CN105216896B - 一种拍照机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拍照机器人，包括机架，驱动机构，变径调节机构，拍照机构，传动机构和行走机构，可以分别利用三个步进电机对机器人进行驱动、张开管径大小以及照相机旋转的控制，实现在不同口径身管内行走，后退，停止，拍照等任务。其中，驱动机构采用蜗轮蜗杆机构和同步带轮机构，可实现定传动比及稳定的运动传递；行走机构中采用三爪形式定心，利用平行四边形机构实现三组行进装置中的行进轮同时同程度直径变化；变径调节装置中采用丝杠螺母机构调节张开直径大小，另外其内置的柔性调节装置可以克服在行走过程中的卡死现象。其整体结构简单，制造方便，并且能保证很高的同轴度精度。

Description

一种拍照机器人

技术领域

本发明属于身管检测领域，具体涉及一种拍照机器人。

背景技术

目前的炮膛检测绝大多数仍采用传统的由光学望远系统组成的窥膛镜进行肉眼观察，再凭借专家经验进行观差、判断进而确定炮膛内损伤和修复的等级。这种方式主要依赖于主观判断，而不是客观标准。因此测量结果精度低、误差大，很难适应现代化的火炮生产技术。可以设想，如果设计出一种设备来自动完成内膛信息检测的过程，再将检测到的信息交由计算机系统和一系列算法处理，从而将测得的高精度数据与客观建立起的炮膛内部损伤与评定的客观标准相对照，则可以准确的给出炮膛的修复方案。随着计算机技术的发展，计算机处理图片信息的算法越来越先进，数据处理已经不是难题，因此关键就是炮膛深孔内部信息的获得。这就要求设计出一种新的机电一体化设备，自动完成炮膛内部信息的采集。而随着电子技术、微机应用和自动控制理论、传感器技术以及机器人技术的日趋成熟，使解决这一问题成为了可能。

为了解决这一问题，国内有哈尔滨理工大学的研究人员做过相关的研究，其保证测量精度的设计思路为利用多爪支撑定心装置实现预紧和定心。但其结构的预紧采用的是压簧，并不能保证任意口径下对身管的有效压力稳定，更难以保证有效驱动。此外，其身管口径适应范围是100mm——203mm，但是在实际测量的时候需要针对不同口径的身管更换支撑臂和测头，严格意义上来讲这不能算是连续变径，操作起来也相对麻烦。其设计的系统给出的设计参数是：整个装置轴线与炮管内膛轴线的同轴度不大于0.5mm。而根据其检测的技术指标：直线度测量精度：≤0.1mm；直径测量精度：＜5μm而言，同轴度0.5mm的误差已经是直线测量精度的5倍，更是直径测量精度的100倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拍照机器人，用于检测身管内部损伤情况。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种膛内拍照机器人，包括机架，驱动机构，变径调节机构，拍照机构，传动机构和行走机构；机架两端为空心圆柱，两圆柱通过沿圆柱周向均匀分布的三根连杆连接，驱动机构与机架的一端圆柱连接，变径调节机构与机架的另一端圆柱连接，拍照机构与驱动机构连接，传动机构与驱动机构连接，行走机构一端与传动机构连接，另一端与变径调节机构连接；驱动机构包括第一电机外壳，第一步进电机、后端盖、驱动支架安装平台组成，第一电机外壳为无盖盒体，底部设有凸台，驱动支架安装平台为圆柱体，一端挖空；第一步进电机固定在第一电机外壳内，第一电机外壳的无盖一端与后端盖固定连接，另一端的凸台处与驱动支架安装平台挖空一端螺纹连接，驱动支架安装平台另一端与机架固定连接。

上述变径调节机构包括变径支撑臂、变径支撑臂支架、变径连杆、变径螺母、第二电机固定外壳、第二电机安装外壳、调节弹簧、弹簧导杆、第二步进电机和压力传感器；弹簧导杆为三层阶梯杆，台阶面面积依次减小，第二步进电机通过第二电机固定外壳固定在弹簧导杆大截面端，调节弹簧套在弹簧导杆另一端；第二电机安装外壳中心设有阶梯孔，上述弹簧导杆、调节弹簧组成的柔性调节装置可以沿第二电机安装外壳的孔内滑动，形成间隙的孔轴配合；第二步进电机带有丝杠，沿周向均匀分布的三组变径连杆的一端与第二步进电机的伸出丝杠通过变径螺母连接，另一端与变径支撑臂铰接；变径支撑臂端部与变径支撑臂支架铰接，三组变径支撑臂支架沿周向均匀固定在第二电机安装外壳上；变径调节机构的第二电机安装外壳与机架固定连接，压力传感器设置在变径支撑臂外壁，且远离变径支撑臂支架的一侧。

