专利名称：一种基于连续体结构的飞机油箱检查机器人及其控制方法
技术领域：
本发明属于民用航空技术领域，特别是涉及一种基于连续体结构的飞机油箱检查机器人及其控制方法。
背景技术：
在民航机务维修中，飞机油箱渗漏及腐蚀一直是一个相当棘手的问题。由于工作环境恶劣，操作空间小，油箱内部结构复杂，而且不同机型油箱结构不尽相同，中央油箱和机翼油箱中均有桁条结构，因此燃油渗漏路径难以分析，内漏点及腐蚀位置很难确定，所以 检修油箱往往需要很长的停场时间，甚至反复几次才能完成。为尽快地完成抢修任务，快速、准确地查找到漏点及腐蚀的位置就显得特别重要。目前，主要通过人工的方式实现漏点及腐蚀位置的确定，在这种情况下，工作人员常要进入飞机油箱进行检查。在飞机燃油箱中作业存在着易燃、易爆、人员中毒和飞机/设备损坏的危险性，因此亟需一种能够代替人进入油箱进行检查的装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够减轻机务人员工作强度、保障其人身安全的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人及其控制方法，为了达到上述目的，本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人包括移动平台、升降运动单元、蛇臂运动单元、系统控制单元和电源模块；所述的移动平台包括底板、两个万向轮和两个固定轮，其中底板水平设置，两个万向轮和两个固定轮分别设置在底板的底面前后端两侧；所述的升降运动单元包括底座、直线模组、滑块、伺服电机和联轴器，其中底座将直线模组固定在底板的表面中部；滑块以能够上下滑动的方式安装在直线模组上，同时与蛇臂运动单元下端固连；伺服电机通过联轴器与直线模组上的丝杠上端相连；所述的蛇臂运动单元包括蛇臂体、蛇臂驱动机构和图像感知模块；其中蛇臂驱动机构安装在滑块上，主要包括多个电机底板、多台蛇臂驱动电机、多个带基座轴承、多个卷线轴和蛇臂支架；其中多个电机底板分多层沿上下方向相隔距离水平设置；每个电机底板的表面两侧并排分别安装有一台蛇臂驱动电机，另一端相应安装有两个带基座轴承；每台蛇臂驱动电机的输出轴通过一个联轴器与一个卷线轴的一端相连，卷线轴的另一端连接在一个带基座轴承上；蛇臂支架设置在位于最上层的电机底板表面上两个卷线轴之间的部位，其两侧面上分别安装有多个换向轮，表面形成有多个用于贯穿蛇臂体上驱动绳的开孔；蛇臂体的下端固定在蛇臂支架上，其由至少五个关节构成，每个关节包括首端圆盘、末端圆盘、多个支撑圆盘、柔性支撑杆和四根驱动绳；其中首端圆盘、多个支撑圆盘和末端圆盘的中部从下至上相隔距离套装在柔性支撑杆上，每个首端圆盘、支撑圆盘和末端圆盘的圆周上形成有多个过孔，上一关节的首端圆盘与下一关节的末端圆盘通过关节连接件相互连接在一起；四根驱动绳分别贯穿设置在首端圆盘、支撑圆盘和末端圆盘上相距90度方位的一个过孔内，下端从蛇臂支架上的一个开孔穿过并通过一个换向轮以正绕线和反绕线交错的方式卷绕在一个相应的卷线轴上，上端固定在该关节的末端圆盘上；图像感知模块包括摄像机及照明灯，两者固定于蛇臂体的上端；所述的系统控制单元安装在底板的表面，包括主控计算机、电机控制板、数据传输模块及照明控制模块；其中主控计算机同时与电机控制板、数据传输模块、照明控制模块及监控站计算机相连，用于将接收到的监控站操作人员在监控站计算机上下达的运动控制指令分解为各个关节的控制量，再向电机控制板发送控制指令，从而使得各关节能够旋转弯曲或使得直线模组进行直线运动；主控计算机还负责计算机器人的空间姿态，并和其他系统状态一起反馈到监控站计算机，以便工作人员后续操控；电机控制板与主控计算机和伺服电机以及蛇臂驱动电机相连，用于接收主控计算机的运动指令，然后向伺服电机和蛇臂驱动电机发送驱动信号，以控制这些电机按照指定参数运动；数据传输模块通过RS232与主控计算机相连，同时与摄像机相接，用于将命令和状态在机器人与监控站计算机之间进行传递，同时将摄像机采集的油箱图像传递给监控站计算机；照明控制模块通过数字量采集卡与主控计算机相连，同时与照明灯相接，用于控制照明灯的开关，并配合摄像机提供不同亮度的照明光，以适应不同的光线条件，从而达到较好的图像采集效果；所述的电源模块安装在底板的表面，用于为整个机器人提供工作电源。所述的主控计算机采用嵌入式工控机。所述的蛇臂体的外部设有蛇臂外壳，蛇臂外壳采用具有伸缩和弯曲能力的波纹管制成。