检测控制子系统是根据“物质流”的“动作逻辑”而建立的,动作逻辑的每一步几乎都对应一个执行机构(可能有重复对应的);所以每一个“执行机构”都是一个“被控对象”,每一个“被控对象”都应当配一个“控制器”,以及“物质流”动作信息的“传感检测器”;“被控对象”“控制器”和“传感检测器”就构成了一个“自动控制单元”。“控制器”和“传感检测器”则构成该“自动控制单元”的“检测控制模块”。将所有检测控制模块按“物质流”的动作逻辑组合在一起,则构成了机电一体化系统的“检测控制子系统”。该“检测控制子系统”就是机电一体化系统的“操控者”。按动作逻辑编写的控制程序(控制信号的顺序)则是“信息流”。具体到收集机器人检测控制模块确定如下。
1.寻找“动作”对应的“执行机构”(即“被控制对象”)
下面按5.1.3小节收集机器人“动作”分解的结果去寻找本节5.1.4中已经确定的执行机构。
(1)收集机器人“前行”1 m
由于收集机器人是由自动行走机器人驮过来的,本身呈“站立”态〔见图5-3(b)〕,给一个指令信号,则后轮驱动就可前行。
结论:“前行”动作对应的执行机构是“后轮”。需要给后轮的驱动电动机一个启动指令。
(2)“登上”台阶
收集机器人走到台阶前是“站立”态,上台阶的动作靠后轮驱动和惯性完成。要做的动作是:先“收回折叠腿”,前轮和辅助轮上台阶,紧接着“后轮上升”,后轮上台阶,并同时“转90°”,三个驱动轮呈图5-2所示状态。
结论:“收回折叠腿”动作对应的驱动装置是气缸2;“后轮上升”动作对应的驱动装置是气缸3;“转90°”动作对应的驱动装置是气缸1。
“收回折叠腿”需要给一个信号指令;“后轮上升”与“转90°”是紧跟着“收回折叠腿”的动作,可用时序延时方法控制。
(3)在台阶上“自由行走”,走到货架旁“定位”,以便抓取松糕
“自由行走”靠三个驱动轮调整速度,“定位”靠地标。
结论:“自由行走”动作的执行机构是三个驱动轮。驱动信号沿用上面的时序信号,“定位”信号,可以用地上的白线和标志板加传感器完成。
(4)手爪“抓住”松糕
“抓住”靠的是手爪,需给一个控制指令。
结论:“抓住”动作对应的执行机构是“手爪及其驱动气缸”(见图5-7)。驱动信号可以由传感器发出。
(5)手臂将松糕“上移”
1号、2号机械手臂一起“上移”,3号机械手臂自己“上移”。1号、2号机械手臂由电动机驱动钢丝绳牵引“上移”,3号机械手臂是自己将手臂“伸长”,加上人工驾驶机器人托起“上移”。
结论:1号、2号手臂“上移”动作对应的执行机构是“钢丝绳及其驱动电动机”。“上移”开始和结束都需要给控制信号。3号手臂“伸长”动作对应的执行机构是伸缩鱼杆和驱动它的气缸。该动作需先给一个控制信号。同时,3号手臂“上移”动作对应的执行机构是人工驾驶机器人的“托起”机构,它是由人控制的。
(6)将手臂“移出”货架
1号、2号手臂“移出”货架由小车行走完成,它的执行机构同(3)。3号手臂“移出”货架由人工驾驶机器人完成。
(7)“走”向储物筐
1号、2号手臂拿松糕时,“走”向储物筐方案同(3)。3号手臂拿松糕时,由人工驾驶机器人送过去到筐边。
(8)“调整位置”,将松糕对准储物筐
1号、2号机械手拿松糕时,由地标和传感器指挥并协调着三个驱动轮的转速,使收集机器人到达筐边,再由定位传感器控制它调整到指定位置(即放下松糕的指定位置)。3号机械手拿松糕时,由人定位。
结论:“调整位置”动作的执行机构同(3),“定位”控制方法在(3)的基础上再加一边沿检测传感器。
(9)“放开手爪”