上述拍照机构由第三步进电机和相机组成，相机与第三步进电机固定连接，第三步进电机固定在驱动机构的后端盖上。

上述传动机构包括第一传动轴、平键、蜗杆、蜗轮、同步带轮、驱动支撑臂、第一套筒、第二套筒、角接触球轴承和驱动支撑臂支架；蜗杆与沿其圆周方向均匀分布的三个蜗轮，形成齿轮啮合；第一传动轴上依次布置第一套筒、蜗轮、同步带轮、第二套筒，蜗轮与第一传动轴通过平键连接，同步带轮与第一传动轴通过平键连接，蜗轮与同步带轮轴向长度相加与第一传动轴中段长度相等，同步带轮另一端套在行走机构上；第一套筒和第二套筒两端分别通过角接触球轴承轴向定位，两个角接触球轴承外侧分别设有驱动支撑臂；三组驱动支撑臂支架的一端与驱动支撑臂一端活动连接，三组驱动支撑臂支架的另一端沿周向均匀固定在驱动机构的驱动支架安装平台的端平面上，驱动支撑臂另一端与行走机构连接；传动机构的蜗杆与驱动机构的第一步进电机通过平键连接。

行走机构包括三组行走装置和第二传动轴；行走装置包括两个行进轮和平行四边形连杆组成，两个行进轮之间通过平行四边形连杆铰接，一个行进轮靠近驱动机构，另一个行进轮靠近变径调节机构，同步带的另一端套在行走机构的第二传动轴上，驱动支撑臂另一端与行走机构的第二传动轴活动联接；靠近传动机构一侧的行进轮套在第二传动轴上，第二传动轴上依次布置第一套筒、行进轮、同步带轮、第二套筒，行进轮和同步带轮与第二传动轴通过平键连接，所述的行进轮与同步带轮轴向长度相加与第二传动轴中段长度相等；第一套筒和第二套筒两端分别通过角接触球轴承轴向定位，角接触球轴承外侧设有驱动支撑臂；行走机构的另一侧行进轮与变径调节机构的变径支撑臂铰接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)大大提高了检测系统与身管之间的同轴度精度：通过ADAMS多体动力学仿真分析结果显示：当系统与管件间隙为0.05mm，综合位移偏移量(即同轴度误差)最大为0.12mm；而当减小管件与系统之间的间隙至0.003mm，综合位移偏移量将下降到0.03mm，将上述已有设计的100倍误差降低到了5倍误差；当调整到行进轮与管壁间无间隙时，同轴度测量结果能降到微米级。

(2)本发明在机械结构上采用了自主设计的平行四边形——丝杠螺母变径机构，在控制系统方面采用了高精度步进电机及传感器闭环的控制方式，既实现了系统同时同程度连续变径的工况要求，又实现了系统前进过程中压力在一定范围内变化的自动调节；本发明结构简洁紧凑，成本低，十分容易实现。相比同类产品设计，检测不同口径的身管时，不需要更换任何零部件，因此操作十分方便。

