爬行机器人的设计

本科毕业设计（论文）通过答辩油管内壁爬行机器人的设计本科毕业设计（论文）通过答辩前言 随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。有的管道中输送的是剧毒或放射性介质，若这些管道产生裂纹、漏孔会造成介质泄漏，引起事故甚至发生灾难。为了防患于未然，必须对这些管道进行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。我国早在 1987 年就开展了管内机器人的研究，并试制了几种模型，但总体水平较国外差。管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。在石油、化工、核工业、给排水等许多管道工程中，都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作，管内机器人在完成这些工作中会发挥重要作用，因此，开发研究管内机器人意义很大 1。本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行，并且搭载工作体的部分可协助工作体完成相应作业的机器人。采用机械结构和电气控制来达到设计目的。要实现的理想过程是：人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动，并在工作体的工作位置做出相应的辅助动作。机器人在行进过程中可在任意位置停止前进，并可以在该位置开始作业，工作体可在步进电机驱动下完成小于 360 度的任意角度的旋转。本科毕业设计（论文）通过答辩目录前言 .1 方案的结构选择 .11 总体选择 .12 前进方案的选择 .13 卡紧方案的选择 .14 旋转方案的选择 .15 调节方案的选择 .16 结构方案改进 .2 主要部件的计算选择 .21 步进电机的选择 .22 推拉式电磁铁的选择 .3 关键件的校核 .31 丝杠的校核 .32 轴承的校核 .33 键的校核 .4 驱动系统设计 .5 机器人工作过程 .6 控制系统的设计 .61 电磁铁及步进电机的控制 .62 控制系统的硬件设计 .7 结论 .参考文献 .附录 A.附录 B.本科毕业设计（论文）通过答辩1 方案的结构选择11 总体选择总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这些动作。12 前进方案的选择 目前在管道内机器人的行进方式多种多样，本设计采用蠕动式行进的方式。前进方案由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。现将 3 种方式在本设计中的应用进行比较。由于本设计前进方式为直线，所以其中使用直线式电机最为简便，直线电机的电机轴是丝杠形式的，于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似，可通过一个小型连轴器与丝杠相连组成一个直线式步进电机，也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连，简图见图 1-1。图 1-1 结构简图第三种方法是使用气缸推动机器人前进。综合比较三种方法后发现，气缸实现直线运动过程简单，但其行程不易控制，要实现精确控制需要成本过高。两种步进电机的特点相似，但直线式的步进电机在安装时不易对心，且价格远高于旋转式步进电机。所以综合考虑最终选择采用旋转电机的方案。13 卡紧方案的选择 机器人在蠕动式爬行的时候，需要卡紧装置进行配合。所以需要选择合理的卡紧方本科毕业设计（论文）通过答辩案。由于本次设计的机器人需要适应从 4.5 到 7 英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计带来很大的难度。方案 1 为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置，当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。工作完成后，电磁铁失电，机器人放松 6。结构简图见图 1-2图 1-2 结构简图方案 2 为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位，机器人放松。结构简图见图 1-3。本科毕业设计（论文）通过答辩图 1-3 结构简图Diagram 1-3 structure sketch plans方案 3 为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电磁铁得电后，电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。由于滑块为锥形，支撑足产生径向移动，机器人被卡紧 7。电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案 2。