【文章內(nèi)容簡介】 動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。由于它具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)是以一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)，面向控制領(lǐng)域，而且價(jià)格便宜。隨著近年來單片機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型高性能單片機(jī)AVR就是其典型代表。而其中的ATMEGA128就是其中的高端產(chǎn)品。傳感器是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，一般可分為內(nèi)部和外部兩類傳感器。所謂內(nèi)部傳感器是完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機(jī)器人不可缺少的基本元件。外部傳感器取決于機(jī)器人所要完成的任務(wù)，如檢測、維修等就需要有觸覺傳感器。為了在狹窄空間作業(yè)，又不能碰撞外界其他物體，就需要接近傳感器等。通常的外部傳感器有力傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器等。炮管擦洗機(jī)器人在戰(zhàn)地使用時(shí)，由于要求擦洗時(shí)間短，因此不需要添加任何傳感器，僅將該型號火炮的擦洗方案固化到主控系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人啟動(dòng)后，按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)炮管的快速擦洗。但是在基地保養(yǎng)擦洗時(shí)，可以增加攝像頭或其他檢測元件，對炮膛內(nèi)部進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并予以解決。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來源，現(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)快速活，不污染環(huán)境，適合在惡劣工況條件下工作等特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓縮氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時(shí)還需緩沖或制動(dòng)裝置，低速時(shí)不易控制，速度、置控制難于達(dá)到精確值。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、慣量小、傳動(dòng)平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，污染環(huán)境并影響機(jī)器性能，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機(jī)器人。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡單精確、無污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、無管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用于中、小型機(jī)器人。采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，負(fù)荷IO00N以內(nèi)的中、小型機(jī)器人，絕大部分采用了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在參考了國內(nèi)外大量管道機(jī)器人實(shí)例，以及炮管擦洗機(jī)器人實(shí)際使用環(huán)境后，炮管擦洗機(jī)器人采用電動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。第三章 管道清洗機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì)在前兩章對清洗機(jī)器人進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本章主要對個(gè)部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體包括：移動(dòng)功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)與分析和擦洗功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)。通過本章對炮管清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)?？蛇M(jìn)一步明確此炮管清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，為機(jī)器人加工制作打下基礎(chǔ)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：傳動(dòng)機(jī)構(gòu),預(yù)緊機(jī)構(gòu)和連接件。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括蝸輪蝸桿，傳動(dòng)齒輪系和行走輪的設(shè)計(jì)：預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括彈簧，滾珠絲桿副，調(diào)節(jié)大齒輪和調(diào)節(jié)小齒輪的設(shè)計(jì)。電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)蝸桿傳遞到三個(gè)渦輪上，渦輪通過傳動(dòng)齒輪最終將動(dòng)力傳遞驅(qū)動(dòng)輪上，在動(dòng)力的整個(gè)傳動(dòng)過程中，蝸輪蝸桿是最關(guān)鍵的零件。（1）蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)　根據(jù)分析選擇電機(jī)maxon25mm的石墨電刷dc電機(jī)（2）傳動(dòng)比的選定此設(shè)計(jì)在機(jī)器人有較大速度的前提下進(jìn)行，因此先預(yù)計(jì)最終速度在50mm/s。初選車輪直徑d=12mm,則此時(shí)車輪的角速度及減速后最終的角速度為：ω= 60 v/ (πd)＝（31）因?yàn)殡姍C(jī)的初速度為5050r/min,由傳動(dòng)比公式：i = 5050/ω得ｉ＝5050/,=,i=。因?yàn)槲仐U蝸輪能獲得較大的單級傳動(dòng)比,故結(jié)構(gòu)緊湊。在傳遞動(dòng)力時(shí),傳動(dòng)比一般為8～100 ,常用范圍為15～50 。用于分度機(jī)構(gòu)中,傳動(dòng)比可達(dá)幾百,甚至到1 000 。因此傳動(dòng)比完全由蝸桿蝸輪來實(shí)現(xiàn),即取蝸桿蝸輪的傳動(dòng)比i= 20 ,由于空間尺寸受很大的限制,本設(shè)計(jì)采用3 個(gè)參數(shù)完全一樣的齒輪來傳遞運(yùn)動(dòng)。故最終實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)比的傳遞,而且解決了受空間限制的問題。