管道清洗机器人毕业论文

摘要火炮在发射后会在身管内残留大量的物质，这些物质受高温、高压的与管壁黏贴非常牢固极不易清除，会导致身管内壁的腐蚀，进而影响炮的准确性、可靠性并影响身管的使用寿命。这些残留物主要依靠人工和机械的方法清除，设备笨重、智能化程度低，士兵劳动强度大，效率低，且清不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。清洗机器人，该机器人与火炮身管构成一个柔性统，可实现清洗的智能化及管内状况的可视化，不仅极大地减轻士兵的劳动而且可以有效提高火炮身管的维护保养水平和寿命，对提高部队战斗力具的军事和经济效益，具有广阔的应用前景。关键词：管道清洗 机器人 单片机 自动控制AbstractDue to high temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and cant be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which cant meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent.Robot and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic benefit in enhancing battle effectiveness of the army. Key words： bore cleaning； robot；single chip microcomputer；automationII摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究背景及关键技术11.1.1课题的研究背景11.1.2课题的关键技术21.2国内外管道机器人的研究现状和发展方向31.2.1管道机器人的研究现状31.2.2管道机器人的发展方向51.3课题的研究意义5第二章 炮管擦洗机器人总体方案设计72.1需求分析与设计思路72.2移动功能模块设计82.2.1运动方式分析与选择82.2.2自适应机构设计92.3擦洗功能模块设计112.3.1炮膛擦洗过程分析与研究112.3.2轴向往复式擦洗头设计112.4控制功能模块设计132.4.1主控制系统132.4.2传感器132.4.3驱动系统13第三章 管道清洗机器人详细设计153.1移动功能模块设计与分析153.1.1传动机构设计153.1.2连接件设计163.2擦洗功能模块的设计183.2.1旋转式清洗头设计183.3控制系统的设计183.3.1主控制芯片193.3.2 ATmega128介绍203.3.3电机控制技术213.4最小系统电路设计233.4.1时钟/复位模块设计233.4.2电源模块设计233.5人机接口电路设计243.5.1 LCD显示模块243.5.2键盘电路253.5.3蜂鸣器电路253.5.4串口通信模块263.6电机控制电路设计26第四章系统软件设计284.1系统软件架构284.1.1 PWM调速程序设计28结论315.1论文总结315.2工作展望31参考文献32致谢33附录34IV第一章 绪论1.1课题研究背景及关键技术1.1.1课题的研究背景现代国防工业日新月异，武器装备制造及维护的技术水平直接决定了国家的军事实力。火炮是重要的武器装备，身管是火炮的重要组成部分，身管依靠火药在药室内剧烈燃烧而产生的高温高压气体以一定方式一定速度发射弹丸，并赋予弹丸初速度、射向以及飞行时的稳定性。它的工作条件是极为恶劣和苛刻的，它不仅要承受高温高压火药气体的作用，还要接受高速运动弹丸的作用。火炮的结构和性能很大程度上决定了火炮系统的战斗性能，身管质量直接影响着使用安全，射击效果和火炮寿命l。火炮在发射过程中不仅会在炮膛内残余大量的物质，而且火炮炮弹带与身管内壁间亦会产生大量的粘附物，这些物质受高温、高压的作用与管壁黏贴的非常牢固，尤其是线膛炮的“阴线”角落位置的残留物，极不容易清除，对火炮身管寿命产生很大的影响，当“积留”超过一定程度后，极易产生炸管等事故。为了提高火炮的性能和使用寿命，大型火炮在启封、发射炮弹后和封存时都需要进行一定的清洗工作。首先，启封时需要清除防锈油，以保证火炮的正常工作。其次，在发射炮弹后需要进行炮膛清洗，因为弹丸运动脱落的残余物(成分办主要是铜、锌、铅、铝、铝氧化物等)以及膛内火药燃烧残留物如烟灰等石墨残余物会钻附在火炮身管的内壁，这些残余物容易导致火炮身管内壁发生腐蚀，进而影响炮弹发射的准确性、可靠性，影响火炮的使用寿命。最后，在火炮封存时需要清洗炮膛内壁并涂抹防锈油，以防止封存后火炮炮膛内壁腐蚀。因此，在火炮的启封、发射后和封存时进行清洗工作是必不可少的。在炮管生产厂或修复厂，目前采用的是一种拉杆式清洗机床，通过电机和连杆机构带动拉杆实现往复直线运动，拉杆与炮管等长，拉杆上安装了清洁用的毛刷，该设备实现了火炮身管擦洗的自动化工作，但必须将炮管从坦克上拆下运至修复厂才能使用，设备占地面积大、重量大，移动不便，无法在部队营地和野外使用。目前在部队都是通过数名战士推拉通条来进行炮膛擦洗工作，不仅耗费人力，效率低，且清洁程度不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。通过国内外相关炮管清洗与管道清洗技术方面的专利与文献的检索，结合国内现有炮管擦拭设备的实际应用调研，现有关于炮管擦拭的方法、装置和专利，在实际应用中均存在一定的不足。