所述的伺服电机和蛇臂驱动电机上安装有光电编码器。所述的柔性支撑杆采用碳纤维杆。所述的底板的表面后端还安装有扶手。本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人的控制方法包括按顺序进行的下列步骤I)系统自检及初始化的SI阶段；在此阶段中，主控计算机将对本机器人中各相关设备的工作状况进行检测，并对摄像机和各关节变量数据及运行期间的状态变量进行初始化；2)对自检结果是否正常进行判断的S2阶段；如果判断结果为“是”，进入S3阶段；否则进入异常处理的S9阶段，然后结束运行；3)读取监控站计算机下达指令的S3阶段；在此阶段中，主控计算机将在规定的时间内读取地面监控站计算机发出的指令，然后进入S4阶段；4)对机器人是否读取到新指令进行判断的S4阶段；如果判断结果为“是”，进入S5阶段；否则进入S7阶段；5)对指令进行解析的S5阶段；对S3阶段中接收到的地面监控站计算机发出的控制指令进行解析，以得到具体控制命令参数，并对伺服电机和蛇臂驱动电机的控制指令进行更新，然后进入S6阶段；6)关节动作的S6阶段；在此阶段中，主控计算机将产生的控制指令传送到各驱动机构，以执行相应的动作，然后进入S7阶段；7)进行状态更新的S7阶段；对在此阶段中，主控计算机将机器人位姿、中间结果、及环境状况信息进行更新，并发送给数据传输模块，然后进入S8阶段；8)对是否退出进行判断的S8阶段；如果判断结果为“是”，结束程序运行；否则返回到S3阶段的入口处以继续循环。本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人是一种仿生机器人，其能够在工作人员的监控下进入飞机油箱内部进行内漏点的确定及腐蚀检查，具有传统离散型机器人所不具有的优良弯曲性能，而且能够根据环境障碍物的状况而灵活改变自身形状，并对工作空间狭小的环境和非结构化环境具有独 特的适应能力。该机器人能够替代人在油箱中作业，无疑会降低机务人员工作强度、保障人员安全、提高维修效率及降低油箱安全隐患，从而对缩短飞机停场时间、降低经济损失具有重要意义。此外，本机器人上伸入到飞机油箱内的部位几乎无用电设备，因此具有良好的防爆先决条件。另外，本机器人体积小、重量轻，通过移动平台可方便实现移动，便于实现多个位置的检修。
图I为本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人整体结构示意图；图2为本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人中蛇臂体结构示意图；图3为本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人中蛇臂驱动机构结构示意图；图4为本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人中系统控制单元构成框图；图5本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人控制方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人及其控制方法进行详细说明。如图I-图4所示，本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人包括移动平台、升降运动单元、蛇臂运动单元、系统控制单元13和电源模块14 ；所述的移动平台包括底板17、两个万向轮15和两个固定轮16，其中底板17水平设置，两个万向轮15和两个固定轮16分别设置在底板17的底面前后端两侧；所述的升降运动单元包括底座12、直线模组11、滑块9、伺服电机6和联轴器7，用于为蛇臂运动单元提供升降功能，使蛇臂运动单元能够伸入飞机油箱内部进行检查，其中底座12将直线模组11固定在底板17的表面中部；滑块9以能够上下滑动的方式安装在直线模组11上，同时与蛇臂运动单元下端固连；伺服电机6通过联轴器7与直线模组11上的丝杠上端相连，在伺服电机6的带动下，滑块9将进行升降运动，从而带动整个蛇臂运动单元上下运动，为机器人提供一个升降自由度；所述的蛇臂运动单元包括蛇臂体4、蛇臂驱动机构10和图像感知模块；其中蛇臂驱动机构10安装在滑块9上，其是能够驱动蛇臂体4及图像感知模块进入飞机油箱的核心，主要包括多个电机底板36、多台蛇臂驱动电机34、多个带基座轴承28、多个卷线轴31和蛇臂支架29 ;其中多个电机底板36分多层沿上下方向相隔距离水平设置；每个电机底板36的表面两侧并排分别安装有一台蛇臂驱动电机34，另一端相应安装有两个带基座轴承28 ;每台蛇臂驱动电机34的输出轴通过一个联轴器32与一个卷线轴31的一端相连，卷线轴31的另一端连接在一个带基座轴承28上；蛇臂支架29设置在位于最上层的电机底板36表面上两个卷线轴31之间的部位，其两侧面上分别安装有多个换向轮30，表面形成有多个用于贯穿蛇臂体4上驱动绳25的开孔；蛇臂体4的下端固定在蛇臂支架29上，其由至少五个关节20构成，每个关节20具有两个自由度，可向各个方向弯曲，因此蛇臂体4至少具有十个自由度，每个关节20包括首端圆盘21、末端圆盘19、多个支撑圆盘24、柔性支撑杆26和四根驱动绳25 ;其中首端圆盘21、多个支撑圆盘24和末端圆盘19的中部从下至上相隔距离套装在柔性支撑杆26上，每个首端圆盘21、支撑圆盘24和末端圆盘19的圆周上形成有多个过孔，上一关节20的首端圆盘21与下一关节20的末端圆盘19通过关节连接件22相互连接在一起；四根驱动绳25分别贯穿设置在首端圆盘21、支撑圆盘24和末端圆盘19上相距90度方位的一个过孔内，下端从蛇臂支架29上的一个开孔穿过并通过一个换向轮30以正绕线和反绕线交错的方式卷绕在一个相应的卷线轴31上，上端固定在该关节20的末端圆盘19上；图像感知模块包括摄像机I及照明灯2，两者固定于蛇臂体4的上端，其中摄像机I能够将飞机油箱内部的情况传递到外部监测系统上，以便于工作人员判断油箱内 部状况，而照明灯2则为摄像机I提供照明光；所述的系统控制单元13安装在底板17的表面，包括主控计算机40、电机控制板41、数据传输模块42及照明控制模块43 ;其中主控计算机40同时与电机控制板41、数据传输模块42、照明控制模块43及监控站计算机相连，用于将接收到的监控站操作人员在监控站计算机上下达的运动控制指令分解为各个关节20的控制量，再向电机控制板41发送控制指令，从而使得各关节20能够旋转弯曲或使得直线模组11进行直线运动；主控计算机40还负责计算机器人的空间姿态，并和其他系统状态一起反馈到监控站计算机，以便工作人员后续操控；电机控制板41与主控计算机40和伺服电机6以及蛇臂驱动电机34相连，用于接收主控计算机40的运动指令，然后向伺服电机6和蛇臂驱动电机34发送驱动信号，以控制这些电机按照指定参数运动；数据传输模块42通过RS232与主控计算机40相连，同时与摄像机I相接，用于将命令和状态在机器人与监控站计算机之间进行传递，同时将摄像机I采集的油箱图像传递给监控站计算机；照明控制模块43通过数字量采集卡与主控计算机40相连，同时与照明灯2相接，用于控制照明灯2的开关，并配合摄像机I提供不同亮度的照明光，以适应不同的光线条件，从而达到较好的图像采集效果；所述的电源模块14安装在底板17的表面，用于为整个机器人提供工作电源。所述的主控计算机40采用嵌入式工控机。所述的蛇臂体4的外部设有蛇臂外壳5，蛇臂外壳5采用具有伸缩和弯曲能力的波纹管制成，其能够有效地保护蛇臂体4及飞机油箱内部的环境不受损坏。所述的伺服电机6和蛇臂驱动电机34上安装有光电编码器，电机控制板41可利用光电编码器位置信号形成位置速度闭环精确控制，并将其反馈到主控计算机40，用来推算出机器人的空间姿态。所述的柔性支撑杆26采用碳纤维杆，以保证各关节20具有均匀的曲率。所述的底板17的表面后端还安装有扶手8。现将本发明提供的飞机油箱检查机器人工作过程阐述如下
首先由工作人员利用扶手8将本发明提供的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人推至位于飞机机翼和机身底部的飞机油箱下方，然后将其上蛇臂运动单元上端放置到飞机油箱入口处，这时机器人将处于指令接收就绪状态；工作人员可由监控站计算机设定需到达的油箱目标位置，并向机器人发送控制指令；机器人根据工作人员的指令通过相应关节的运动控制蛇臂末端到达设定位置，并实时将图像传输到监控站，供检查分析。如图5所示，本发明提供的飞机油箱检查机器人控制过程包括按顺序进行的下列步骤I)系统自检及初始化的SI阶段；在此阶段中，主控计算机40将对本机器人中各相关设备的工作状况进行检测，并对摄像机I和各关节20变量数据及运行期间的状态变量进行初始化；