结构简图见图 1-4。图 1-4 结构简图Diagram 1-4 structure sketch plans综合比较以上三种方案，首先放弃了方案 1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也很困难。方案 2 与方案 3 在原理上基本相同，不同之处在于方案 2 用的是凸轮，而方案 3 用的是锥形滑块。凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加大了成本。经过综本科毕业设计（论文）通过答辩合比较决定选择方案 3。另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合于本设计，故本设计不使用该方法。14 旋转方案的选择 旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。结构如图 1-5 所示。图 1-5Diagram 1-515 调节方案的选择由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。初步拟订 3 个方案，方案 1 采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方案 1 相似，结构简图见图 1-2。通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。方案 2 也是一种连杆机构，结构见图 1-6。通过调整螺栓来调整支撑足的高度。它的结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。本科毕业设计（论文）通过答辩图 1-6 结构简图Diagram 1-6 structure sketch plans方案 3 较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。再将套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。结构详见图 1-7。图 1-7 结构简图Diagram 1-7 structure sketch plans再对以上三种方案进行比较，方案 1 的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制调整机构，节省了人力。方案 2 的机构很合理，调整方便。但由于管道内空间的限制，本科毕业设计（论文）通过答辩这个方案都很难在本设计中应用，而方案 3 虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间上设计的很合理。并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十分方便。本设计采用方案 3。16 结构方案改进 机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上加一根光杠。这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限制，防止了旋转的发生。机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。有些管道的内表面已经作了加工，为了防止划伤管道内表面，我们在机器人的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。由于机器人所载工作体需做小于 360的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。采用三足支撑的方法进行自动定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。并将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。结构如图 1-8 所示。图 1-8 结构简图Diagram 1-8 structure sketch plans在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。本科毕业设计（论文）通过答辩2 主要部件的计算选择21 步进电机的选择本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。我们先对行进用的电机进行选择。本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所以该电机提供推力必须能够推动整个机体。机器人制造材料为铝，铝的密度为 Kg/m385.210可得整个机体的质量约为 1.5 千克。 由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为 1.5 千克。