松糕落入筐内,呈抓紧的反向动作。
结论:“放开手爪”动作的执行机构是“手爪”。张开指令由(8)中的定位信号给。
(10)“回到货架旁”
该动作是收集机器人自己走到抓取位置。
结论:“回到货架旁”动作的执行机构是“三个驱动轮”,由地标控制,同(3)。
2.对机构和动作进行归纳并找出信息流
将1中所做的工作归纳如表5-1。
表5-1 机构、功能、信息
表5-1把控制信号(或指令)与被控对象联系起来〔这是测控信息流与被控对象的位移信号(息)流的交点即控制信号输出点〕,下面可以寻找信息流了。由控制信号输出点往回找到发出该控制信号的传感器,则由该传感器经控制器(包括电气模块)到控制信号输出点就构成了一条信息流,从而就有一个检测控制子系统。由表5-1可见,收集机器人共有六条信息流,它应当有六个检测控制子系统。
3.确定六个检测控制子系统的功能模块及方案论证
先由表5-1“控制信号或指令”栏的要求选传感器,然后根据控制需要,由一个或几个传感器组成一个“传感检测模块”,再确定“控制模块”,则此项工作完成。设计检测控制子系统的主导思想仍然是:重量轻,反应快,使抓取搬运用时最少。
(1)确定信号采集方案并选传感器
根据设计的主导思想,在选择传感器时要考虑它们重量要轻,检测时反应要快,用量要少。因为传感器的信息也是经控制器处理后发给驱动控制器(见图2-1)的,所以,连续动作能用时序延时控制的一律由计算机(控制器)生成的时序信号完成,这样将大大缩短反应时间。还有,尽量选用光传递的传感器,因为光传得快,抗干扰,反应也灵敏。基于上述思想,下面按表5-1的顺序说明每个检测控制子系统的信息采集方案和传感器的选取。
①后轮电动机启动信号:收集机器人是被自动行走机器人驮到离货架1 m远处的,竞赛要求这1 m必须由收集机器人自己走。自动行走机器人必须先把收集机器人放到地上,然后退出走到别处。如果我们在收集机器人内侧装一个光电开关,自动行走机器人插入时(驮它时)光被挡住,光电开关断电,后轮不转;当自动行走机器人退出时,则光线通,开关通电,后轮转。这是最省时间的办法。
结论:后轮电动机启动选光电开关。
②给气缸2充气(折叠腿收起)和两前轮转动的信号:收集机器人往前走,首先就遇到台阶,如果在收集机器人机架前沿装“边沿检测传感器”,则马上就会检测到边沿,发出一个信号,我们可以利用这一检测信号作为给气缸2充气和两个前轮转动的信号。
结论:气缸2充气和两个前轮转动选“边沿检测传感器”;为了保险且反应快,决定前沿装两个传感器〔见图5-8(a)〕。
③给气缸3充气指令(滑动杆上移):因为这个动作是紧跟在折叠腿收起后面的,机器人走得很快,有惯性,所以利用“边沿检测传感器”的信号,由计算机(控制器)给出一个时序延时信号去指令气缸3充气即可,这样省时间。
④给气缸1充气指令(后轮转90°):与上面的道理相同,可以用一个比上面时延稍长一点的时序信号作为气缸1充气指令。
⑤给三个驱动轮调速的信号:这是为了解决收集机器人在货架台上沿规划的路线行走和定位的问题。通常都是在机器人上装上传感器(霍尔元件、颜色传感器、超声波测距、激光测距等)而在地面或边框上作标记(磁条、色带、反射声音或光的挡板)的方法来实现。按照重量轻、反应速度快的原则,可以选色带和颜色传感器与挡板(边框)和激光测距传感器。
结论:收集机器人行走和定位选择两个颜色传感器和一个激光测距传感器。对应颜色传感器的,地面上用白色涂的色带;对应激光测距传感器的,在货架台的边缘往上做一条挡板。传感器位置见图5-8(a),颜色传感器向下,探测白色色带,激光传感器向侧面,测它与挡板的距离。
