执行器的型号为ss160-10-400-T-286-s1标准型丝杠并联线性执行器。其具体参数如表3-7所示。表3-7Y轴线性执行器具体参数底座宽度160mm总长757mm本体重量19.8kg定位精度±0.02mm丝杠导程10mm行程0~400mm电机选择两相86步进电机最高速度250mm/sec最大水平负载35kg最大垂直负载10kg负载力矩Ma120Nm负载力矩Mb120Nm负载力矩Mc200Nm负载伸出长度三方向均小于100mmY轴所受的负载总量m=15.6kg+17.7kg=33.3kg<35kg，满足要求。在设计完直角坐标机器人的X、Y、Z轴所需的线性执行器后，还需要设计连接板和安装板等。直角坐标机器人的X、Y、Z三轴的性能指标如表3-8所示。整体的结构如图3-13所示。图书馆机器人的除了小车之外的运动结构的零件清单如表3-9所示。表3-8X、Y、Z三轴性能指标方向工作范围定位精度速度负载X轴Ⅰ0~500mm±0.02mm0~30mm/s≦5kgX轴Ⅱ0~500mm±0.02mm0~30mm/s≦3kgY轴0~400mm±0.02mm0~30mm/s≦33.5kgZ轴0~1000mm±0.02mm0~30mm/s≦15.6kg图3-13X、Y、Z三轴的整体设计方案图表3-9运动结构零件清单序号零件名称数量材料重量（kg）备注1拨书手指1LC40.00132夹书手指2黑赛钢0.0083还书手指2黑赛钢0.0084开合气缸2多种0.585MHL2-16D5连接板2LC40.0016伸缩气缸2多种0.42MGPM167旋转板2LC40.0028旋转气缸2多种0.53MSQB10A9X轴安装板2LC40.003210X轴执行器2多种3.8SS6011Z轴安装板1LC40.001912Z轴执行器1多种17.7SS13013Y轴安装板1LC40.002614Y轴执行器1多种19.8SS160图书自动存取装置移动平台设计图书馆机器人的移动小车可在AGV的基础上进行改造，通过图书馆机器人的工作环境来进行设计小车的尺寸，设图书馆的前后书柜之间的距离为1000mm，那么要设计小车的宽度不能大于800mm。小车采用的是三轮结构，前面一个从动轮，后面两个轮子独立驱动，这样的结构可以使小车任意改变方向。小车示意图如图3-13所示。图3-13小车示意图小车设计结束后，整个图书馆机器人的结构设计也就进行到了末端，图书馆机器人的整体结构图如图3-14所示。图3-14整体机构图本章小结通过对移动方案对比选择合适的方案，通过校核选择合适的零件，来进行图书馆机器人整体的结构进行详细的设计校核，在保证实现规定动作的同时，保证机构的简单、容易操作。气动系统及控制系统设计气动设计图书馆机器人的取书机构和还书机构采用了气动驱动控制，使得其维修简单、结构简单、无污染和工作稳定，本章节主要是对图书馆机器人的末端执行机构的控制进行设计。取书机构气动回路设计取书机构的气动结构采用模块化设计，各个模块之间相互不影响，通过各个模块之间的动作完成整体的机构的动作，取书机构的气动元件包括开合气缸、伸缩气缸和旋转气缸，每个气缸都由一个方向控制阀来控制，利用限位开关进行限位，通过单向调速阀调整气缸的速度，气动回路图如图4-1所示。图4-1取书机构气动回路图每个电磁阀的动作控制如表4-1所示，1YA控制开合气缸的松开，2YA控制开合气缸夹紧，3YA控制伸缩气缸伸出，4YA控制伸缩气缸缩回，5YA控制旋转气缸正转，6YA控制旋转气缸反转，当气缸运动碰到限位开关时产生电信号，通过电信号控制各个控制阀的转换。表4-1中“－”代表不动作，“+”代表动作。表4-1电磁铁动作表1YA2YA3YA4YA5YA6YA松开+－－－－－伸出－－+－－－夹紧－+－－－－缩回－+－+－－正转－+－－+－松开+－－－－－反转－－－－－+夹紧－+－－－－还书机构气动回路设计图书馆机器人的还书机构是在取书机构的基础上设计的，需要取书机构的配合完成整体的还书操作。