如专利号CN86207922便携式擦炮设备，主要由少齿插销轴式行星机构卷扬筒组成，靠人力驱动卷扬筒和钢丝绳来牵引专用擦炮塞子经过整个炮膛进行擦拭，该办法自动化程度低。申请号200410024477.x专利自动擦炮机，包括驱动电机及控制器、擦拭体及驱动机构等，驱动电机轴通过齿轮组连接的拉绳纹筒，通过两个电机的转向控制，拉绳拖拽着擦拭体在炮膛内往返擦洗，该方法若电机控制不当容易导致拉绳脱钩，另外需要两台直流电机导致设备重量较大。申请号200710139419.5的专利“一种步进式擦炮机器人及其使用方法”，采用步进电机提供驱动力，螺杆和内螺纹筒进行步伐式前进或后退，该方法机构较复杂。因此，采用机器人来擦洗炮管。1.1.2课题的关键技术本课题关键技术包括机械设计技术、自动控制技术、机器视觉技术等。（1）机械设计技术机械设计技术是智能炮管清洗机器人设计的基础，是其它技术应用的前提，机械结构、加工等的优劣直接决定机器人的性能。经典的机械技术借助于计算机辅助设计技术，以及在此基础上同时采用人工智能与专家系统等，已经形成新一代机械制造技术。当前机械设计技术朝着面向市场、面向生态与环境要求、面向制造和经营管理需求的方向发展。在机械工程领域，往往根据机械设计理论、方法和标准、规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机技术自动优化方案。（2）自动控制技术自动控制技术是指在无人直接参与的状况下，利用附加装置(自动控制装置)使生产过程或生产机械(被控对象)自动地按照某种规律(控制目标)工作，使被控对象的一个或几个物理量(如温度、压力、流量、位移和转速等)或加工工艺按照预定要求变化的技术。它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识;自动控制系统的分析与综合;控制用计算机(能作数字运算和逻辑运算的控制机)的构造原理和实现方法。自动控制技术发展迅速，应用广泛。是自动化领域的重要组成部分。（3）机器视觉技术24机器视觉技术是近几十年发展起来的一种智能技术，机器视觉是一门新兴的学科，自上世纪八十年代以来，机器视觉的研究经历了从实验室研究到实际应用的发展阶段。从简单的二值图像处理到高分辨率、多灰度的图像处理，从普通的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和算法的研究都取得了很大的进展。随着半导体行业的自动化水平的飞速提升，不断促进着机器视觉系统的实用化研究。机器视觉的定义是利用一个用以代替人眼的图像传感器，获取目标物体的图像，然后将此图像转换为一个数据矩阵，并利用一台用于代替人脑的计算机来分析图像并完成一个与视觉有关的任务。机器视觉系统一般采用CCD传感器摄取检测图像并转化为数字信号，再利用先进的计算机硬件与软件技术对数字图像信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图像的特征值，并由此实现模式识别等功能。然后再根据其结果显示图象，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置调整，信息筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较，机器视觉的最大优点是精确、快速、可靠，以及数字化。机器视觉涉及图像处理技术、模式识别和人工智能技术、计算机技术等多个领域，这些领域的迅速发展有力的促进了机器视觉技术的进步。数字图像处理技术和模式识别技术是机器视觉的重要组成。自数字计算机问世以来，数字图像处理技术和模式识别技术经过多年的发展和完善，得到了长足的进步和空前的发展，在工程应用上引起了人们极大的重视。图像处理技术包括图像处理和图像分析两个方面。模式识别技术是指用计算机实现人的模式识别能力，其作用和目的是根据某一具体事件的特征，将其正确地归入某一类别。目前机器视觉技术在医疗诊断、各类自动检测与控制、智能机器人等方面得到广泛应用，取得了巨大的经济和社会效益。1.2国内外管道机器人的研究现状和发展方向1.2.1管道机器人的研究现状当前，管道的检测和维护工作多采用管道机器人来完成。管道机器人是一种可沿管道内壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器以及操作装置(CCD传感器、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等)，通过操作人员的控制来进行一系列的管道检测和维修作业。一个完整的管道机器人系统，应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，其中移动载体是管道检测移动机器人的核心部分。管道检测机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也较长5。日本、美国、英国、德国等发达国家在管道机器人技术方面已做了大量的工作，取得了比较突出的成绩。其中，日本机器人的发展经过了上世纪六十年代的摇篮期，七十年代的实用期，到八十年代进入普及提高期，并且开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多，其中东京工业大学航空机械系ShigeoHirose和Hideta一kaohno等于1993年开始研究管道机器人，他们先后研制成功适用于50mm管道的Thes一I、Thes一H型管道机器人和适用于150管道的Thes一Hl型管道机器人6。以下介绍几种国内外的管道机器人。