机器人整体的质量主要由机体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为 0.75 千克。两个电磁铁的质量为 0.35 千克，再补充其它部件的质量，整个机器人的质量约为 5 千克。机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。小轮与油管内壁间的摩擦系数决定了机器人所需推力。 根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在 0.1 与 0.2之间，这里为保证推力，取摩擦系数为 0.2。得出为使机器人前进所需推力为 9.8N 。旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法 8。螺栓由于扭紧力矩 T 作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力 F0 。由机械原理可知，扭紧力矩 T 等于螺旋副间的摩擦阻力矩 T1（即本设计中所需求的转矩）和螺母环形面与被连接件支撑面间 的摩擦阻力矩之和，即（2-1）21螺旋副间的摩擦力矩为（2-2）vdFtan201螺母与支承面间的摩擦力矩为（2-3）203023dDfc本科毕业设计（论文）通过答辩将（2-2 ） 、 （2-3） 、代入（2-1） ，得（2-4）32tan212030 dDfdFcv表 2-1综合考虑螺纹升角；螺旋副的当量摩擦角 （f 为摩擦系数，无润滑v15.rtan时 f 0.1-0.2） ；螺母与支承面间的摩擦系数可得（2-5）dF02.因为丝杠传动过程中并无螺母与支承面间的摩擦阻力矩 T2，所以可利用公式（2-5）计算本设计中所用电机的转距，并且计算出的转距一定大于推力所用的转矩，在选用电机时留出了工作余量。由于在工作的丝杠与电机轴之间使用了一组齿轮减数器，Z1=20， Z2=36， 。8.12i计算得出所需电机转矩为 0.0087N.m在考虑到空间、质量因素后决定采用 35BYG310 型步进电机，电机各项参数如表 3-1所示： （通用技术参数）混合式步进电机步 距 角 1.85%绝缘电阻 500V DC 100M Min绝缘强度 50Hz 1Minute 500V Min环境温度 20+50温 升 80 Max.径向跳动 0.02mm Max.轴向跳动 0.1-0.3mm本科毕业设计（论文）通过答辩选择步进电机的步距角为 ，丝杠导程为 1.5，机器人行进的分辨率为 0.0075/8.1步 9。工 作体转动 所用步进 电机的选 择。工 作体在转动过程中需要克服由重力所产生的转矩，由于工作体形状未知，故设工作体重心偏移量为最大，工作体质量为 1.5，得出所需电机转矩为 0.375N.m 。选择 57BYG008 型步进电机。步 距 角 1.8deg环境温度 25+40 绝缘等级 B表 2-2Form 2-2型号 电压 电流 电阻 电感 最大静力矩 机身长 转动惯量 重量(V) (A) () (mh) (N.cm) (mm) (g.cm2) (kg)57BYG007 12 0.38 32 30 29.4 41 60 0.4557BYG008 4.0 1.3 3.1 4.4 49.0 51 118 0.6 57BYG009 2.4 2.4 1.0 1.5 58.8 56 145 0.6522 推拉式电磁铁的选择本设计卡紧部分所采用的是推拉式电磁铁，通过锥形块来实现卡紧。锥形块的锥度设定为 ，支撑杆受力简图如图 2-1 所示：45型号 相数 电流 电阻 最大静转矩 重量 外形尺寸(A) () (kg.cm) (kg) L0(mm) L1(mm) 35BYG310 2 0.19 60 0.8 0.15 28 2135BYG408 2 1.60 1.3 0.9 0.15 29 2135BYG409 2 0.32 23 1.4 0.20 29 21本科毕业设计（论文）通过答辩图 2-1 支撑杆受力简图Diagram 2-1 prop up a pole to be subjected to a dint sketch plan图中 F1 为电磁铁推力， F2 为作用在油管内壁的卡紧力。因为锥度为 ，所以 F1=F2 。机器人前进所用推力为 9.8N，则电磁铁所产生的卡紧45力应大于 9.8N。在电磁铁的卡紧足上镀上用于增大摩擦力的橡胶，保守的取滑动摩擦系数为 0.5，计算得出所需电磁铁的推力为为 19.6N。由于机器人工作的空间狭小且工作条件不清楚，所以在保证足够力的前提下，应尽量选择体积小行程适中的。所以电磁铁选用 TCT40Z 型推拉式电磁铁。仔细分析电磁铁工作曲线（如图 2-2 ）后，决定选用工作行程为 4，功率 50W。本科毕业设计（论文）通过答辩图 2-2Diagram2-23 关键件的校核31 丝杠的校核由于机器人前进过程中行进的距离要进行精确控制，属于精密传动，所以丝杠材料选用 CrWMn 钢 ，公称直径为 8mm , H = 0.75mm , 导程为 1.5 mm , 。