附图说明

图1为本发明的拍照机器人的整体结构剖面示意图。

图2为本发明的拍照机器人的行走机构局部剖面示意图；其中(a)为行走机构局部剖面示意图；(b)为I的局部放大图。

图3为本发明的拍照机器人的整体结构示意图。

图4为本发明的自动拍照机器人的自动控制系统连接示意图。

图5为本发明的自动拍照机器人的电源模块示意图。

图6为本发明的自动拍照机器人的核心控制模块示意图。

图7为本发明的自动拍照机器人的矩阵键盘模块示意图。

图8为本发明的自动拍照机器人的压力传感器模块示意图。

图9为本发明的自动拍照机器人的步进电机控制模块示意图。

图10为本发明的自动拍照机器人的显示模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图3，一种膛内拍照机器人，包括机架5、驱动机构、变径调节机构、拍照机构、传动机构和行走机构，机架5两端为空心圆柱，一端圆柱孔直径φ60mm，另一端圆柱孔直径为φ82mm，两圆柱通过沿圆柱周向均匀分布的三根槽钢连接，驱动机构与机架5的φ82mm圆柱孔螺栓连接，变径调节机构与机架5的φ60mm圆柱孔螺纹连接，拍照机构与驱动机构连接，传动机构与驱动机构连接，行走机构一端与传动机构连接，另一端与变径调节机构连接。其中，驱动机构包括第一电机外壳2，第一步进电机1、后端盖20、驱动支架安装平台19组成，第一电机外壳2为无盖盒体，底部设有φ70mm圆凸台，驱动支架安装平台19为圆柱体，一端挖空。第一步进电机1通过螺钉固定在第一电机外壳2内，第一电机外壳2的无盖一端与后端盖20通过螺钉固定连接，另一端的凸台处与驱动支架安装平台19挖空一端螺纹连接，驱动支架安装平台19的另一端与机架5的φ82mm圆柱孔螺栓连接。变径调节机构由变径支撑臂14、变径支撑臂支架15、变径连杆12、变径螺母11、第二电机固定外壳9、第二电机安装外壳6、调节弹簧7、弹簧导杆8、第二步进电机29组成。弹簧导杆8为三层阶梯杆，台阶面面积依次减小，截面依次为φ48mm、φ25mm、φ8mm，第二步进电机29通过螺钉连接固定在第二电机固定外壳9内，第二电机固定外壳9通过螺钉连接固定在弹簧导杆8φ48mm截面端，调节弹簧7套在弹簧导杆8φ8mm端。压力传感器设置在变径支撑臂14外壁，且远离变径支撑臂支架15的一侧。

结合图2，第二电机安装外壳6中心设有阶梯孔，孔径大小依次为φ48mm、φ25mm、φ8mm、φ33mm，上述弹簧导杆8、调节弹簧7组成的柔性调节装置可以沿第二电机安装外壳6的孔内滑动，形成间隙的孔轴配合。第二步进电机29带有丝杠，变径螺母11与第二步进电机29的伸出丝杠螺纹连接，沿周向均匀分布的三根变径连杆12的一端与变径螺母11销钉连接，另一端与变径支撑臂14销钉连接。变径支撑臂14端部与变径支撑臂支架15销钉连接，三组变径支撑臂支架15通过螺钉连接沿周向均匀固定在第二电机安装外壳6上。变径调节机构的第二电机安装外壳6通过螺纹与机架5的φ60mm圆柱孔固定连接。拍照机构由第三步进电机28和相机10组成，第三步进电机28的伸出杆将相机10夹紧，第三步进电机28通过螺钉固定在驱动机构的后端盖20上。传动机构包括第一传动轴18、平键17、蜗杆3、蜗轮4、同步带轮24、驱动支撑臂25、第一套筒26、第二套筒23、角接触球轴承22和驱动支撑臂支架27组成。蜗杆3直径系数q＝18，模数m＝1，蜗轮齿数z＝42，蜗杆3与沿其圆周方向均匀分布的三个蜗轮4形成齿轮啮合。第一传动轴18上依次布置第一套筒26、蜗轮4、同步带轮24、第二套筒23，蜗轮4和同步带轮24与第一传动轴18通过平键17连接，套筒与第一传动轴18间隙配合，蜗轮4厚度为9mm，同步带轮24厚度为6mm，第一传动轴18中段长度为15mm，第一套筒26和第二套筒23两端的φ7圆柱分别通过角接触球轴承22轴向定位，角接触球轴承22内径为4.8mm，外径为10mm，内径与第一传动轴18间隙配合，外径与驱动支撑臂25上孔间隙配合，通过驱动支撑臂25定位。三组驱动支撑臂支架27的一端与驱动支撑臂25销钉连接，三组驱动支撑臂支架27的另一端通过螺钉沿周向均匀固定在驱动机构的驱动支架安装平台19的端平面上。传动机构的蜗杆3与驱动机构的第一步进电机1通过平键17连接。行走机构由三组行走装置和第二传动轴30组成。行走装置包括两个行进轮13和平行四边形连杆16组成，行进轮13的轮胎由橡胶制成，两个行进轮13之间通过平行四边形连杆16销钉连接，同步带轮24一端套在第一传动轴18上，另一端套在第二传动轴30上，驱动支撑臂25一侧与第一传动轴18销钉连接，另一侧与第二传动轴30销钉连接。靠近传动机构一侧的行进轮13套在第二传动轴30上，第二传动轴30上依次布置第一套筒26、行进轮13、同步带轮24、第二套筒23，行进轮13和同步带轮24与第二传动轴30通过平键17连接，套筒与第二传动轴30间隙配合，行进轮13厚度为9mm，同步带轮24厚度为6mm，第二传动轴30中段长度为15mm，第一套筒26和第二套筒23两端的φ7圆柱分别通过角接触球轴承22轴向定位，角接触球轴承22内径为4.8mm，外径为10mm，内径与第二传动轴30间隙配合，外径与驱动支撑臂25上孔间隙配合，通过驱动支撑臂25定位。行走机构的另一侧行进轮13与变径调节机构的变径支撑臂14铰接。压力传感器为高精度应变片式压力传感器，贴在变径支撑臂14上，且靠近行进轮13的一侧。