（1）无线贴壁螺旋式机器人图1-1为比利时布鲁塞尔自由大学根据东京工业大学航空机械系的研究成果所研制的无线贴壁螺旋机器人。该机器人由前后两部分组成，中间通过万向节连接。前部分为驱动单元，由三个互成120度的支撑脚组成，每个支撑脚上各有一个具有倾斜角的轮子。后部分为支撑部分，通过中间的电机驱动使前部分在管内 旋转，从而带动机器人运动。前部分轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改变而改变.当机器人的负载较大时，轮子的倾斜角将产生变化，从而减小行走速度，增加推进力。机器人的前端可以转载清洗刷，实现对管道的清洗。图1-1无线贴壁螺旋式机器人（2）电机驱动轮式机器人图1-2是韩国Soosung机械有限公司研发的炮管自动清洗机器人(韩国专利号:10-2006-0033030，欧洲专利号:EP1845330AI)。该机器人由80a和80b两个紧贴管壁的轮子旋转驱动整体前进和后退，其中m为驱动电机，通过减速器100减速后驱动80a和80b，同时通过行星轮系驱动500绕着中心轴200旋转，在500上装有刷子，并由610提供清洁油实现对管内壁的清洗图1-2电机驱动轮式机器人国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。（3）管径自适应式管道机器人图1-3为上海交通大学研制的管径自适应管道机器人。该机器人由成120度三组平行四边形轮腿机构驱动7，该三组轮腿紧贴管壁，在实现驱动机器人运动的同时能根据管道内径变化进行自动调整，目前该机器人已用于煤气管道的探测和维护。图1-3管径自适应式机器人1.2.2管道机器人的发展方向随着核工业、化工工业的不断发展，迫使人们研究管道机器人来对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测和维修，在一定程度上刺激了管内机器人技术的发展。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低直接反映了这个国家综合科技实力的高低。管道机器人技术是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术的融合。因此管道机器人的发展也必然建立在这些技术的高速发展之上。管道机器人技术的发展方向主要表现在以下几个方面8：（l）微型和微小型技术这是一项由技术驱动的新领域，尽管微型、小型尺寸的机器人实用化还要等几年，但是这个时代即将到来，从而适应不同的应用环境。（2）先进的传感技术传感器相当于管道机器人的感觉器官，只有先进的传感器技术才能有效的采集环境信息，从而提高机器人运动的效率和准确性。（3）高效的信息处理技术信息处理主要是指对于传感器采集进来的信息进行处理，包括语音识别与理解技术，图像处理与模式识别技术等，从而提高机器人的工作效率。（4）网络机器人技术通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。（5）多智能体协调控制技术用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术，这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理。1.3课题的研究意义现代武器及其弹药技术大大增加了由炮膛内污垢导致武器系统问题的可能性。本课题所研制的智能炮管清洗机器人具有快捷智能清除炮膛内污垢的特点。即使是在战场或野外条件下，该机器人也能迅速、有效的完成炮膛清洗的清洗工作。可以通过不同程序选择对炮膛的维护流程及清洁效果进行标准化控制，大大降低士兵的劳动强度，节省士兵的时间以用于完成其他任务。该机器人清洁效果比传统方法有显著的提高，而且可以有效提高火炮的维护保养水平和身管寿命，从而对提高我军战斗力具有较大的军事和经济效益。第二章 炮管擦洗机器人总体方案设计2.1需求分析与设计思路火炮的擦拭保养对于延长身管寿命，提高射击精度意义重大。炮管擦洗机器人是管道机器人的一个全新应用方向，其任务是快速、高效对火炮内膛进行擦洗保养炮膛维护保养在不同任务阶段，有不同的擦洗要求：战场作战过程中的身管维护。由于火炮连续射击，一般要求在射击20100发后对炮膛进行擦洗，然后再进行射击；平时训练过程中的维护。由于射击次数不多，但射击间隔时间较长，则需要在射击间隔时间里对炮膛进行简单的擦洗、上油；封存与使用状态转换过程中的维护。火炮从封存状态到使用状态的擦洗难度和工作量非常大；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模块，本文考虑对炮管擦洗机器人采用模块化设计，以便适应不同任务阶段的火炮擦拭保养需求。炮管擦洗机器人是一种特殊的管道清洗机器人，与其他管道清洗机器人相比有较大区别：炮管是一种有着特殊内表面的管道环境，膛线的存在给炮管擦洗机器人的管内行走带来了一定的困难，也对机器人的控制和运动方式提出了新的要求；积炭多处于阴阳线交界处，难以清洗，必须要设计有针对性的擦洗模块。本章将通过分析管道机器人管内运动方式的运动机理和炮管清洗的特点，结合炮管对机器人运动方式和擦洗方式的要求，确定对炮管内膛环境具有更好适应性的运动方式和有效的擦洗方式，并以此为基础，分析讨论炮管擦洗机器人本体结构的设计。炮管擦洗机器人要完成火炮炮膛擦洗保养任务应具备以下几方面的要求：（1）适应性强，能进行一定口径范围内炮管的作业;（2）结构紧凑，便于携带，符合战地使用要求;（3）清洁速度快，效果好，能满足现代战争快速反应的要求;（4）通用性强，主要部分采用模块化设计，便于拆卸和更换;（5）可扩展性强，可搭载诸如检测和维护等设备，从而全面实现炮管的擦洗、检测和维护等功能。