MPa14hZdF2本科毕业设计（论文）通过答辩其中 丝杠推力 F = 9.8N ，d 2 = 7.25 , Z = 7 。计算得出：P = 0.08MP a , 所以符合要求 10。32 轴承的校核本设计中两处用到了轴承，其中转动部分需要用角接触球轴承 70000 型。本设计中此处选用角接触球轴承既能抵消所受的径向力,又能抵消所受的附加轴向力。又因为此对轴承所受的外摩擦力即轴向力非常小，故符合机器人的结构及寿命要求。另外固定丝杠时也需要选用轴承。由于丝杠是与电机布置在同一部分机体内，电机已经占据了一定空间，且丝杠公称直径很小，普通轴承不能满足要求。我们在这里选用仪器仪表轴承，d = 6mm ，D = 13mm 。轴承的基本额定载荷 KN， KN。08.1rC45.0or在轻载的情况下，轴向 ，即 N11。767在机器人行进过程中，丝杠的推力为 9.8N，所以选用的轴承满足要求。33 键的校核转动部分使用了一个普通平键，传递转矩为 0.375N.m ，轴的直径为 16 mm， 。mhb,l10校核公式：ppdklT2计算得出 ，键的材料为钢 ，符合要求 12。aMp9.3MPa1254 驱动系统设计步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。与其它驱动元件相比其控制有如下几个明显的优点：1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积；本科毕业设计（论文）通过答辩3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。步进电机的品种规格很多，按照其结构和工作原理可划分为反应式电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。本次设计中采用混合式步进电机。步进电机的运行需要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为角位移，既控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。步进电机的驱动器拥有细分功能。控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所前进的不一定是电机的固有步距角，真正的步距角和电机驱动器有关。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在 10 细分状态时，其步距角只有“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的半步工作状态驱动所用电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动 ；而用细分驱动器工作在 10 细分状态9.0时，电机只转动了 ，这就是细分功能。09.驱动器细分后的主要优点为：1）完全消除了电机的低频振荡。低频振荡（约在 200Hz 左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要工作在共振区（如走圆弧） ，选择细分驱动器是唯一的选择。2）提高了电机的的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了30-40。3）提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度， 提高电机的分辨率是不言而喻的。本设计中共使用两个步进电机，型号分别为 35BYG310 和 57BYG008。为两电机选择的驱动器型号均为 SH-2H057M，该驱动器所用的是全功能步进电机专用控制芯片，是由超大规模的硬件集成，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产生死机及丢步现象。由于不同工作体对机器人行走的分辨率有不同要求，所选的驱动器有细分功能，对应不同工作体的要求，选择相应的细分数 ，驱动器的细分数调法非常简单，只需要根据面板上的提示，通过拨位开关设定即可。本科毕业设计（论文）通过答辩5 机器人工作过程1）机器人置于初始状态电机、电磁铁失电，卡紧杆放松管壁，支撑轴紧靠管壁。2）给定行进量：机器人到工作体工作位置的距离。3）后足卡紧，前足放松。后足处行程开关给出信号，后足已到位。行进用步进电机本科毕业设计（论文）通过答辩得电旋转，通过齿轮减速器的作用，电机带动丝杠转动，机器人的身体拉长，前部身体前进一个工作行程。4）步进电机断电。机器人后足松开管壁，卡紧足在弹簧作用下恢复原位。前足卡紧，前足行程开关给出信号，前足已到位。步进电机得电反转，丝杠反转，机器人身体恢复原长，后部身体前进一个工作行程。5）不同工作体对机器人行进有不同的要求，如为给定的工作位置，机器人按程序行进，到达指定位置后，进行定位。