结合图4，本发明还包括自动控制系统，自动控制系统包括电源模块、控制核心模块、矩阵键盘模块、压力传感器模块、步进电机控制模块和显示模块；电源模块分别与控制核心模块、矩阵键盘模块、压力传感器模块、步进电机控制模块和显示模块连接，向上述模块供电，控制核心模块分别与矩阵键盘模块、压力传感器模块、步进电机控制模块和显示模块连接，控制核心模块通过矩阵键盘模块和显示模块实现人机交互，控制核心模块通过采集压力传感器模块的压力信号对步进电机控制模块进行控制。

结合图5，电源模块由9V电源、地GND、单刀双掷开关S1、第二发光二极管D2、78L05直流稳压芯片U2、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第九电阻R9组成。第二发光二极管D2正极与9V电源连接，第二发光二极管D2负极与单刀双掷开关S1的2端连接，单刀双掷开关S1的1端与78L05直流稳压芯片U2的1端连接。电流方向从第二发光二极管D2正极流向负极，当单刀双掷开关S1的2端与1端连接，后电流从78L05直流稳压芯片U2的1端流入，从3端流出。第二电容C2正极与单刀双掷开关S1的1端连接，另一端与地GND连接。第四电容C4一端与单刀双掷开关S1的1端连接，另一端与地GND连接。78L05直流稳压芯片U2的2端直接与地GND连接。第三电容C3与第五电容C5、第九电阻R9并联，第三电容C3的正极与第五电容C5和第九电阻R9连接后与78L05直流稳压芯片U2的3端连接，另一端并联后与地GND连接。第九电阻R9的电流方向从78L05直流稳压芯片U2的3端通过第九电阻R9流向地GND。其余电容均用作出去噪音信号使输出电压更加稳定。78L05直流稳压芯片U2的3端输出电压VCC为后续系统供电。

结合图6，ATmega128控制核心模块由ATMEGA128核心控制芯片U4、74AC11373DW地址锁存器芯片U3、74LS138片选信号输出芯片U5、晶振电路、复位电路以及第八电容C8、电源VCC、地GND组成。ATMEGA128核心控制芯片U4的21、52、64、62引脚与电源模块VCC连接，电流从以上引脚流入；62引脚与第八电容C8的一端连接，第八电容C8另一端与地GND连接，用于滤除噪音信号，电流方向不确定；22、53、63引脚全部与地GND连接，电流从以上三个引脚流出。74AC11373DW地址锁存器芯片U3的D1——D8口分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7端口对应连接，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7端口流出，从74AC11373DW地址锁存器芯片U3的D1——D8口流入。74AC11373DW地址锁存器芯片U3的5、6、7、8、24引脚与地GND连接，电流从上述引脚流出；18、19引脚与VCC相连，电流从上述引脚流入；13引脚与ATMEGA128核心控制芯片U4的43引脚连接，电流从ATMEGA128核心控制芯片U4的43引脚流出，从74AC11373DW地址锁存器芯片U3的13引脚流入。74LS138片选信号输出芯片U5的6、16引脚与VCC连接，电流从上述引脚流入；4、5、8引脚与地GND连接，电流从上述引脚流出；1、2、3引脚分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的30、29、28引脚连接，电流从ATMEGA128核心控制芯片U4的30、29、28引脚流出，从74LS138片选信号输出芯片U5的1、2、3引脚流入。晶振电路由8MHz晶振Y1、第十电容C10、第十一电容C11组成，第十电容C10的一端与地GND连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的23引脚连接，第十一电容C11的一端与地GND连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的24引脚连接，Y1的1端与ATMEGA128核心控制芯片U4的24引脚连接，2端与ATMEGA128核心控制芯片U4的23引脚连接。晶振电路产生的系统需要的方波信号，因此晶振电路的元件上的电流方向保持周期性变化。复位电路由第十八电阻R18、复位按钮S8、第九电容C9组成。第十八电阻R18一端与VCC连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的20引脚连接，电流从VCC端流向ATMEGA128核心控制芯片U4的20引脚；复位按钮S8和第九电容C9并联后一端与地GND连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的20引脚连接。当复位按钮S8未按下时，电路稳定后没有电流流过；当复位按钮S8按下时，第九电容C9通过复位按钮S8放电，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的20引脚流向地GND。