综合考虑同类管道机器人的设计指标以及炮管清洗的具体要求，对炮管擦洗机器人提出以下技术指标要求:（l）可适应炮管口径范围为中30mm一小75mm;（2）满足管径士5%的微观变径;（3）移动功能模块拖动力大于等于400N；（4）行走速度0-7m/min（5）轴向往复式擦洗摩擦力大于等于10N;（6）总重量小于2kg。炮管擦洗机器人各部件按照功能的不同可分为三个模块:移动功能模块、擦洗功能模块和控制功能模块，其中移动功能模块和擦洗功能模块是管道擦洗机器人核心部分。图2-1为炮管擦洗机器人总体布局。图2-1炮管擦洗机器人功能部分示意图移动功能模块推动炮管擦洗机器人整体前进或后退;擦洗功能模块作为炮管擦洗机器人功能执行模块，负责实现擦洗、上油作业，保证擦洗保养效果;控制功能模块接收传感器信号，主要实现对驱动电机的控制。移动功能模块的运动和动力性能以及擦洗功能模块擦洗效果是炮管擦洗机器人完成任务的关键。2.2移动功能模块设计我国目前装备的火炮口径范围是20至400mm，且多数为线膛炮。根据火炮炮管内壁的特点，需要对炮管擦洗机器人移动功能模块的行走方式进行合理选择，同时由于不同火炮，其口径不一，为了增强炮管擦洗机器人移动功能模块的通用性，需要对移动机构采取自适应设计。2.2.1运动方式分析与选择炮管擦洗机器人移动机构运动方式的设计与所作业的炮管内部情况密切相关，炮管口径的大小、截面形状以及内表面的特点都是需要考虑的设计因素。炮管口径越大，对动力源和机械结构的尺寸约束越小，移动机构机械部分的设计也可以越复杂，实现的功能越多;炮管口径越小，对驱动方式和机械结构的空间尺寸约束条件越多，机械零部件越难以设计和加工。由于管道是一个特殊的受限工作环境，研究适合在管道内移动的各种运动方式己成为管道检测机器人研究领域的一个热点问题，目前，国内外学者对机器人在管道内的各种运动方式和运动机理进行了大量的研究和探索，并研制了相应的管道机器人样机。按照管道机器人在管道内作业的动力源，可分为被动式和主动式，其中被动式是利用管道内介质的压力差驱动，在管道内只能单向运动，适应单一的管道直径，运动速度不易控制;主动运动方式的管道检测机器人具备动力能源供给装置，在管道内具有自主行走能力，其运动速度可控。根据运动机理和驱动方式的不同，主动运动方式主要包括轮式、履带式、多足式和蠕动式等四种主要方式。各种行走方式都有其自身的优越性和局限性。表2-1罗列了上述四种行走方式的运动机理和优缺点行走方式运动机理优缺点轮式驱动轮紧压在管道内壁上，在封闭力的作用下，机器人的各驱动轮与管壁之间产生附着力，驱动机器人在管道内前后运动该运动方式具有机构简单、牵引力大、行走速度快、运动部件可靠性高、控制方便、成本低廉等优点，适合大、中口径的管道，是管道机器人实际工程应用最多的一种的方式履带式靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道内运动的。该运动方式有效的解决了驱动力正压力附着力之间的矛盾，是一种在恶劣管道环境下有效的运动方式，但其结构复杂，不易小型化，转弯性能差，应此用用于大管径多足式模仿多足昆虫的行走方式和行走步态该行走方式有较好的动作灵活性，理论上可以适合各种形状的管道，但其较复杂的运动学和动力学特征，使得机器人在步态规划和关节间协调运动控制等方面存在一定难度，且牵引能力有限，不易携带检测维护装置，不适合长距离拖缆作业蠕动式模仿蚯蚓、尺蠖、毛虫等虫类的变形蠕动运动机理该行走方式行走效率低，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，难以满足管道工程中“迅速完成作业”的需要。由表2-1可知，因线膛炮炮管口径较小，不宜采用履带式运动方式，且炮管擦洗机器人对移动机构的拖动力有比较高的要求，故不宜采用多足式和蠕动式行走方式，因此，炮管擦洗机器人采用轮式行走方式。2.2.2自适应机构设计为了适应不同直径炮管的擦洗，炮管擦洗机器人需要具备管径适应调整机构，其主要作用有：在不同直径的管道中能张开或收缩，使机器人能在各种直径的管道中行走作业；可以提供附加正压力增加机器人的驱动轮与管道内壁间的压力， 改善机器人的牵引性能。能够适应不同管径的预紧变径机构主要有弹簧预紧变径机构、蜗杆蜗轮预紧变径机构、升降机预紧变径机构和丝杠螺母副预紧变径机构四种，其结构原理简图如图2-2所示。下面对每种方式的优缺点进行简要的说明和分析。 a）蜗轮蜗杆预紧支撑机构示意图 b）升降机预紧支撑机构示意图 c）丝杆螺母预紧支撑机构示意图 d） 弹簧预紧支撑机构示意图图2-2变径机构示意图（l）蜗轮蜗杆预紧变径方式连杆一端与蜗轮轴铰接，另一端与驱动轮轴铰接，通过电机驱动蜗杆，带动蜗轮转动，从而带动驱动轮撑开或者放低，以达到适应不同管径的目的，如图2.2a）所示。该方法可以实现较大范围变径，但所需驱动力较大，一般较少使用。（2）升降机预紧变径方式其工作原理是利用平行连杆原理，通过在其中某个连杆的一端作用一定大小和方向的力使升降机机构升起或者回落，从而使驱动轮也跟着升起或者回落，以达到适应不同管径的目的，如图2.2b）所示。采用升降机预紧支撑机构最大的优点是在轴向和径向结构比较紧凑，使机器人的空间尺寸大大缩小，其缺点是当管道直径较大时所需的推动力较大，对机构强度的要求较高。（3）丝杠螺母预紧变径方式其工作原理是通过电机驱动丝杠转动，支撑杆一端和驱动轮轴铰接，另一端铰接在固定支点处，推杆一端与支撑杆铰接，另一端铰接在螺母上，滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动支撑杆绕固定支点转动，使驱动轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的，如图2-2c）所示。