如工作体工作位置不定，例如管道探伤的工作，机器人的行进需要受到传感器所发信号控制，当机器人到达指定位置，传感器发出停止信号，机器人停止前进。6）机器人到达指定位置后，行进用步进电机失电，机器人停止前进。同时前后足卡紧，两处行程开关给出到位信号。机器人卡进后，旋转用步进电机得电，工作体按要求进行旋转。7）工作体在第一个位置的工作完成后，给出完成信号，旋转电机失电，机器人卡紧足放松，机器人恢复为行进状态。根据不同工作体的要求，机器人工作过程会有所不同，但基本会按如上步骤进行爬行动作。6 控制系统的设计61 电磁铁及步进电机的控制本设计中共有两个步进电机和两个推拉式电磁铁需要控制，其中电磁铁控制与电机控制相比较为简单，只有得电与失电两种状态。而步进电机控制相对复杂。本科毕业设计（论文）通过答辩在步进电机的计算机控制中，单片机、PLC 等工业控制计算机根据要求产生控制信号，通过步进电机的控制接口模板，控制步进电机驱动器的脉冲输出，从而控制步进电机启动、运行、停止、换向等，其基本控制作用如下 13：1）控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常将通电换相这一过程称为脉冲分配。2）控制步进电机的转向：由步进电机的工作原理可知，若按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；若反序通电换相，则电机就反转。3）控制步进电机的速度：如果给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整控制计算机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。由单片机实现的步进电机控制系统如图 6-1 所示。图 7-1Diagram7-162 控制系统的硬件设计621 总体设计 本设计的控制系统主要采用八位单片机。单片机在一块芯片上集成了计算机的主要硬件资源。除具有一般计算机快速性、准确性、逻辑功能强等特性外，还具有自身特点14。1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。4）应用广泛，即可用于各种工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。本科毕业设计（论文）通过答辩但是，在许多情况下，例如在构造一个机电测控系统时，考虑到传感器接口、伺服控制接口以及人机对话接口等需要，最小应用系统不能满足系统功能的要求，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机系统扩展。单片机系统扩展一般包括程序存储器（ROM 或 EPROM）扩展、数据存储器（RAM）扩展、输入/输出口（I/O）扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展等。虽然单片机芯片本身已构成一个最小系统，但作为一个最小应用系统来说，仍需在片外加接一些没有集成在片内的功能器件。如 8051/8751 的本身既是最小应用系统。由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。另外，对于片内无 ROM/EPROM 的单片机，还必须配置外部程序存储器。8031 是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。 结构如图 6-2。图 6-2 结构图Diagram 6-2 structure plans本次设计中采用 8031 作为单片机的芯片，需进行外部程序存储器扩展和数据存储器扩展。单片机的系统扩展能力根据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器容量最大为64KB，地址范围为 0000HFFFFH 。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者地址重复，故片外允许扩展的程序存储器和数据存储器各为 64KB。622 程序存储器的扩展 程序存储器扩展使用 EPROM 扩展电路。紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM 可作本科毕业设计（论文）通过答辩为单片机的外部程序存储器，其典型产品有 2716A（2K8 ） 、2732A（8K8 ） 、27128A（16K8） 、27256A （32K8 ）和 27512A（64K8）等。这些芯片上均有一个玻璃窗口，在紫外光下照射 20 分钟左右，存储器中的各位信息均变为 1。此时，可以通过编程器将工作程序固化到这些芯片中。本设计中使用 2764A 。2764A 是一种 8K8 位 EPROM，单一+5V 供电，工作电流为75mA,维持电流为 35mA,读出最大时间为 250ns。扩展电路如图 6-3。 