气动结构也采用模块化设计，各个模块之间相互不影响，通过各个模块之间的动作完成整体的机构的动作，还书机构的气动元件包括开合气缸、伸缩气缸和旋转气缸，每个气缸都由一个方向控制阀来控制，利用限位开关进行限位，通过单向调速阀调整气缸的速度，气动回路图如图4-2所示。图4-2还书机构气动回路图每个电磁阀的动作控制如表4-2所示，因为整体的还书过程需要取书机构的配合，所以整体的控制包括取书机构的控制，7YA控制开合气缸的张开，8YA控制开合气缸闭合，9YA控制伸缩气缸伸出，10YA控制伸缩气缸缩回，11YA控制旋转气缸正转，12YA控制旋转气缸反转，当气缸运动碰到限位开关时产生电信号，通过电信号控制各个控制阀的转换。表4-1中“－”代表不动作，“+”代表动作。表4-2电磁铁动作表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10YA11YA12YA正转－－－－+－－－－－－－松开+－－－－－－－－－－－夹紧－+－－－－－－－－－－反转－+－－－+－－－－－－正转－+－－－－－－－－+－伸出－+－－－－－－+－－－张开－+－－－－+－－－－－伸出－++－－－－－－－－－松开+－－－－－－－－－－－缩回－－－+－－－－－－－－夹紧－+－－－－－－－－－－伸出－－+－－－－－－－－－缩回－－－+－－－－－－－－缩回－－－－－－－－－+－－闭合－－－－－－－+－－－－反转－－－－－－－－－－－+气动辅助元件的选择速度控制阀：速度控制阀也就是指的图中的单向节流阀，通过节流阀对流量的控制来调节气缸的运行速度，单向阀的作用是使得气单向流动，防止发生逆流动，在本次设计时候，每个气缸的进气路和出气路都需要单向节流阀来控制。方向控制阀：方向控制阀是通过接通的电磁信号，改变阀位来使得气流进入不同的通道，从而改变气流的运动方向，此设计采用的是三位五通的电磁换向阀，每个气缸都通过一个电磁换向阀来控制。压力控制阀：压力控制阀的工作方式是改变工作压力。它主要安装在末端执行机构的气动控制回路上，压力控制阀的优点是控制精度高、压力小。消音器：主要作用是降低噪音，气动系统在工作的时候会产生很大的噪音，通过使用消音器能极大地降低噪音，对于图书馆机器人所在的工作环境也就是图书馆有着极大的帮助。空气压缩机：空气压缩机主要作用是进行空气的压缩，为整个的气动结构提供气流。气源处理组件：主要包括气动三联件分水滤气器、油雾器和减压阀。控制系统设计在图书馆机器人取书和还书的过程中采用PLC控制，完全可以通过改变PLC的流程来实现，为了满足要求，将机械手设置为自动、手动、等多种工作方式。取书机构的工作方式取书机构有5种工作方式，包括手动、连续、单步、回原点和单周期等运动模式，其操作面板如图4-2所示。图4-2操作面板执行手动模式的时候，就是通过按操作面板上的6个按钮，来执行操作，手动控制机械手的运动。执行单步模式的时候，是以原点状态开始每次按下起动按钮，整个PLC系统就按照所编写的顺序功能图来执行其中的下一步操作。执行单周期和连续型操作时候，单周期是自动的按照顺序功能图完成一个周期后停止，而连续是一直循环下去。回原点模式时候，就是机械手不论处在什么位置都会返回设置好的初始位置。取书机构PLC设计取书机构的PLC设计包括了一个主程序和四个子程序。主程序OB1如图4-4，通过调用子程序来实现各种工作方式，公共程序是无条件调用的，一旦接通电源就开始执行公共程序，当触点I1.5接通时，调用手动子程序并执行，当触点I1.6接通时，调用回原点子程序并执行，当触点I2.0或I2.1触点接通时，调用自动子程序实现其自动控制。图4-4主程序OB1公共程序设计。公共程序是每个工作方式都要执行的程序，也用于不同工作方式之间切换的处理。取书机构的原点条件是在水平位置，开合手指加紧，伸缩气缸缩回。此时表示手指夹紧的Q0.0和伸缩气缸的缩回限位I0.2和反转限位I0.4串联接通，原点标志M0.5位ON。