该方法空间布置结构简单，所需驱动力较小，但缺点是不紧凑。（4）弹簧预紧变径方式其工作原理是通过改变弹簧预紧力来调节支撑轮的径向距离，达到适应不同管径的目的，如图2.2d）所示。这种方法最大的优点是不需要外加动力源，在小范围内具有自适应能力。根据以上分析，本机构已采用弹簧预紧机构来实现其自适应结构，且采用单电机全驱动、可调节、自适应轮式移动机构，且在不同管径可产生恒定拖动力的特点。2.3擦洗功能模块设计2.3.1炮膛擦洗过程分析与研究不同的擦洗任务阶段，需要不同的擦拭技术，不同的擦拭技术，需要不同的擦拭功能模块。根据擦洗任务的不同，擦洗功能模块分为三个组件：高速旋转式清洗头、普通擦洗头和轴向往复式擦洗头。当炮膛需要较大擦洗力时，将普通擦洗头和移动机构直接相连，由移动机构带动擦洗头在炮管内往复擦洗；当需要较小擦洗力对炮膛进行清理或上油时，采用移动机构带动轴向往复式擦洗头，快速对炮膛进行清理、上油。普通擦洗头可直接采用现在部队使用的擦洗头，不需要另外设计。同时，机器人在对炮膛进行清理或上油时，需要较快的速度完成任务，而且所需的擦洗摩擦力较小所以轴向往复式擦洗头所需提供的摩擦力只需大于10N即可。2.3.2轴向往复式擦洗头设计可实现往复式擦洗功能的机构主要有电磁-弹簧机构、丝杠螺母机构、和曲柄滑块机构三种，其结构原理简图如图2-3所示。每种方式都有自己的优缺点，下面进行简要的说明和分析。a）电磁弹簧式 b） 丝杆螺母式c）曲柄滑块式 图2-3三种轴向往复式机构示意图（1）电磁弹簧往复式机构，其示意图如图2-3a）所示。电磁铁通电，使磁铁靠近电磁铁，弹簧拉长;电磁铁断电，磁铁在弹簧拉力下远离电磁铁或者电磁铁通电，排斥磁铁远离电磁铁，弹簧压缩;电磁铁断电，磁铁在弹簧的弹力下靠近电磁铁。此方法的优点是易于控制，缺点是当外部所需摩擦力较大时，电磁铁和磁铁体积较大，而且电磁力为非线性力，有效作用距离较短。（2）丝杠螺母往复式机构，其示意图如图2-3b）所示。工作原理如下:电机旋转，带动丝杠转动，螺母在丝杠上做往复式直线运动。该机构的优点是运动平稳，机构简单，便于分析和设计，缺点是丝杠过长，刚度变差，易产生变形。（3）曲柄滑块机构，其示意图如图2-3c）所示。作为四杆机构的一个重要分支，曲柄滑块机构在各种直线运动机构中得到了广泛的应用。通过调整曲柄滑块机构各构件的长度，可以改变滑块的位移、运动速度和加速度，对于有特殊运动要求的场合还可以按照一定的方法进行优化设计，其优点是机构简单、紧凑，运动平稳，缺点是设计过程较为复杂。在对炮管擦洗机器人轴向往复式擦洗机构进行设计时，一方面需要考虑对擦洗距离和擦洗摩擦力的要求，另一方面又要考虑炮管口径机构各零件尺寸上带来的限制。根据对以上三种往复式机构的分析，本文选用曲柄滑块机构来实现轴向往复式擦洗功能，示意图如图2-4所示。图2-4轴向往复擦洗头示意图2.4控制功能模块设计通过前面两节的分析，初步完成了炮管擦洗机器人移动功能模块和擦洗功能块的设计，为了使各功能部件互相配合，形成有机的整体，炮管擦洗机器人必须有相应的控制系统。2.4.1主控制系统目前使用较多的控制器是可编程逻辑控制器（简称PLC）和单片机，PLC它是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业控制装置。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，被广泛用于自动化控制的各个领域。单片机是以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机，面向控制领域，而且价格便宜。随着近年来单片机技术得到迅速发展，出现了一批新型高性能单片机AVR就是其典型代表。而其中的ATMEGA128就是其中的高端产品。2.4.2传感器传感器是机器人系统的重要组成部分，一般可分为内部和外部两类传感器。所谓内部传感器是完成机器人运动控制所必须的那些传感器，如位置、速度传感器等，它们是构成机器人不可缺少的基本元件。外部传感器取决于机器人所要完成的任务，如检测、维修等就需要有触觉传感器;为了在狭窄空间作业，又不能碰撞外界其他物体，就需要接近传感器等。通常的外部传感器有力传感器、触觉传感器、视觉传感器等。炮管擦洗机器人在战地使用时，由于要求擦洗时间短，因此不需要添加任何传感器，仅将该型号火炮的擦洗方案固化到主控系统中，当机器人启动后，按照预先设定的程序实现炮管的快速擦洗。但是在基地保养擦洗时，可以增加摄像头或其他检测元件，对炮膛内部进行检测，及时发现问题并予以解决。2.4.3驱动系统驱动系统是机器人系统的动力来源，现代机器人的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。气动驱动系统以压缩空气为动力源，具有气源方便，系统结构简单，运动快速活，不污染环境，适合在恶劣工况条件下工作等特点。但是由于气体具有可压缩气动驱动系统的平稳性差，高速时还需缓冲或制动装置，低速时不易控制，速度、置控制难于达到精确值。液压驱动系统具有重量轻、惯量小、传动平稳、控制环节简单等特点。但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，污染环境并影响机器性能，它需要单独的油源，所占空间较大，主要适用于中、大型机器人。