图 6-3 2764A 扩展电路图Diagram 6-3 2764 Ashes expand electric circuit diagram如需要在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果的，可使用 EEPROM。EEPROM 是一种电擦除可编程只读存储器，在需要的情况下，此种存储器可满足要求。623 数据存储器的扩展 数据存储器扩展可使用的有静态读/写存储器 RAM，动态读/写存储器 RAM 和EEPROM 等。静态 RAM 是最常用的，这种存储器的设计无需考虑刷新问题，故它与微处理器的接口很简单。静态 RAM 是通过有源电路来保持存储器中的信息，与动态 RAM本科毕业设计（论文）通过答辩相比，需要消耗更多的功率，且价格较高，动态存储器每位的价格要比静态存储器低 4 倍。由于静态 RAM 接口简单，本次设计中数据存储器扩展使用静态 RAM 芯片 6264。6264是 8K8 位静态随机存储器芯片， CMOS 工艺制造，单一+5V 供电，额定功耗 200MW，典型存取时间 200ns。扩展电路如图 6-4。图 6-4 6264 扩展电路图Diagram 6-4 6264 Ashes expand electric circuit diagram624 输入输出口的扩展 8031 芯片只提供四个 8 位并行 I/O 口，但这些 I/O 口不能完全提供给用户。只有在使用具有片内 ROM/EPROM 的 8051/8751 芯片且不需要作外部扩展时，才允许将这四个I/O 口作为用户 I/O 口使用。对于大多数使用 8031 能够使用的 I/O 口只有 P1 口和部分 P3口线。在大部分 MCS-51 单片机的应用系统设计中，要进行 I/O 口扩展。单片机扩展的 I/O 口有两种基本类型：简单 I/O 口扩展和可编程 I/O 口扩展。前者功能单一，多用于简单外设的数据输入或输出；后者功能丰富，应用广泛，但芯片价格相对较贵。本科毕业设计（论文）通过答辩1）简单 I/O 口扩展 简单 I/O 口扩展有两种，用并行口扩展 I/O 口和用串行口扩展 I/O 口。两种扩展方法均有缺陷，这里只对并行口扩展 I/O 口进行简单介绍。其扩展方法可参照图 6-5 所示连接方法。图 6-5 连接方法Diagram 6-5 conjunction methods2）可编程 I/O 口扩展 可编程 I/O 口扩展是使用一些结构复杂的接口芯片，以完成各种复杂的操作。这类芯片一般具有多种功能，在使用前，必须由 CPU 对其编程，以设定其工作方式，之后才能使芯片按设定的方式进行操作，这就是可编程接口。本次设计使用这种方法进行 I/O 口扩展。使用的芯片为 8155，8031 可直接和 8155 连接而不需要任何外加逻辑，可以直接为系统增加 256 字节外部 RAM、22 根 I/O 线及一个 14 位定时器。8155 具有如下结构：a 256 字节的静态 RAM，存取时间为 400ns。b 三个通用的输入/输出口。c 一个 14 位的可编程定时/计数器。d 地址锁存器及多路转换的地址和数据总线。e 单一+5V 电源， 40 脚双列直插式封装。 当 8155 作为单片机的扩展芯片时，是按外部数据存储器统一编址的，为 16 位地址本科毕业设计（论文）通过答辩数据，其高 8 位由片选线 提供，而低 8 位地址为片内地址。用好 8155I/O 口的关键在CE于正确理解各个 I/O 口每一位的功能含义，据此编写准确的控制字，并写入命令寄存器。其基本硬件连接方法如图 6-6 所示。 图 6-6 连接方法Diagram 6-6 conjunction methods625 抗干扰的设计 在实际环境中原本可正常运行的系统却不能正常工作。问题出在干扰上。为了提高单片机系统工作的可靠性，需要为抑制干扰做很多工作。要使单片机系统能在实际工作环境中正常运行，抗干扰技术尤为重要。常见的硬件抗干扰的措施有 15：1）光电隔离：在输入与输出之间，采用光耦合器来完成前后级间信号耦合，从根本上切断了前后两级间的电气电路连接，保证了干扰信号无法在前后级间传输。2）滤波电路：采用 RC 低通滤波、整流元件上并接滤波电容等各种滤波电路，主要切断来自电网的各种干扰。3）采用过压保护、良好的接地和合理的屏蔽。虽然硬件措施抗干扰要增加系统的投资和设备的体积，但它的优点是效率很高。本次设计采用硬件措施抗干扰，使用光电隔离法。有效地保证系统的正常工作。本科毕业设计（论文）通过答辩7 结论本文介绍了一种针对油管的可在油管内壁爬行的管道机器人。设计的目的是，可以为制造可进行特殊作业的管道机器人提供一个稳定合适的载体，本文从机械结构和电气控制本科毕业设计（论文）通过答辩两方面对机器人设计做了说明。在不确定工作体的情况下，对机器人的工作过程也有一定的介绍。 通过对管道机器人在国内外发展的了解，知道了管道机器人工业领域内有着很广泛的应用，它可以轻松的完成很多人力不易完成的工作，本次设计对工作生产有很大的实际意义。