2)对自检结果是否正常进行判断的S2阶段；如果判断结果为“是”，进入S3阶段；否则进入异常处理的S9阶段，然后结束运行；3)读取监控站计算机下达指令的S3阶段；在此阶段中，主控计算机40将在规定的时间内读取地面监控站计算机发出的指令，然后进入S4阶段；4)对机器人是否读取到新指令进行判断的S4阶段；如果判断结果为“是”，进入S5阶段；否则进入S7阶段；5)对指令进行解析的S5阶段；对S3阶段中接收到的地面监控站计算机发出的控制指令进行解析，以得到具体控制命令参数，并对伺服电机6和蛇臂驱动电机3的控制指令进行更新，然后进入S6阶段；6)关节动作的S6阶段；在此阶段中，主控计算机40将产生的控制指令传送到各驱动机构，以执行相应的动作，然后进入S7阶段；7)进行状态更新的S7阶段；对在此阶段中，主控计算机40将机器人位姿、中间结果及环境状况信息进行更新，并发送给数据传输模块42，然后进入S8阶段；8)对是否退出进行判断的S8阶段；如果判断结果为“是”，结束程序运行；否则返回到S3阶段的入口处以继续循环。
权利要求
1.一种基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的飞机油箱检查机器人包括移动平台、升降运动单元、蛇臂运动単元、系统控制単元(13)和电源模块(14)； 所述的移动平台包括底板(17)、两个万向轮(15)和两个固定轮(16)，其中底板(17)水平设置，两个万向轮(15)和两个固定轮(16)分别设置在底板(17)的底面前后端两侧；所述的升降运动单元包括底座(12)、直线模组(11)、滑块(9)、伺服电机(6)和联轴器⑵，其中底座(12)将直线模组(11)固定在底板(17)的表面中部；滑块(9)以能够上下滑动的方式安装在直线模组(11)上，同时与蛇臂运动単元下端固连；伺服电机(6)通过联轴器(7)与直线模组(11)上的丝杠上端相连； 所述的蛇臂运动単元包括蛇臂体(4)、蛇臂驱动机构(10)和图像感知模块；其中蛇臂驱动机构(10)安装在滑块(9)上，主要包括多个电机底板(36)、多台蛇臂驱动电机(34)、多个带基座轴承(28)、多个卷线轴(31)和蛇臂支架(29);其中多个电机底板(36)分多层沿上下方向相隔距离水平设置；每个电机底板(36)的表面两侧并排分别安装有一台蛇臂驱动电机(34)，另一端相应安装有两个带基座轴承(28);每台蛇臂驱动电机(34)的输出轴通过一个联轴器(32)与ー个卷线轴(31)的一端相连，卷线轴(31)的另一端连接在ー个带基座轴承(28)上；蛇臂支架(29)设置在位于最上层的电机底板(36)表面上两个卷线轴(31)之间的部位，其两侧面上分別安装有多个换向轮(30)，表面形成有多个用于贯穿蛇臂体(4)上驱动绳(25)的开孔；蛇臂体(4)的下端固定在蛇臂支架(29)上，其由至少五个关节(20)构成，每个关节(20)包括首端圆盘(21)、末端圆盘(19)、多个支撑圆盘(24)、柔性支撑杆(26)和四根驱动绳(25);其中首端圆盘(21)、多个支撑圆盘(24)和末端圆盘(19)的中部从下至上相隔距离套装在柔性支撑杆(26)上，每个首端圆盘(21)、支撑圆盘(24)和末端圆盘(19)的圆周上形成有多个过孔，上ー关节(20)的首端圆盘(21)与下ー关节(20)的末端圆盘(19)通过关节连接件(22)相互连接在一起；四根驱动绳(25)分别贯穿设置在首端圆盘(21)、支撑圆盘(24)和末端圆盘(19)上相距90度方位的一个过孔内，下端从蛇臂支架(29)上的一个开孔穿过并通过ー个换向轮(30)以正绕线和反绕线交错的方式卷绕在一个相应的卷线轴(31)上，上端固定在该关节(20)的末端圆盘(19)上；图像感知模块包括摄像机(I)及照明灯(2)，两者固定于蛇臂体(4)的上端； 