選擇蝸桿傳動(dòng)類型ZI蝸桿，選擇材料蝸桿45鋼按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定作用在輪上的轉(zhuǎn)矩T2按Z1=2,=確實(shí)載荷系數(shù)k因?yàn)楣ぷ鬏d荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)k＝確定彈性影響系數(shù)z=160mpa確定接觸用力268mpa應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=壽命系數(shù)khn＝計(jì)算中心矩a＝取中心矩ａ＝20mm因?yàn)閕＝60m=,壓力角20蝸桿直徑系數(shù)q＝蝸桿的分度圓直徑的＝7mm，r＝6，i＝60ｚ＝1計(jì)算ｄ2＝12。（3）傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)根據(jù)分析，傳動(dòng)齒輪系的3個(gè)齒輪參數(shù)一樣，考慮到齒輪所傳遞的扭矩大小，設(shè)計(jì)結(jié)果如下齒輪材料用35crmo，調(diào)制處理，硬度255～286HBS。齒數(shù)ｚ＝18，模數(shù)ｍ＝，齒寬2mm，中心距Ａ＝48mm,分度圓直徑ｄ1＝48mm。校核彎曲疲勞強(qiáng)度均可滿足要求。（4）驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)為了使驅(qū)動(dòng)輪與管壁能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力，采用橡膠作為驅(qū)動(dòng)輪的材料，~,。在對驅(qū)動(dòng)輪半徑進(jìn)行選擇時(shí)，由于要求機(jī)器人恩能夠擦洗得炮管直徑為50~100，由于連桿與軸線夾角的計(jì)算公式可知，渦輪蝸桿的中心矩和驅(qū)動(dòng)輪半徑之和所應(yīng)小于所能適應(yīng)的炮管半徑的最小值，則驅(qū)動(dòng)輪半徑應(yīng)小于12，又因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪的齒頂圓直徑為9mm，所以驅(qū)動(dòng)輪直徑小于20大于10，才能保證傳動(dòng)齒輪不會(huì)與管壁接觸，再根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走速度要要求，該行走機(jī)構(gòu)的速度是0~9m/min，綜合以上分析，驅(qū)動(dòng)輪的半徑選為6mm。（1）支架的設(shè)計(jì)由于移動(dòng)機(jī)構(gòu)的直徑較小，而結(jié)構(gòu)有比較復(fù)雜，零件較多，各零件在徑向尺寸上容易產(chǎn)生干涉，所以渦輪軸的固定部分采取支架式設(shè)計(jì)，盡量避免產(chǎn)生干涉。又因?yàn)橐苿?dòng)功能模塊中間是預(yù)緊機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)齒輪系，考慮到裝配問題，設(shè)計(jì)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)類似的前支架和后支架，前后支架的兩端分別是兩個(gè)圓盤，其中一端用來固定電機(jī)，另一端用來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪系的安裝和固定。移動(dòng)機(jī)構(gòu)在裝配時(shí)，前支架三維示意圖31所示圖31移動(dòng)支架示意圖（2）移動(dòng)部分的設(shè)計(jì) [9]由于炮管清洗機(jī)器人在作業(yè)中需要前進(jìn)和后退，而機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力均來自移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以移動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)如圖32所示圖32移動(dòng)功能模塊三維裝配體示意圖擦洗模塊分為高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭。旋轉(zhuǎn)式清洗頭通過電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼刷高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對積炭的“粗洗”；普通擦洗頭在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的直接帶動(dòng)下，沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對積炭的“精洗”；軸向往復(fù)式擦洗頭對炮膛進(jìn)行快速清理和上油。普通擦洗頭采用部隊(duì)目前使用的擦洗頭，故不需要對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需對高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。而本章主要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式清洗頭進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)式清洗頭的設(shè)計(jì)，采用微型電機(jī)帶動(dòng)刷頭轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)固定在電機(jī)座上，用螺母校緊，電機(jī)的輸出軸與鋼刷所在的軸用聯(lián)軸器連接，通過齒輪減速，使刷頭運(yùn)動(dòng)流暢,其結(jié)構(gòu)如圖34所示。圖34清洗頭功能模塊炮管清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)在炮管內(nèi)，控制行走電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)速輸出，這是保持恒定拖動(dòng)力的必要條件。否則，造成拖動(dòng)力輸出不均勻，清潔效果不均，應(yīng)對其實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；控制清洗電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)炮管清洗，同樣也是閉環(huán)控制；控制攝像頭的圖像數(shù)據(jù)的采集、接收、編碼、壓縮、存儲(chǔ)等。完成對管壁厚度、腐蝕情況、清潔情況的檢測，作為后期維修保養(yǎng)的參考依據(jù)。本機(jī)器人要求控制系統(tǒng)滿足：調(diào)速快、方便；控制機(jī)器人的清潔電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在士5%；控制系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性；控制系統(tǒng)易操作，便于使用。該控制器主要包括：（1）主控制器：機(jī)器人的控制核心；（2）PC機(jī)的接口模塊：PC機(jī)接口模塊包括JTAG調(diào)試接口和串口通訊接口，JTAG調(diào)試接口負(fù)責(zé)硬件控制器的程序下載和軟件調(diào)試，串口通訊是PC機(jī)和控制器的數(shù)據(jù)交互接口；圖35主控制圖示意圖（3）電機(jī)控制模塊：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制；（4）傳感器模塊：傳感器模塊主要包括電機(jī)測速，電機(jī)測負(fù)責(zé)檢測電機(jī)的速度，根據(jù)電機(jī)測速模塊的數(shù)據(jù)可以得到機(jī)器人的位置信息和速度信息。