结合图7，矩阵键盘模块由第二按钮S2、第三按钮S3、第四按钮S4、第五按钮S5、第六按钮S6、第七按钮S7、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16组成。第十四电阻R14的一端与VCC连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的9引脚连接，电流从VCC通过第十四电阻R14流向ATMEGA128核心控制芯片U4的9引脚。第十五电阻R15的一端与VCC连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的8引脚连接，电流从VCC通过第十五电阻R15流向ATMEGA128核心控制芯片U4的8引脚。第十六电阻R16的一端与VCC连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的7引脚连接，电流从VCC通过第十六电阻R16流向ATMEGA128核心控制芯片U4的7引脚。第二按钮S2一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的9引脚连接。当第二按钮S2未按下时没有电流流过；当第二按钮S2按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚流向9引脚。第三按钮S3一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的8引脚连接。当第三按钮S3未按下时没有电流流过；当第三按钮S3按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚流向8引脚。第四按钮S4一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的7引脚连接。当第四按钮S4未按下时没有电流流过；当第四按钮S4按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的5引脚流向7引脚。第五按钮S5一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的9引脚连接。当第五按钮S5未按下时没有电流流过；当第五按钮S5按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚流向9引脚。第六按钮S6一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的8引脚连接。当第六按钮S6未按下时没有电流流过；当第六按钮S6按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚流向8引脚。第七按钮S7一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚连接，另一端与ATMEGA128核心控制芯片U4的7引脚连接。当第七按钮S7未按下时没有电流流过；当第七按钮S7按下时，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的6引脚流向7引脚。

结合图8，上述压力传感器模块与压力传感器相连，压力传感器模块由MC33079集成运算放大器芯片U1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第八电阻R8、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一滑动变阻器RP1、第二滑动变阻器RP2、第六电容C6组成。MC33079集成运算放大器芯片U1的4引脚与VCC连接，电流从MC33079集成运算放大器芯片U1的4引脚流入；11引脚与第六电容C6的一端连接，第六电容C6的另一端与地GND连接，用于滤除噪音信号；8引脚与ATMEGA128核心控制芯片U4的61引脚连接，电流从8引脚流向ATMEGA128核心控制芯片U4的61引脚。第二电阻R2一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的14引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的14引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚；第三电阻R3一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的7引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的7引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚；第四电阻R4一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的7引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的6引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的7引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的6引脚；第五电阻R5一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的8引脚连接，另一端与地GND连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的8引脚流向地GND；第六电阻R6一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的8引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的8引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的9引脚；第八电阻R8一端与地GND连接，另一端与第二滑动变阻器RP2的任意一端连接，电流方向从第二滑动变阻器RP2的任意一端流向地GND；第十电阻R10一端与地GND连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的10引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的10引脚流向地GND；第十一电阻R11一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的10引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的1引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的1引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的10引脚；第十二电阻R12一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的1引脚连接，另一端与MC33079集成运算放大器芯片U1的2引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的1引脚流向MC33079集成运算放大器芯片U1的2引脚；第十三电阻R13一端与VCC连接，另一端与第二滑动变阻器RP2的另一固定电阻端连接，电流从VCC通过第十三电阻R13流向第二滑动变阻器RP2的另一固定电阻端；第一滑动变阻器RP1两固定电阻端分别与MC33079集成运算放大器芯片U1的2、6引脚连接，滑动变阻端与MC33079集成运算放大器芯片U1的6引脚连接，电流方向从MC33079集成运算放大器芯片U1的2引脚通过连入电路的阻值部分再通过滑动变阻端流向MC33079集成运算放大器芯片U1的6引脚；；第二滑动变阻器RP2的滑动变阻端与MC33079集成运算放大器芯片U1的12引脚连接，电流从第二滑动变阻器RP2的滑动变阻端流入MC33079集成运算放大器芯片U1的12引脚。压力传感器差压信号的正相输出端Uout+与MC33079集成运算放大器芯片U1的3引脚连接，反相输出端Uout-与MC33079集成运算放大器芯片U1的5引脚连接，电流从正相输出端Uout+流入MC33079集成运算放大器芯片U1的3引脚，从MC33079集成运算放大器芯片U1的5引脚流向反相输出端Uout-。