所述的系统控制单元(13)安装在底板(17)的表面，包括主控计算机(40)、电机控制板(41)、数据传输模块(42)及照明控制模块(43);其中主控计算机(40)同时与电机控制板(41)、数据传输模块(42)、照明控制模块(43)及监控站计算机相连，用于将接收到的监控站操作人员在监控站计算机上下达的运动控制指令分解为各个关节(20)的控制量，再向电机控制板(41)发送控制指令，从而使得各关节(20)能够旋转弯曲或使得直线模组(11)进行直线运动；主控计算机(40)还负责计算机器人的空间姿态，并和其他系统状态一起反馈到监控站计算机，以便工作人员后续操控；电机控制板(41)与主控计算机(40)和伺服电机(6)以及蛇臂驱动电机(34)相连，用于接收主控计算机(40)的运动指令，然后向伺服电机(6)和蛇臂驱动电机(34)发送驱动信号，以控制这些电机按照指定參数运动；数据传输模块(42)通过RS232与主控计算机(40)相连，同时与摄像机(I)相接，用于将命令和状态在机器人与监控站计算机之间进行传递，同时将摄像机(I)采集的油箱图像传递给监控站计算机；照明控制模块(43)通过数字量采集卡与主控计算机(40)相连，同时与照明灯(2)相接，用于控制照明灯(2)的开关，并配合摄像机(I)提供不同亮度的照明光，以适应不同的光线条件，从而达到较好的图像采集效果； 所述的电源模块(14)安装在底板(17)的表面，用于为整个机器人提供工作电源。
2.根据权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的主控计算机(40)采用嵌入式エ控机。
3.根据权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的蛇臂体(4)的外部设有蛇臂外壳(5)，蛇臂外壳(5)采用具有伸縮和弯曲能力的波纹管制成。
4.根据权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的伺服电机(6)和蛇臂驱动电机(34)上安装有光电编码器。
5.根据权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的柔性支撑杆(26)采用碳纤维杆。
6.根据权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人，其特征在于所述的底板(17)的表面后端还安装有扶手(8)。
7.—种如权利要求I所述的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤 1)系统自检及初始化的SI阶段；在此阶段中，主控计算机(40)将对本机器人中各相关设备的工作状况进行检测，并对摄像机(I)和各关节(20)变量数据及运行期间的状态变量进行初始化； 2)对自检结果是否正常进行判断的S2阶段；如果判断结果为“是”，进入S3阶段；否则进入异常处理的S9阶段，然后结束运行； 3)读取监控站计算机下达指令的S3阶段；在此阶段中，主控计算机(40)将在规定的时间内读取地面监控站计算机发出的指令，然后进入S4阶段； 4)对机器人是否读取到新指令进行判断的S4阶段；如果判断结果为“是”，进入S5阶段；否则进入S7阶段； 5)对指令进行解析的S5阶段；对S3阶段中接收到的地面监控站计算机发出的控制指令进行解析，以得到具体控制命令參数，并对伺服电机(6)和蛇臂驱动电机(3)的控制指令进行更新，然后进入S6阶段； 6)关节动作的S6阶段；在此阶段中，主控计算机(40)将产生的控制指令传送到各驱动机构，以执行相应的动作，然后进入S7阶段； 7)进行状态更新的S7阶段；对在此阶段中，主控计算机(40)将机器人位姿、中间结果及环境状况信息进行更新，并发送给数据传输模块(42)，然后进入S8阶段； 8)对是否退出进行判断的S8阶段；如果判断结果为“是”，结束程序运行；否则返回到S3阶段的入口处以继续循环。
全文摘要
一种基于连续体结构的飞机油箱检查机器人及其控制方法。机器人包括移动平台、升降运动单元、蛇臂运动单元、系统控制单元和电源模块；本发明机器人是一种仿生机器人，其能在工作人员监控下进入飞机油箱内部进行内漏点确定及腐蚀检查，具有传统离散型机器人所不具有的优良弯曲性能，而且能根据环境障碍物的状况而灵活改变自身形状，并对工作空间狭小的环境和非结构化环境具有独特的适应能力。本机器人能够替代人在油箱中作业，无疑会降低机务人员工作强度、保障人员安全、提高维修效率及降低油箱安全隐患，从而对缩短飞机停场时间、降低经济损失具有重要意义。此外，本机器人上伸入到飞机油箱内的部位几乎无用电设备，因此具有良好的防爆先决条件。
文档编号B25J9/16GK102729240SQ20121021896
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者牛国臣, 王力, 王磊, 王续乔, 王维娟, 高庆吉 申请人:中国民航大学