（5）人機(jī)接口模塊：人機(jī)接口模塊包括LCD顯示、按鍵和蜂鳴器。它是人機(jī)交互的重要工具，通過這些接口可以給機(jī)器人下達(dá)命令，機(jī)器人也可以在運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)報(bào)警，同時(shí)它在控制板軟硬件調(diào)試過程中作用重大。下面小節(jié)將對控制系統(tǒng)整體框圖中的主控制芯片和傳感器的選型和特點(diǎn)進(jìn)行簡單的分述。根據(jù)控制系統(tǒng)整體框圖所示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)主芯片要完成的任務(wù)有：(1）產(chǎn)生兩路PWM波驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)，檢測兩路電機(jī)光電碼盤信號輸入，運(yùn)行測速程序以實(shí)時(shí)獲知電機(jī)轉(zhuǎn)速；(2）調(diào)試接口用來下載和調(diào)試程序，通過串口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；(3）外部中斷處理鍵盤事件；(4）LCD顯示； 根據(jù)以上任務(wù)，機(jī)器人控制系統(tǒng)主芯片必須有的資源包括：(1）至少兩路獨(dú)立的硬件PWM發(fā)生器。(2）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，豐富的外部接口，如UART、JTAG或ISP、串口以及較多的外部中斷。此外為了簡化電路，要求主控制芯片要有較大的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，這樣就可以為系統(tǒng)省去存儲(chǔ)電路，降低成本。目前市面上的微控制芯片有多種，常見的包括8位單片機(jī)5AVR、16位的TIDSP以及32位的ARM等。51單片機(jī)由于其功能簡單，IO口較少，一般用于簡單的控制模塊當(dāng)中，對于需要控制的部件較多的機(jī)器人來說顯然是不夠用的，TIDSP以及ARM控制器的速度較快，資源豐富，能夠勝任機(jī)器人應(yīng)用的多個(gè)場合，但是成本較高。因此本系統(tǒng)機(jī)器人采用AVR單片機(jī)ATmega128作為主控制芯ATmega128單片機(jī)是AVR中的高性能8位單片機(jī)，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有48個(gè)可編程IO口，并且接口功能豐富，完全能適合本機(jī)器人的應(yīng)用。ATmega128是ATMRL公司產(chǎn)品，ATMEL公司是世界上著名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。1997年ATMEL發(fā)揮其Flash存儲(chǔ)器技術(shù)特長，研發(fā)出增強(qiáng)型內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器的精簡指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU，RISC)高速8位單片機(jī)AVR。AVR單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用機(jī)器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR單片機(jī)廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令集CPU(Complex Instruction Set CPU，CISC)追求指令完備的做法，采用精簡指令集CPU(RISC)，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令，并具有較高的可靠性。AVR單片機(jī)的內(nèi)核將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一個(gè)指令可以同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這個(gè)結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR的運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。 ATmega128介紹ATmega128單片機(jī)[10][12]是AVR單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)，它的主要性能特點(diǎn)如下（1）高性能、低功耗的8位微處理器AVR單片機(jī)工作電壓范圍寬，工作電壓寬，~6V之間，電源的抗干擾能力強(qiáng)；低功耗，AVR單片機(jī)具有6種休眠功能：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式，并且能夠從低功耗模式中迅速喚醒。（2）先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。32K8bit通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器。全靜態(tài)工作于16MHz時(shí)，性能高達(dá)16MIPS。（3）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128KB的系統(tǒng)可編程，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器壽命為10000次寫/擦除周期。4KB的EEPROM，壽命為100000次寫/擦除周期。4KB的內(nèi)部SRAM，多達(dá)64KB的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間?？梢酝ㄟ^SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。（4）JTAG接口（與IEEE ）遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能。支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試。通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對Flash存儲(chǔ)器、EEPROM、熔絲位和鎖存器的編程。（5）外設(shè)特點(diǎn)2個(gè)獨(dú)立的帶有預(yù)分頻器和比較模式的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；2路8位PWM；6路分辨率可編程（2~16位）的PWM；端口有較強(qiáng)的負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)LED；內(nèi)置看門狗定時(shí)器，可防止程序跑飛，提高產(chǎn)品的抗干擾能力；內(nèi)置電源上電復(fù)位和電源掉電檢測，可高了單片機(jī)的可靠性，不用外加復(fù)位延時(shí)電路；有豐富的中斷向量，34個(gè)中斷源，不同中斷向量的入口地址不一樣，可以快速響應(yīng)；8路10位ADC；面向字節(jié)的兩線接口；2個(gè)可編程的串行USART。直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