伸缩式管道机器人的研究与设计（3）
作者：宋华
硬件设计
引言
结合第二章给出的机器人受力分析和结构参数优化的结果，本章首先给出了机器人丝杠与电机的选型过程；然后，根据各机构的设计方案，结合Solidworks软件生成的机器人三维模型论述了机器人的机械设计；最后，依据第三章所述的机器人控制方案，以DSP和CPLD为核心，设计了控制系统的电路原理图和PCB，具体包括电源电路、DSP+CPLD外围电路、步进电机驱动电路、直流载波通信电路和视频传输模块等内容。
器件选型
滚珠丝杠的选型
与传统梯形丝杠相比，滚珠丝杠传动效率高，通常η=0.85~0.96，具有磨损小、寿命高、运动平稳等优点[[i]]。因此各机构丝杠均选用滚珠丝杠。
步进电机的选型
管道机器人伸缩机构与前后锁止机构共设有3台驱动电机，它们各自带动丝杠螺母机构实现不同的轴向位移。
机械设计
本节在管道机器人主要机构的设计方案的基础上，使用达索公司的Solidworks2010软件对机器人各机构进行了详细的机械设计，建立了机器人各机构的三维模型，并将其转换为工程图。下面分别对机器人的限位机构、伸缩机构、锁止机构、支撑轮系和防水密封设计进行阐述。
限位机构
为防止机器人伸缩机构、锁止机构动作时超出安全行程，各机构均设计有基于霍尔开关的非接触式限位机构。霍尔开关是一种利用霍尔效应制成的磁感应式电子开关，其输入可用磁感应强度表示，当霍尔开关承受的磁感应强度超过其阈值时，器件内部集成的晶体管或触发器状态发生翻转，其输出引脚的电平状态也随之改变。如图所示，丝杠一端固定有霍尔开关，伸缩推杆末端设有磁钢座，之上固定有小磁钢。伸缩机构动作时，小磁钢随着伸缩推杆移动，当伸缩机构将要达到安全界限时，小磁钢运动至霍尔开关正上方，霍尔开关检测到超过其阈值的磁感应强度，输出电平变为低电平，控制系统接收该信号，控制电机停转，即可实现限位控制。
限位机构设计
伸缩机构
伸缩机构的机械设计如图所示，步进电机安装在电机仓内，电机输出轴通过无齿隙梅花联轴器与丝杠固定侧相连。丝杠将电机轴的旋转运动转化为滚珠螺母的轴向移动，带动螺母座并推动伸缩推杆，实现伸缩机构的伸展与收缩。伸缩机构设有两条导轨用于限制滚珠螺母的转动，并增大系统强度。螺母座安装固定有滚珠直线轴承，减小导轨与螺母座之间的摩擦阻力。
伸缩机构三维模型
锁止机构
锁止机构的机械设计如图所示，与伸缩机构类似，锁止机构的主体为电机—丝杠传动装置。减速步进电机安装在电机仓内，电机输出轴与丝杠通过联轴器直连。滚珠螺母带动支撑臂展开与收缩，以实现锁止机构的锁定与解锁。为了增大支撑体与管道内壁之间的摩擦系数，支撑体表面设有防滑纹路。此外，锁止机构还设有导轨，用于限制滚珠螺母的周向转动并增大系统强度。
锁止机构三维模型
支撑轮系
如图所示，机器人设计有结构相似的前后两套支撑轮系。每套支撑轮系均设有3对可活动的支撑臂，支撑臂中部安装有支撑轮。支撑臂一端与固定底座连接，另一端与活动支架连接。活动支架中心安装有直线轴承，可沿轮系中轴轴向滑动，从而带动支撑轮张开或收缩。活动支架与固定底座间设有弹簧，使支撑臂、活动支架和固定底座3者构成弹性支撑结构。在弹簧的作用下，支撑轮可紧压管道内壁并保证支撑相对稳定。
支撑轮系三维模型
防水密封设计