结合图9，步进电机控制模块由第一8255A串行通信芯片M1、第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1、第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2、第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3、第一步进电机接口P1、第二步进电机接口P2、第三步进电机接口P3、第一电阻R1、第七电阻R7、第一电容C1、第一发光二极管D1组成。第一8255A串行通信芯片M1的8、9引脚分别与74AC11373DW地址锁存器芯片U3的2、1引脚连接，电流从74AC11373DW地址锁存器芯片U3的2、1引脚分别流向第一8255A串行通信芯片M1的对应的8、9引脚。第一8255A串行通信芯片M1的5、36引脚分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的34、33引脚连接，电流从ATMEGA128核心控制芯片U4的34、33引脚分别流向第一8255A串行通信芯片M1对应的5、36引脚；第一8255A串行通信芯片M1的6引脚与74LS138片选信号输出芯片U5的15引脚连接，电流从74LS138片选信号输出芯片U5的15引脚流向第一8255A串行通信芯片M1的6引脚。第一8255A串行通信芯片M1的D0——D7口分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7口对应连接，电流方向从ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7口分别流向第一8255A串行通信芯片M1对应的D0——D7口。第一8255A串行通信芯片M1的7引脚与地GND连接，电流从第一8255A串行通信芯片M1的7引脚流向地GND。第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的8引脚与地GND连接，电流从第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的8引脚流向地GND；第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的1、2、3、4引脚与第一8255A串行通信芯片M1的25、24、23、22引脚依次连接，电流从第一8255A串行通信芯片M1的25、24、23、22引脚流向电流从第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的1、2、3、4引脚。第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的8引脚与地GND连接，电流从第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的8引脚流向地GND；第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的1、2、3、4引脚与第一8255A串行通信芯片M1的17、16、15、14引脚依次连接，电流从第一8255A串行通信芯片M1的25、24、23、22引脚流向电流从第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的1、2、3、4引脚。第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的8引脚与地GND连接，电流从第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的8引脚流向地GND；第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的1、2、3、4引脚与第一8255A串行通信芯片M1的4、3、2、1引脚依次连接，电流从第一8255A串行通信芯片M1的25、24、23、22引脚流向电流从第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的1、2、3、4引脚。第一步进电机接口P1的1、2、3、4、5引脚依次与第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的16、15、14、13、9引脚连接，电流从第一ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N1的16、15、14、13、9引脚分别流向第一步进电机接口P1对应的1、2、3、4、5引脚。第二步进电机接口P2的1、2、3、4、5引脚依次与第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的16、15、14、13、9引脚连接，电流从第二ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N2的16、15、14、13、9引脚分别流向第二步进电机接口P2对应的1、2、3、4、5引脚。第三步进电机接口P3的1、2、3、4、5引脚依次与第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的16、15、14、13、9引脚连接，电流从第三ULN2003A(16)达林顿晶体管驱动放大芯片N3的16、15、14、13、9引脚分别流向第三步进电机接口P3对应的1、2、3、4、5引脚。第一步进电机接口P1、第二步进电机接口P2、第三步进电机接口P3的1、2、3、4、5引脚通过导线分别连接第三步进电机28、第一步进电机1和第二步进电机连接29。第一电阻R1一端与VCC连接、另一端与第一发光二极管D1正极连接，电流从VCC流向第一发光二极管D1正极。第一发光二极管D1负极与第一8255A串行通信芯片M1的21引脚连接，电流从第一发光二极管D1的正极流向第一8255A串行通信芯片M1的21引脚。第一电容C1一端与VCC连接，另一端与第一8255A串行通信芯片M1的35引脚连接。第七电阻R7的一端与地GND连接，另一端与35引脚连接。在电路稳定后第一电容C1和第七电阻R7均没有电流流过。