本次机器人的设计的完成提供了一种适应能力出色的载体，在行进过程中可在任意位置停止前进，工作体可在步进电机驱动下完成小于 360 度的任意角度的旋转，它可以搭载工作体稳定的工作，为进一步工作打下了良好的基础。设计的机器人在一定精度范围内基本满足了不同工作体的要求，成功地完成了这次设计的任务。参考文献1 甘小明，徐滨士管道机器人的发展现状M北京：科学出版社，2003722 Tokuji Okada A there-wheeled self-adjusting vehicles in a pine FERRET-1:The International Journal 本科毕业设计（论文）通过答辩of Robotics ResearchMNew York: Academic Press, 2002.3 孙桓,陈作模机械原理M北京：高等教育出版社，19962092104 于殿勇,郑钢铁,孙序梁蠕动式管内移动机构的一种模型J自动化学报,1996,16（5）：3033065 濮良贵,纪名刚机械设计M北京：高等教育出版社，2004，3623666 唐可洪机电一体化设计基础M北京：机械工业出版社，1997，48597 徐灏，邱宣怀机械设计M北京：机械工业出版社，2000,28218 吴宗泽机械零件设计M北京：机械工业出版社,2003,3743759 陈铁鸣,王连明,王黎钦机械设计M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003,810 谢少荣,罗均,林中华,蒋蓁现代控制与驱动技术M北京：化学工业出版社，2005,13914911 蔡颖,薛庆,徐弘山CAD/CAM 原理与应用M辽宁:机械工业出版社，1998,812 王洪欣,李木,刘秉忠机械设计工程学M 徐州:中国矿业大学出版社,2001,181附录 A本科毕业设计（论文）通过答辩X 射线实时影象探伤管道机器人的关键技术摘要这篇论文介绍了一种检查大口径管道焊接连接的机器人系统，它被发展作为X射线实时图象检查法 RTIIT的自动化平台。该机器人在管道内可以独立寻找并确定焊接接缝位置，在同步控制技术的控制下可以完成对焊缝进行质量检验的任务。该机器人系统安装有一个小的焦点和具有定向波束的X射线管，因此可以获得清晰度较高的焊接接缝图像。关于该机器人系统个别的关键技术也将被详细说明。它的结构是（？） 。关键词：X射线探伤、实时影象、机器人0 介绍与射线照相检查方法（RET）相比较，X射线实时图像检查法（RTIIT）有许多优势，比如较高的效率、较低的成本，更容易实现自动化和对焊接缺陷进行即时评估。此外，最新的技术允许X射线RTIIT被用在对管道进行无损检测（NDT），并且这个方法的检查品质和RET 1，2 是一样的。因此，无损检测设备，通常用于管道检验的基于RET的设备，需要通过改造变成基于X射线实时图像检查法的。使用X射线实时图像检查法对管道进行无损检测一定要有一个自动化平台，X射线探伤实时影象管道机器人（irtipr）就是为该目的而设计的。事实上，除了已经被解决 的涉及X射线探伤实时影象管道机器人的问题之外，一些集中在机器人的智能控制的关键技术也出现在这篇论文中。，例如，机器人在管道内的独立动作，同步控制技术和在管道内外之间信息交流配合，我们也将机器人的结构（ ？ ）。1 机器人的工作原理这个X射线探伤实时影象管道机器人由管道内和管道外两部分组成，结构详见图1。管道外的部分由图像采集处理系统（8，9，10），管道外同步旋转机构和它的驱动系统（11，12）组成。图像扩大器由管道外旋转机构来推动并围绕管道中心旋转进行采集焊接图像及通过图像采集卡将图象信号传达给图像处理计算机。管道内的部分由管道内电脑（1）、电源和换流器系统（）、行走及其驱动系统（）、X射线系统（）、管道内同步旋转机构及其驱动系统（,6）和焊接接缝独立寻找及定位系统（）。X射线系统中的X射线管由管道内的旋转机构推动围绕管道的中心旋转。本科毕业设计（论文）通过答辩图1 X射线探伤实时影象管道机器人的结构机器人主要工作原理说明如下：在焊接接缝独立寻找及定位系统的控制下管内爬行器完成工作位置的定位，并在定位的位置上处于等待的状态。当它收到从管道外由低频电磁波传达的指令信号时，管道内的电脑立即操纵 X 射线系统的控制器来实现管道外的控制。管道内和管道外的旋转机构由同步控制技术控制围绕相同的管道中心旋转并按旋转-照射- 旋转的方式完成焊接接缝检查。 机器人的控制系统与工艺步骤的工作原理相比，X 射线 irtipr 的控制系统主要由一些关键技术组成，例如以 X 射线图象标准检查程序为基础的同步控制技术和以数据合成及低频电磁波传递为基础的焊接接缝独立寻找及定位技术。2.1 管道内和管道外旋转机构的同步控制技术根据 X射线实时图象检查法的技术要求，X射线管和图像增强器必须围绕同时地同一个中心旋转。因为X射线irtipr采用无线的工作方式，机器人管道内同管道外的部分是不可能的由电缆连接着的。如何在管道内外旋转机构的控制系统之间实现同步信息通信，或如何实现同步控制，变成必须被解决的关键技术。