“定位”是由程序规划的路线决定。三个轮子停转是由“定位”信号决定的(由程序定);至于三个轮子的启动信号由别的机构动作连带发出,后面会讲,请注意看。
图5-8 传感器位置布置图
⑥给手爪抓紧、同时令手臂1、2上移的信号:可以在手爪的连杆上按一个感知传感器(如电容式传感器),当手爪接近松糕时,则发出一个信号,令气缸4充气,手爪抓紧(像洗手池上的自动阀门);同时给驱动手臂上移的电动机一个启动信号,使手臂1、2在钢丝绳牵引下开始上移。
结论:手爪抓紧与手臂1、2上移选择感知传感器〔见图2-1和图5-8(a)〕。
⑦给手臂1、2停止上移同时启动三个驱动轮转动的信号:可以采用限位器,也可以采用传感器。限位器是机械按键式的,快速按键有冲击,有声音,不太灵敏。所以选的是颜色传感器。
结论:手臂1、2停止上移同时启动三个驱动轮转动,选择颜色传感器,将它安装在手臂的滑套上,白颜色涂在导柱上,其布置见图5-8(b)。当颜色传感器到白色色带的位置,发出一个信号,该牵引钢丝绳的电动机停转,同时给三个驱动轮的电动机一个启动信号。
至于3号手臂伸长动作可由人工机器人将它托起的动作控制。
⑧给松开手爪,同时让收集机器人返回取松糕位置的信号:在上一步三个驱动轮电动机启动以后,收集机器人将在机架下面的两个颜色传感器和机架侧面激光测距传感器信号的导引下,按程序规划路线走到储物筐旁,由机架前框下的两个“边沿检测传感器”确定投放松糕的位置。当“边沿检测传感器”检测到储物筐旁平台的边沿时,发出一个信号,该信号起三个作用:第一,机器人停止运动;第二,手爪松开,松糕落到储物筐内;第三,通过延时时序信号再启动三个驱动轮的电动机,令收集机器人返回抓取松糕的位置。
在这个环节里,没有新的传感器,只是控制程序改变一下即可。
(2)确定传感检测模块
①收集机器人行走1 m启动指令模块:由“光电开关”及其附属电路构成。
②收集机器人上台阶折叠腿收回,两个前轮启动,后轮转90°连续动作指令模块:两个边沿检测传感器及其附属电路。
③收集机器人在台上按规划好的路线(控制程序)行走时,寻迹指令模块:颜色传感器1、2,激光测距传感器及它们的附属电路(注:在图2-1中,颜色传感器叫寻位传感器,而激光测距传感器叫定位传感器)。
④抓取松糕同时让手臂1、2上移的指令模块:感知传感器及其附属电路。
⑤手臂停止上移,同时启动三个驱动轮转动的指令模块:颜色传感器3及其附属电路。
⑥收集机器人走到储物筐旁定位,同时松开手爪,然后启动三个驱动轮转动的指令模块:“边沿检测传感器”及其附属电路。该模块与上台阶同,但被控对象不同,应当构成两个不同的自动控制单元。
(3)确定控制模块
六个检测控制子系统可以共用一个控制器(见图2-1),控制器可以由ARM系统开发而成,也可买现成的控制器。本机器人选的是stm32。
(4)确定电气模块
①电机驱动器:由电磁继电器(或电子式的)及其附属电路组成,接在控制器与电动机之间。
②气缸驱动器:由电控(电磁)气压阀及其附件组成,接在气缸与高压气瓶之间。
注:在图2-1中电机驱动器与气缸驱动器合在一起叫驱动控制器。
4.小结
至此,已确定了各“传感检测模块”“控制模块”和“电气模块”,可以构成各“检测控制子系统”了。同时也明确了“信息流”和检测控制信号的传递路径,为详细设计阶段建立“闭合流线”,进而建立“自动控制系统”做好准备。
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