结合图10，显示模块由第二8255A串行通信芯片M2、FYD12864-0402B液晶显示器U6、第十九电阻R19、第十七电阻R17、第七电容C7。第二8255A串行通信芯片M2的8、9引脚分别与74AC11373DW地址锁存器芯片U3的2、1引脚连接，电流从74AC11373DW地址锁存器芯片U3的2、1引脚流向第二8255A串行通信芯片M2的8、9引脚；第二8255A串行通信芯片M2的5、36引脚分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的34、33引脚连接，电流从ATMEGA128核心控制芯片U4的34、33引脚流向第二8255A串行通信芯片M2的5、36引脚。第二8255A串行通信芯片M2的6引脚与74LS138片选信号输出芯片U5的14引脚连接，电流从74LS138片选信号输出芯片U5的14引脚流向第二8255A串行通信芯片M2的6引脚。第二8255A串行通信芯片M2的D0——D7口分别与ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7口对应连接，电流从ATMEGA128核心控制芯片U4的PA0——PA7口分别流向第二8255A串行通信芯片M2对应的D0——D7口。第二8255A串行通信芯片M2的7引脚与地GND连接，电流从第二8255A串行通信芯片M2的7引脚流向地GND。第十七电阻R17一端与地GND连接，另一端与第二8255A串行通信芯片M2的35引脚连接，电流从第二8255A串行通信芯片M2的35引脚流向地GND。第七电容C7一端与VCC连接，另一端与第二8255A串行通信芯片M2的35引脚。FYD12864-0402B液晶显示器U6的19、17、15、2引脚与VCC连接，电流从FYD12864-0402B液晶显示器U6的19、17、15、2引脚流入；FYD12864-0402B液晶显示器U6的20、1引脚与地GND连接，电流从FYD12864-0402B液晶显示器U6的20、1引脚流出。FYD12864-0402B液晶显示器U6的D0——D7口分别与第二8255A串行通信芯片M2的PA0——PA7口对应连接，电流从第二8255A串行通信芯片M2的PA0——PA7口分别流向FYD12864-0402B液晶显示器U6对应的D0——D7口。FYD12864-0402B液晶显示器U6的6、5、4三个引脚分别与第二8255A串行通信芯片M2的10、11、12三个引脚连接，电流从第二8255A串行通信芯片M2的10、11、12三个引脚流向FYD12864-0402B液晶显示器U6的6、5、4三个引脚。FYD12864-0402B液晶显示器U6的3引脚和18引脚分别连接第十九电阻R19的固定电阻端，滑动变阻端与FYD12864-0402B液晶显示器U6的3引脚连接，电流从FYD12864-0402B液晶显示器U6的18引脚经过第十九电阻R19连入电阻的部分再通过滑动变阻端流入FYD12864-0402B液晶显示器U6的3引脚。

工作过程：本发明的拍照机器人上电后，通过设置自动控制系统中的预紧核心控制芯片U4控制第二步进电机29的丝杠进行身管内径的适应调节：第二步进电机29的丝杠旋转，控制变径螺母11轴向运动，依次带动变径连杆12和变径支撑臂14，扩大机器人前轮的张开直径，此过程中前后两轮通过平行四边形连杆16同时同程度变化，当顶部的轮子接触到身管内壁，通过压力传感器测得变径支撑臂14所受的压力，当压力值达到预设压力时，停止旋转第二步进电机29。设计调节弹簧7的刚度，在工作过程中，保证调节弹簧7对弹簧导杆8提供足够的拉力，使得第二步进电机29不在轴线方向发生大位移运动。直径自适应调节完成之后，根据矩阵键盘设置的前进速度核心控制芯片U4控制第一步进电机1，到达指定位置后核心控制芯片U4控制第三步进电机28利用相机10进行拍摄任务，整个过程如下：根据矩阵键盘设置的前进速度核心控制芯片U4控制第一步进电机1旋转，第一步进电机1驱动蜗杆3，蜗杆3把运动传递到蜗轮4、蜗轮4与平键17相连带动整个第一传动轴18的旋转、第一传动轴18的旋转传递到同步带轮24，通过同步带将旋转传递到另一端的第二传动轴30上，从而带动行进轮13旋转，如此驱动整个机器人前进。整个过程，传动比恒定，根据控制第一步进电机旋转的圈数让机器人前进给定距离，实现定位功能。当到达设定位置时，核心控制芯片U4控制第一步进电机1停止，转而控制第三步进电机28，当360o拍摄工作完成后，继续前进，重复上述过程直至整个拍摄完成。在整个拍摄任务中，柔性调节装置可以克服前进过程中卡死的现象，当遇到障碍，即第一步进电机1无法带动机器人前进，行进轮13上的正压力超出正常值，调节弹簧7拉伸，第二步进电机29后移极其微小地调节轮子张开直径的变化，让机器人重新在第一步进电机1的带动下前进。

Claims (4)

1.一种膛内拍照机器人，其特征在于：包括机架（5）、驱动机构、变径调节机构、拍照机构、传动机构和行走机构；机架（5）两端为空心圆柱，两圆柱通过沿圆柱周向均匀分布的三根连杆连接，驱动机构与机架（5）的一端圆柱连接，变径调节机构与机架（5）的另一端圆柱连接，拍照机构与驱动机构连接，传动机构与驱动机构连接，行走机构一端与传动机构连接，另一端与变径调节机构连接；驱动机构包括第一电机外壳（2），第一步进电机（1）、后端盖（20）、驱动支架安装平台（19），第一电机外壳（2）为无盖盒体，底部设有凸台，驱动支架安装平台（19）为圆柱体，一端挖空；第一步进电机（1）固定在第一电机外壳（2）内，第一电机外壳（2）的无盖一端与后端盖（20）固定连接，另一端的凸台处与驱动支架安装平台（19）挖空一端螺纹连接，驱动支架安装平台（19）另一端与机架（5）固定连接；