电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点，适用于中、小型机器人。采用电动驱动系统是现代机器人技术的发展趋势之一，负荷IO00N以内的中、小型机器人，绝大部分采用了电动驱动系统。在参考了国内外大量管道机器人实例，以及炮管擦洗机器人实际使用环境后，炮管擦洗机器人采用电动方式进行驱动。第三章 管道清洗机器人详细设计在前两章对清洗机器人进行方案设计与参数化设计的基础上，本章主要对个部分机构进行详细设计，具体包括：移动功能模块的机械设计与分析和擦洗功能模块的机械设计。通过本章对炮管清洗机器人机械结构的详细设计。可进一步明确此炮管清洗机器人的结构和功能，为机器人加工制作打下基础。3.1移动功能模块设计与分析移动机构的设计主要分为三个部分：传动机构,预紧机构和连接件。传动机构的设计主要包括蜗轮蜗杆，传动齿轮系和行走轮的设计：预紧机构的设计主要包括弹簧，滚珠丝杆副，调节大齿轮和调节小齿轮的设计。3.1.1传动机构设计电机的动力经蜗杆传递到三个涡轮上，涡轮通过传动齿轮最终将动力传递驱动轮上，在动力的整个传动过程中，蜗轮蜗杆是最关键的零件。（1）蜗轮蜗杆设计根据分析选择电机maxon25mm的石墨电刷dc电机（2）传动比的选定此设计在机器人有较大速度的前提下进行，因此先预计最终速度在50mm/s。初选车轮直径d=12mm,则此时车轮的角速度及减速后最终的角速度为：= 60 v/ (d)79.6r/min. （3-1）因为电机的初速度为5050r/min,由传动比公式：i = 5050/得5050/79.6,=63.44r/min,i=63.5。因为蜗杆蜗轮能获得较大的单级传动比,故结构紧凑。在传递动力时,传动比一般为8100 ,常用范围为1550 。用于分度机构中,传动比可达几百,甚至到1 000 。因此传动比完全由蜗杆蜗轮来实现,即取蜗杆蜗轮的传动比i= 20 ,由于空间尺寸受很大的限制,本设计采用3 个参数完全一样的齿轮来传递运动。故最终实现了传动比的传递,而且解决了受空间限制的问题。选择蜗杆传动类型ZI蜗杆，选择材料蜗杆45钢按齿面接触疲劳强度进行设计，确定作用在轮上的转矩T2按Z1=2,估取效率0.8则T2=1.81e6NM确实载荷系数k因为工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数k1.27确定弹性影响系数z=160mpa确定接触系数2.9确定接触用力268mpa应力循环次数N=6.06e7寿命系数khn0.8则应力214mpa计算中心矩a22.108取中心矩20mm因为i60m=0.4,压力角20蜗杆直径系数q17.5蜗杆的分度圆直径的7mm，r6，i601计算212。（3）传动齿轮设计根据分析，传动齿轮系的3个齿轮参数一样，考虑到齿轮所传递的扭矩大小，设计结果如下齿轮材料用35crmo，调制处理，硬度255286HBS。齿数18，模数0.5mm，齿宽2mm，中心距48mm,分度圆直径148mm。校核弯曲疲劳强度均可满足要求。（4）驱动轮设计为了使驱动轮与管壁能够产生足够的摩擦力，采用橡胶作为驱动轮的材料，橡胶与钢的静摩擦系数为0.450.6,在无润滑条件下的动摩擦系数为0.8。在对驱动轮半径进行选择时，由于要求机器人恩能够擦洗得炮管直径为50100，由于连杆与轴线夹角的计算公式可知，涡轮蜗杆的中心矩和驱动轮半径之和所应小于所能适应的炮管半径的最小值，蜗杆涡轮的中心矩为9.5，则驱动轮半径应小于12，又因为传动齿轮的齿顶圆直径为9mm，所以驱动轮直径小于20大于10，才能保证传动齿轮不会与管壁接触，再根据移动机构行走速度要要求，该行走机构的速度是09m/min，综合以上分析，驱动轮的半径选为6mm。3.1.2连接件设计（1）支架的设计由于移动机构的直径较小，而结构有比较复杂，零件较多，各零件在径向尺寸上容易产生干涉，所以涡轮轴的固定部分采取支架式设计，尽量避免产生干涉。又因为移动功能模块中间是预紧机构的调节齿轮系，考虑到装配问题，设计了两个结构类似的前支架和后支架，前后支架的两端分别是两个圆盘，其中一端用来固定电机，另一端用来实现预紧机构调节齿轮系的安装和固定。移动机构在装配时，前支架三维示意图3-1所示图3-1移动支架示意图（2）移动部分的设计 9由于炮管清洗机器人在作业中需要前进和后退，而机器人前进的动力均来自移动机构，所以移动模块的设计如图3-2所示图3-2移动功能模块三维装配体示意图3.2擦洗功能模块的设计擦洗模块分为高速旋转式清洗头、普通擦洗头和轴向往复式擦洗头。旋转式清洗头通过电机的高速旋转，带动钢刷高速旋转，实现对积炭的“粗洗”；普通擦洗头在移动机构的直接带动下，沿轴向往复运动实现对积炭的“精洗”；轴向往复式擦洗头对炮膛进行快速清理和上油。普通擦洗头采用部队目前使用的擦洗头，故不需要对其进行设计，只需对高速旋转式清洗头和轴向往复式擦洗头进行设计。而本章主要进行旋转式清洗头进行详细设计。3.2.1旋转式清洗头设计旋转式清洗头的设计，采用微型电机带动刷头转动，电机固定在电机座上，用螺母校紧，电机的输出轴与钢刷所在的轴用联轴器连接，通过齿轮减速，使刷头运动流畅,其结构如图3-4所示。图3-4清洗头功能模块3.3控制系统的设计炮管清洁机器人控制系统主要实现的任务在炮管内，控制行走电动机的恒转速输出，这是保持恒定拖动力的必要条件。否则，造成拖动力输出不均匀，清洁效果不均，应对其实现闭环控制；控制清洗电机恒转矩输出，实现炮管清洗，同样也是闭环控制；控制摄像头的图像数据的采集、接收、编码、压缩、存储等。完成对管壁厚度、腐蚀情况、清洁情况的检测，作为后期维修保养的参考依据。