管道机器人的使用场合主要为水平定向钻技术铺设的地下管线，由于各种因素，此类管线内部常含有大量污泥污水，因此管道机器人主体需具有极好的防水性能。管道机器人机械设计遵循的防护等级采用国际电工委员会推荐的 IPxx等级标准，xx代表两位数字，第一位表示防尘等级，第二位表示防水等级。为保证管道机器人可靠运行，机器人主体防水等级选定为IP68，该防护等级可完全防止灰尘进入机器人主舱体，并能使机器人在一定压力下长时间浸水且不影响其正常工作。
机器人整机效果
设计完成后的管道机器人整机装配效果如图所示，机器人从右至左分别为前支撑轮系、前锁止机构、伸缩机构、主舱体、后锁止机构和后支撑轮系。为保证机器人顺利通过弯曲管道，机器人主要机构之间通过可活动铰链连接。
电路原理图设计
根据控制系统方案，机器人硬件电路应具备机器人初始化、行走控制、传感器数据采集和上下位机通信等功能。为实现上述功能，将硬件电路划分为电源模块、DSP+CPLD模块、电机驱动模块、通讯模块和视频传输模块等子系统，各模块的功能如下：
1. 电源模块：为管道机器人硬件电路其余模块提供各自所需的电源供应。
2. DSP+CPLD模块：该模块为机器人硬件电路的核心，负责机器人行走状态的控制与转换、数据采集与处理、电机PWM脉冲的生成等功能。
3. 电机驱动模块：接收DSP+CPLD模块发出的电机控制信号，输出步进电机所需的脉冲序列。
4. 通讯模块：实现上下位机的双向通信，并设有RS232接口用于系统扩展。
5. 视频模块：通过摄像头采集管道内的视频图象并将其传输至上位机。
PCB设计
依据电路原理图，本节基于Altium Designer 10软件平台对机器人的PCB设计进行阐述，具体分为PCB布局、PCB布线和电路板测试3个部分内容。
PCB布局
具体设计之前，首先应确定PCB外形尺寸。机器人主舱体的内径为84.9mm，考虑电路板焊接元件后有一定高度，最终确定PCB的外形尺寸为230mm×74mm。由于DSP、CPLD和存储器芯片引脚较多， PCB采用四层板设计，其中顶层和底层为信号层，主要用于放置元器件和布置信号线；两个中间层分别为电源层和地层，电源层划分为24V、5V、3.3V及1.9V模拟或数字电源平面；地层划分为模拟地平面和数字地平面，两者在电源模块处通过1uH的电感连接。
PCB布局应综合考虑机器人的主体结构、传感器与电机接口位置、电路板发热量分布等因素，总的布局原则是保证电路电气性能的前提下，便于PCB布线、易于焊接和调试、有利于散热，并兼顾美观。
PCB布线
布线工作是PCB设计的核心，PCB的布线水平直接影响整个电路板性能的好坏。进行具体布线工作前，首先应设置Altium Designer软件的布线规则：最小间距8mil，最小线宽10mil，最小过孔设置16mil/30mil。
电路板测试
PCB板加工完成后，应进行仔细检查，减小电路调试难度，具体过程如下：
1. 细致观察电路板，观察是否有标记不清、焊盘脱落、信号线断路等现象；
2. 使用万用表测试芯片电源引脚与GND是否存在短路现象；
3. 依据电路原理图，使用万用表测试重要信号线是否存在断路现象。
待上述检查完成后，可以进行元器件焊接。
小结
本章主要阐述了管道机器人的硬件设计部分，首先以伸缩机构为重点介绍了机器人丝杠和步进电机的选型过程；之后结合机器人各机构的三维模型，对机器人机械设计部分进行了说明，并给出了机器人主体采用的防水密封措施；最后设计了机器人控制电路的原理图和PCB，并简要阐述了电路板检查和测试的过程，为第五章软件设计与仿真测试提供了基础。