同步旋转可以被描述为：当管道内的旋转机构带动X射线管到旋转角时，管道外的旋转机构也带动图像增强器同时绕同样的中心旋转到相同的角度（图2）。因为金属管道的遮挡作用和无线的特征，现有的通信手段很难完成在管道内外控制信息的通信（,5）。根据X射线探伤实时影象管道机器人的特殊性，我们提出这同步控制方案如下：将一个垂直于焊接接缝的标准检查程序导线设置在X射线管的照射窗上；当 X射线照射到焊接接缝时，标准检查程序导线也在管道外的电脑上成像。只要管道内和管道外旋转机构处于同步的位置，即X射线管的照射窗和图像增强器的轴是重合的（=0）（图2），标准检查程序导线成像在电脑屏幕的中心位置。标准检查程序导线的成像和标准检查程序的中心线重合，看图3。当管道内旋转机构旋转角时，在屏幕上标准检查程序导线的成像偏离标准检查程序中心线，距离为H 。距离H被用作管道外旋转机构控制系统的错误输本科毕业设计（论文）通过答辩入使调节自身旋转运动直到这距离H为零或小于指定值，管道外旋转机构同步动作可以被实现。试验和模拟证明以上同步控制技术是正确的。这种同步动作满足X射线探伤实时影象管道机器人的技术要求。这种方法以 X射线当做观测信号源，管道内和管道外的旋转机构同步动作信息通过X射线图象的标准检查程序导线偏离标准检查程序中心线距离确定，从而执行同步动作.这种方法已经申请发明专利。图2 同步旋转机构 图3 X射线图象的标准检查程序导线焊接接缝的独立寻找及定位技术独立寻找并定位意味着在管道内机器人没有任何其他干涉仅借助于传感器自动地决定哪里是工作位置.这种控制方式就是“智能控制”。寻找及定位系统的精确度和可靠性与机器人是否可以实现在管道内独立行动有直接关系。如果这个系统是无效的，机器人将在管道中“死亡 ”或“迷路” 6。 大略地说，检测焊接位置接缝方法如下：（1）利用编码器或圆弧测定器；（）利用焊接接缝表面伸出凹面变化的位移所引起位移；（）利用焊缝表面接缝导电；（）利用放射性同位素（比如射线信号源）；（）利用观测；（）利用低频电磁波。因为这种方法受许多因素的影响，例如：行进时刹车、管道内的环境、人为的因素、放射性的伤害、定位的精确度和效率，仅仅使用一种方法是不能获得满意效果的。考虑到焊接接缝的规则排列,即每个焊接接缝的间距大约12m,和各种位置检测方法优点和缺点,以多种成象设备为基础的焊接接缝独立寻找及定位系统被提出来改善和提高精确度、效率和可靠性的局限。多种成象设备由圆弧测定器、CCD摄像机和低频电磁波的接收器和发射极组成。系统的框图如图4。本科毕业设计（论文）通过答辩图4 焊接接缝独立寻找并定位系统系统采用定位反馈来提高定位的效率。反馈成像构成的视觉反馈系统实现精确的定位。合成数据以三种测量数据为基础，圆弧测定器的数据、低频电磁波以及图象，使用优先估计算法处理数据。根据三种定位法的特征，上述数据在不同的范围分别地有效。如果x1表示圆弧测定器的测量数据，x2是低频电磁波，x3是图象。X表示机器人在管道的内实际位置，各个焊接接缝的间距是12m。那么，三种测量数据的有效作用范围如下：x1 ,12m；x20.1m ,1m；x3 -10cm,10cm，最后的定位目标是x3 = 0.三种测量数据有效范围描述如下：当距离x1相距焊接接缝位置是大于100cm时，使用圆弧测定器是为了提高定位效率，并且机器人在管道内以高速移动；当数据x2是小于100cm时，控制器变成低频电磁波，并且让机器人以低速度移动；当焊接接缝进入这图象范围时，采用图象伺服系统获得精确的定位。数据合成规律可以表示为：X = X1 如果（x3 - 10）且（x3 - 10) and ( X3 10) , then X = X3 ;The above-mentioned method that is realized with fuzzy control and datafusion has perfectly solved the contradiction between the precision and the efficiency of localization. The test result of localization precision is within 3 mm , which can meet the design requirement .2.3 The Communication of Low Frequency Electromagnetic WaveBesides the function of localization , low frequency electromagnetic wave is still utilized to transmit the off-on signal between in-pipe and out-pipe parts. Considering its dangers , the X-ray system is often operated with remote control