本机器人要求控制系统满足：调速快、方便；控制机器人的清洁电动机输出转矩；换向转矩波动控制在士5%；控制系统具有一定的先进性；控制系统易操作，便于使用。该控制器主要包括：（1）主控制器：机器人的控制核心；（2）PC机的接口模块：PC机接口模块包括JTAG调试接口和串口通讯接口，JTAG调试接口负责硬件控制器的程序下载和软件调试，串口通讯是PC机和控制器的数据交互接口；图3-5主控制图示意图（3）电机控制模块：控制驱动电机，以进行机器人的运动控制；（4）传感器模块：传感器模块主要包括电机测速，电机测负责检测电机的速度，根据电机测速模块的数据可以得到机器人的位置信息和速度信息。（5）人机接口模块：人机接口模块包括LCD显示、按键和蜂鸣器。它是人机交互的重要工具，通过这些接口可以给机器人下达命令，机器人也可以在运行出错时报警，同时它在控制板软硬件调试过程中作用重大。下面小节将对控制系统整体框图中的主控制芯片和传感器的选型和特点进行简单的分述。3.3.1主控制芯片根据控制系统整体框图所示，本系统设计机器人控制系统主芯片要完成的任务有：(1）产生两路PWM波驱动三个电机，检测两路电机光电码盘信号输入，运行测速程序以实时获知电机转速；(2）调试接口用来下载和调试程序，通过串口和计算机进行通讯；(3）外部中断处理键盘事件；(4）LCD显示； 根据以上任务，机器人控制系统主芯片必须有的资源包括：(1）至少两路独立的硬件PWM发生器。(2）定时器/计数器，丰富的外部接口，如UART、JTAG或ISP、串口以及较多的外部中断。此外为了简化电路，要求主控制芯片要有较大的内部程序存储空间，这样就可以为系统省去存储电路，降低成本。目前市面上的微控制芯片有多种，常见的包括8位单片机51、AVR、16位的TIDSP以及32位的ARM等。51单片机由于其功能简单，IO口较少，一般用于简单的控制模块当中，对于需要控制的部件较多的机器人来说显然是不够用的，TIDSP以及ARM控制器的速度较快，资源丰富，能够胜任机器人应用的多个场合，但是成本较高。因此本系统机器人采用AVR单片机ATmega128作为主控制芯ATmega128单片机是AVR中的高性能8位单片机，采用先进的RISC结构，具有48个可编程IO口，并且接口功能丰富，完全能适合本机器人的应用。ATmega128是ATMRL公司产品，ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。1997年ATMEL发挥其Flash存储器技术特长，研发出增强型内置Flash程序存储器的精简指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU，RISC)高速8位单片机AVR。AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用机器等各个领域。AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令集CPU(Complex Instruction Set CPU，CISC)追求指令完备的做法，采用精简指令集CPU(RISC)，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令，并具有较高的可靠性。AVR单片机的内核将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一个指令可以同时访问两个独立的寄存器。这个结构提高了代码效率，使AVR的运行速度比普通CISC单片机高出10倍。3.3.2 ATmega128介绍ATmega128单片机10-12是AVR单片机家族中的高性能单片机，它的主要性能特点如下（1）高性能、低功耗的8位微处理器AVR单片机工作电压范围宽，工作电压宽，在1.86V之间，电源的抗干扰能力强；低功耗，AVR单片机具有6种休眠功能：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式，并且能够从低功耗模式中迅速唤醒。（2）先进的RISC结构大多数指令可以在一个时钟周期内完成。32K8bit通用工作寄存器和外设控制寄存器。全静态工作于16MHz时，性能高达16MIPS。（3）非易失性的程序和数据存储器128KB的系统可编程，Flash存储器寿命为10000次写/擦除周期。4KB的EEPROM，寿命为100000次写/擦除周期。4KB的内部SRAM，多达64KB的优化的外部存储器空间。可以通过SPI实现系统内编程。（4）JTAG接口（与IEEE 1149.1标准兼容）遵循JTAG标准的边界扫描功能。支持扩展的片内调试。通过JTAG接口实现对Flash存储器、EEPROM、熔丝位和锁存器的编程。（5）外设特点2个独立的带有预分频器和比较模式的8位定时器/计数器；2路8位PWM；6路分辨率可编程（216位）的PWM；端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED；内置看门狗定时器，可防止程序跑飞，提高产品的抗干扰能力；内置电源上电复位和电源掉电检测，可高了单片机的可靠性，不用外加复位延时电路；有丰富的中断向量，34个中断源，不同中断向量的入口地址不一样，可以快速响应；8路10位ADC；面向字节的两线接口；2个可编程的串行USART。3.3.3电机控制技术直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制方式已成为绝对主流。（1）电机调速原理直流电动机转速n的表达式为： (3-2)其中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；为每极磁通量；K为电动机结构参数。