当开始执行用户程序时，系统处于手动或自动回原点状态是，如果处于原点状态，那么初始步M0.0置位，以便执行接下来的工作，如果M0.5位OFF，那么M0.0复位，接下来的动作都无法执行，在处理不同的工作方式时，应将有存储功能的位元件复位。公共程序如图4-5所示。图4-5公共程序手动程序设计。手动程序工作是通过控制面板上的6个按钮来控制取书机构的各项操作。为了能使系统的安全运行设置了一些互锁。例如正转反转和伸出缩回之间的互锁等，手动程序如图4-6所示。图4-6手动程序自动程序设计。自动程序包括了单周期动作、连续动作和单步动作，执行自动程序的顺序功能图如图4-7所示。图4-7取书机构顺序功能图执行连续运动时，控制面板的连续开关I2.1和转换允许标志M0.6为ON，原点条件标志M0.5和初始步M0.0为ON，按下起动按钮I1.3，此时夹书手指夹紧步 M2.0位ON，手指夹紧阀Q0.0置位松开，接通了 T37计时器计时2s，连续型线圈M0.7通电并保持，2s过后伸出步M2.1置位，线圈Q0.1通电，机械手伸出，碰到限位开关I0.1，M2.2变为活动步，M2.1变为不活动步，手指夹紧阀Q0.0复位并T38接通计时2s，手指夹紧。有系统将按照顺序功能图一步步执行下去。当系统运行到M3.1步后，连续标志M0.7通电，转换条件M0.7·T38满足返回到M2.0方向继续循环操作。单周期的系统的行进过程和连续过程相同，但是在执行完一个周期后运动停止，连续标志M0.7为OFF，转换条件满足，系统返回并停留在初始步，取书机构停止运动。单步运动按下开关I1.7，转换标志M0.6为OFF，每按一下起动按钮都会按照顺序功能图执行下一步动作，然后停止。但是如果不对动作进行限制，就会发生按下起动按钮I1.3，会一直重复上一个动作，导致错误和发生事故，所以需要补充程序如图4-8所示。图4-8输出电路回原点程序设计。回原点程序是指在取书机构的机械手处于执行中的某一步时候，通过回原点程序回到原点位置。顺序功能图如图4-9所示。回原点开关I0.6为ON，根据机械手所在的位置可以分为三种情况。第一种是夹书手指处于夹紧状态并且I0.4置位，按下起动开关I1.3，M1.0变为活动步，线圈Q0.2通电，集邂逅缩回并T39计时两秒，碰到缩回限位I0.2，M1.1变为活动步，M1.0变为不活动步正转，此后按照顺序功能图一步步回到原点位置。第二种夹书手指处于夹紧状态，I0.4复位，直接执行M1.1正转，并按照顺序功能图执行下去。第三种是夹书手指处于松开状态，没有夹书直接执行M1.4，线圈Q0.2通电，伸缩气缸缩回，并按照接下来的顺序功能图直接回到原点位置。图4-9回原点顺序功能图当回原点程序M0.5接通，并且起动开关I1.3打开，开始执行初始步M0.0，所以可以认为M0.0是回原点程序M0.5的后续步。还书机构的PLC控制设计还书机构是夹书机构和分书机构组成，整体的设计方法与取书机构的设计方法相同。整个还书机构在执行还书动作的过程中，包括了取书和分数两个动作，初始位置设为夹书手指加紧Q0.0为ON，分书手指加紧Q1.0为ON，都处于反转限位。整个还书机构的顺序功能图如图4-10所示。图4-10还书机构顺序功能图本章小结本章通过设计图书馆机器人的取书和还书机构的PLC控制系统，机械手的工作更加的灵活，更好的实现取书和还书动作。产品的技术经济分析经济分析指标技术经济分析的指标可以分为收益类、消费类和效益型指标。收益类指标：指的是产品的数量、质量和品种指标。数量指标指的是产品的技术方案的有用成果，包括实物量和价值量指标。质量指标指的是产品在运动过程中的性能，是否经常需要维修和用户对于产品的满意程度的指标。对于质量指标无外乎产品的合格率、生产率等，而对于消费者来说所看的就是产品的使用时间、技术性能等。品种指标是指对于所研发的产品类似的产品的种类的指标。一个产品的研发大多数是在于原有产品的改进，实现功能的更全面化，但是整体的功能会有类似情况。消耗类指标：指研发一个产品所需要的投资和研发成本和费用，从一项产品的研发到投入生产再到投入市场，这个过