上述变径调节机构包括变径支撑臂（14）、变径支撑臂支架（15）、变径连杆（12）、变径螺母（11）、第二电机固定外壳（9）、第二电机安装外壳（6）、调节弹簧（7）、弹簧导杆（8）、第二步进电机（29）和压力传感器；弹簧导杆（8）为三层阶梯杆，台阶面面积依次减小，第二步进电机（29）通过第二电机固定外壳（9）固定在弹簧导杆（8）大截面端，调节弹簧（7）套在弹簧导杆（8）另一端；第二电机安装外壳（6）中心设有阶梯孔，上述弹簧导杆（8）、调节弹簧（7）组成的柔性调节装置可以沿第二电机安装外壳（6）的孔内滑动，形成间隙的孔轴配合；第二步进电机（29）带有丝杠，沿周向均匀分布的三组变径连杆（12）的一端与第二步进电机（29）的伸出丝杠通过变径螺母（11）连接，另一端与变径支撑臂（14）铰接；变径支撑臂（14）端部与变径支撑臂支架（15）铰接，三组变径支撑臂支架（15）沿周向均匀固定在第二电机安装外壳（6）上；变径调节机构的第二电机安装外壳（6）与机架（5）固定连接，压力传感器设置在变径支撑臂（14）外壁，且远离变径支撑臂支架（15）的一侧。

2.根据权利要求1所述的膛内拍照机器人，其特征在于：上述拍照机构由第三步进电机（28）和相机（10）组成，相机（10）与第三步进电机（28）固定连接，第三步进电机（28）固定在驱动机构的后端盖（20）上。

3.根据权利要求2所述的膛内拍照机器人，其特征在于：上述传动机构包括第一传动轴（18）、平键（17）、蜗杆（3）、蜗轮（4）、同步带轮（24）、驱动支撑臂（25）、第一套筒（26）、第二套筒（23）、角接触球轴承（22）和驱动支撑臂支架（27）；蜗杆（3）与沿其圆周方向均匀分布的三个蜗轮（4）形成齿轮啮合；第一传动轴（18）上依次布置第一套筒（26）、蜗轮（4）、同步带轮（24）、第二套筒（23），蜗轮（4）与第一传动轴（18）通过平键（17）连接，同步带轮（24）与第一传动轴（18）通过平键（17）连接，蜗轮（4）与同步带轮（24）轴向长度相加与第一传动轴（18）中段长度相等，同步带轮（24）另一端套在行走机构上；第一套筒（26）和第二套筒（23）两端分别通过角接触球轴承（22）轴向定位，两个角接触球轴承（22）外侧分别设有驱动支撑臂（25）；三组驱动支撑臂支架（27）的一端与驱动支撑臂（25）一端活动连接，三组驱动支撑臂支架（27）的另一端沿周向均匀固定在驱动机构的驱动支架安装平台（19）的端平面上，驱动支撑臂（25）另一端与行走机构连接；传动机构的蜗杆（3）与驱动机构的第一步进电机（1）通过平键（17）连接。

4.根据权利要求3所述的膛内拍照机器人，其特征在于：行走机构包括三组行走装置和第二传动轴（30）；行走装置包括两个行进轮（13）和平行四边形连杆（16），两个行进轮（13）之间通过平行四边形连杆（16）铰接，一个行进轮（13）靠近驱动机构，另一个行进轮（13）靠近变径调节机构，同步带轮（24）的另一端套在行走机构的第二传动轴（30）上，驱动支撑臂（25）另一端与行走机构的第二传动轴（30）活动联接；靠近传动机构一侧的行进轮（13）套在第二传动轴（30）上，第二传动轴（30）上依次布置第一套筒（26）、行进轮（13）、同步带轮（24）、第二套筒（23），行进轮（13）和同步带轮（24）与第二传动轴（30）通过平键（17）连接，所述的行进轮（13）与同步带轮（24）轴向长度相加与第二传动轴（30）中段长度相等；第一套筒（26）和第二套筒（23）两端分别通过角接触球轴承（22）轴向定位，角接触球轴承（22）外侧设有驱动支撑臂（25）；行走机构的另一侧行进轮（13）与变径调节机构的变径支撑臂（14）铰接。