由式(3-1)可知直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。图3-6 PWM调速原理电压波形图图3-6是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0 为Uo (3-3)占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。a的变化范围为0a1。由此式可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。（2）电机调速方法在PWM调速时，a占空比是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值：a)定宽调频法：这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。b)调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。c)定频调宽法：这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用得很少。本文电机调速采用的是定频调宽法。3.4最小系统电路设计3.4.1时钟/复位模块设计（1)时钟电路ATmega128单片机的工作以时钟为基准，时钟质量的好坏直接关乎到系统的可靠性和稳定性，本系统的时钟电路如图3-7所示。图3-7时钟电路示意图系统时钟电路有两种实现方式，无源晶振方式和有源晶振方式，无源晶振方式采用外部晶振和内部振荡器生成系统时钟，有源晶振方式由外部有源的晶振产生振荡直接产生时钟，不需要内部振荡器，且他生成的时钟质量比无源晶振要高，为获得高质量、高频率的时钟源，本系统采用16M的有源时钟晶振HO2B-16，HO2B-16的时钟通过XTAL1输出给单片机，另一个时钟角XTAL2悬空。(2)复位电路ATmega128采用低电平复位，复位电路如图3-8所示。图3-8复位电路图为了调试方便，系统设计了手动复位按键，发光二极管D2为复位指示灯，R37为指示灯的限流电阻，当复位按钮按下，复位脚RESET被拉低，系统进入复位中断，D2负端被拉低导通发光。3.4.2电源模块设计本系统中电源模块主要应用在两个部分：一部分是给电机部分供电，另一部分给单片机其外围电路供电。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。用LM7805构成5V稳压电路作为电源电路，如图3-9所示。图3-9电源电路图系统有两种供电方式，9V电池供电方式和采用变压器将电网220V电压变为9V电压的供电方式。输入的9V电压分为两路，一路直接给电机供电；另一路送入LM7805的输入端。电容C36和C37用来实现高频滤波，防止稳压芯片LM7805产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰，C35和C38是电解电容，以减少稳压电压输出端由输入电源引入的低频干扰，D11为电源指示灯。另外，变压器将电网220V电压变为9V，使9V电池进行充电。3.5人机接口电路设计3.5.1 LCD显示模块液晶显示模块是人与硬件的交互界面，我们可以通过液晶板的显示来得知我们在实验中测得的数据，同时它的电路简单。，它是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。HD44780是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的液晶显示控制驱动集成电路，液晶显示屏是以若干个58或511点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。具有字符发生器ROM可显示192种字符，HD44780的显示缓冲区及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内。它具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。且具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点。ATmega128单片机与HD44780液晶显示模块采用并口进行数据通信，单片机通过PA端口的GPIO对并行接口的读写操作实现对液晶模块的控制和数据显示。如上图所示，以ATmega128的GPIO口作为并行接口与液晶显示模块连接的接口电路， 外接电压范围在05伏电压的可调电阻，实现显示屏亮度的可调。HD44780的2脚为液晶的背光显示驱动，当接上5伏电压时背光显示。液晶显示模块各端口的具体定义如表3-2所示。表3-2显示端口管脚功能GND接地VCC电路电源电压5vVOLCD驱动电压，对比度调节电压，通常与GND相连即可RS寄存器选择信号，H表示数据，L表示指令RW读、写信号EN片使能信号，下降沿触发DB3-DB08位数据总线的低4位,在4位数据总线方式无用DB7-DB48位数据总线的高4位BLK-/BLK+显示屏提供背光EN RW RSHD44780的控制线，通过不同的组合，实现各种控制功能连接HD44780与ATmega128单片机的接口电路，如图3-10所示图3-10LCD模块电路图LCD显示模块接口电路的数据总线采用为8位的PA数据端口，LCD的RS、RW和EN