两轴舞龙机器人的设计与实现

邓国+郑誉煌+翁柏涛+林舒静+李俊辉+梁奕岚

摘 要 本文提出了一种基于可编程控制器（PLC）的两轴舞龙机器人。本文首先简述了两轴舞龙机器人的重要性，再在技术层面分析了该舞龙机器人的硬件与软件设计，硬件方面介绍了两轴舞龙机器人的硬件组成和步进驱动电路的设计，程序设计方面解释了PLC程序的设计。

【关键词】舞龙 机器人 步进驱动

1 引言

在中国的传统中，人们常常会在重大的喜庆日子中邀请舞龙队和舞狮队前来表演以增加喜庆气氛，而传统的舞龙表演都是表演者们举着笨重的龙模型不停的摇摆，这无疑耗费了大量的人力资源并且操作起来比较辛苦。为此，本文提出的两轴舞龙机器人。本机器人的摆动动力来源于步进电机，这种用步进电机来代替表演者的做法大大减少了人力资源的耗费，除此之外，该两轴舞龙机器人还有体积的特点，无论是室内还是室外都非常方便摆放。本文所提出的两轴舞龙机器人将会是今后用来增加节日气氛的很好选择。

2 两轴舞龙机器人的硬件设计

2.1 两轴舞龙机器人的硬件组成

本文提出的基于PLC的两轴舞龙机器人工作系统硬件框图如图1所示，主要由空气开关、PLC控制器、步进驱动器、步进电机、开关电源和龙模型组成，PLC产生脉冲信号同时控制两个步进驱动器进而控制两个步进电机的运动，通过两个步进电机分别带动龙头和龙尾有节奏地运动。各组成部分的具体功能如下：

2.1.1 空气开关

整个工作系统的总开关，能够对电路或用电设备发生的短路、严重过载以及欠压等进行保护，确保系统的电路安全工作。

2.1.2 PLC

整个工作系统的主控制器，产生控制步进电机转动速度和转动角度的脉冲信号和产生控制步进电机转动方向的方向信号。我们选用三菱公司的FX2N-16MT的PLC。

2.1.3 步进驱动器

接收来自PLC的脉冲信号，当步进驱动器接收到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，本文提出的两轴舞龙机器人要用两个步进驱动器分别驱动两个步进电机运动。

2.1.4 步进电机

龙模型摆动的动力来源，两个步进电机的运动分别带动龙头、龙尾的运动。步进电机的转动速度由脉冲的频率控制，脉冲的频率越高步进电机的转动速度越快，反之越慢；在步进电机不超载的情况下，当一个脉冲的上升沿到来时步进电机电机转动一个小角度，步进电机转动的总角度大小取决于脉冲的个数，脉冲的个数越多步进电机转动的角度越大，反之越小；步进电机的转动方向取决于方向信号的电平，若步进驱动器接收到一个高电平的方向信号时电机顺时针方向转动，那么当步进驱动器接收到低电平的方向信号时步进电机逆时针方向转动。我们使用的步进电机为1.2NM的二相四线步进电机。

2.1.5 开关电源

将220V交流电转变为24V直流电，给步进驱动器提供24V直流电压。

2.1.6 龙模型

主要控制对象，被分为龙头和龙尾两个部分分别单独控制。

2.2 步进驱动电路的设计

步进驱动单元由步进驱动器和步进电机组成，和PLC一起控制龙模型的运动。两个步进电机控制龙头和龙尾的运动，每台步进驱动器接收方向信号“DIR+”接口串联一个阻值为2K欧姆的电阻后，再分别接到PLC控制器输出端的Y2和Y3输出端。步进驱动器的“PLU+”接口是接收来自PLC的脉冲信号。控制龙头和龙尾的两个步进驱动器的“PLU+”接口分别跟2K欧姆的电阻串联后，再与PLC控制器输出端的Y0和Y1输出口相接。

3 两轴舞龙机器人的程序设计

本机器人需要调节使连接龙头与步进电机的杆与水平所成的夹角为45度左右，连接龙尾的杆与水平夹角为135度左右。运行过程中，龙头与龙尾的摆动速度和摆动角度都相同，但摆动的方向相反。龙头和龙身的摆动速度由开始时的较小值，逐渐增大到一个设定的最大值，然后最大值逐渐减小到刚开始运动时的较小值。舞龙的运动就是一个摆动速度由小到大增大，再减小再增大再减小的循环运动过程。

根据舞龙运动的设计思想，在编写PLC程序时，先让PLC的Y2和Y3分别输出一个为“1”一个为“0”的方向信号，Y0和Y1分别输出一个脉冲频率为400Hz和最大脉冲数为1600的脉冲信号，然后每一秒钟脉冲频率增大100Hz。当脉冲信号的频率增大到最大值4000Hz时，脉冲频率由4000Hz开始每秒钟减小100Hz，直到脉冲频率减小到400HZ，如此一直循环。每当PLC发送完1600个脉冲信号时Y2和Y3输出口的输出值交换一次。具体PLC程序如图2所示。

4 结束语

本文提出了一種基于PLC的两轴舞龙机器人，该舞龙机器人在系统通电后能够自动稳定地运行无需人工进行复杂的操作，它能够像传统的舞龙和舞狮表演一样给喜庆的日子增加喜庆的气氛却不用像传统的舞龙和舞狮那样耗费大量的人力和财力。由于两轴舞龙机器人具有体积小、占的地方较小的特点，它比较适合摆放在店铺等室内环境中。

参考文献

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