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看它如何在飞机游刃有余地工作:蛇形机器人

2016-8-12 23:11| 发布者: Nighthawk| 查看: 1736| 评论: 0|原作者: 再别蓝桥

摘要: 蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是,它能够像生物一样实现“无肢运动”,在工业界被称为“最富于现实感的机器人”。 在航空制造领域,对于一些结 ...
蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是,它能够像生物一样实现“无肢运动”,在工业界被称为“最富于现实感的机器人”。
   
  
在航空制造领域,对于一些结构复杂、布局紧凑的飞机零部件,其装配、检测以及清理的工作空间非常有限,人工操作难度高、劳动强度大、效率低。常规的工业机器人系统由于关节尺寸的限制无法在狭小空间内完成这类作业;而蛇形机器人具有长径比大、自由度多、运动灵活以及环境适应能力强等优点,在航空制造领域具有广泛的应用前景。
   
  
2.国内外研究成果
  
英国的OC Robotics公司是目前国内外对蛇形机器人研究最为深入、工程化较为成功的机构,面向安检、航空制造、核设施检测等领域研发了一系列的蛇形机器人。该公司为空客英国公司开发了一类蛇形机器人,能够钻入机翼内部进行检测、紧固和密封。
   
  
美国宾夕法尼亚州立大学研制了一种用于安检的蛇形机器人。该蛇形臂由3段独立的气动驱动单元串联而成,在第一段的根部还有旋转装置,可以实现蛇形臂360°旋转。蛇形臂的末端安装有一个CMOS摄像头用于周围环境检测,每个端盘上分别安装了3个红外测障传感器。
  
  
美国波士顿大学研制了一种用于临床医疗手术的蛇形机器人Concentric-tube,该机器人由3个空心柔性管嵌套组成,总共6个自由度,通过改变每根管子旋转的角度和伸出的距离,就可以改变整个机器人的长度和弯曲度来实现机器人形状的控制,进而完成相关的医疗手术。
  
国内航天科工集团研制了一款可以“下海”为海底油气管道做检测的蛇形机器人,可利用油气压力在管道内部穿梭,通过高精度漏磁检测技术,可以捕获并存储管道内外壁的腐蚀、缺陷等信息,实现对缺陷点的准确识别和精准定位。
  
3.蛇形机器人的关键技术
  
面向航空制造的蛇形机器人技术涉及了机器人、视觉、航空制造等多个领域,蛇形机器人在航空制造中能够得到应用,需要重点突破以下关键技术。
  
1蛇形机器人小型化及轻量化结构设计     
  
蛇形机器人需要重量轻、柔性高且具有一定的负载能力,因此需要重点分析蛇的柔体运动机理,研究如何利用仿生学原理完成蛇形机器人的结构设计。
  
  
2蛇形机器人运动分析及狭小空间轨迹规划方法   
  
蛇形机器人属于超冗余度机器人的范畴,逆运动学问题的求解非常困难。需要研究如何利用超冗余度机器人分析理论,结合蛇形机器人的结构特点,建立正运动学和逆运动学模型,并完成蛇形机器人在狭小空间中的轨迹规划。
   
  
3蛇形机器人运动控制技术     
  
重点研究蛇形机器人多得正运动学和逆运动学模型的程序实现,根据应用需求完成蛇形机器人运动控制器的硬件、软件及上位机控制界面程序的设计。
  
4非结构化环境特征提取、建模方法及环境特征匹配方法   
  
视觉导航系统在工作过程中,需要对三维空间场景进行识别,必须研究如何提取非结构化环境中的图像特征点的信息来恢复空间三维信息,计算机器人移动的位置及姿态。对于建模方法,需要研究如何从非结构环境图像中提取合适的特征(如点或点簇等)以描述机器人当前所在环境的典型局部特征。
   
  
5障碍物检测与识别方法     
  
在移动机器人导航的研究过程中,实时快速的障碍物检测是其中不可缺少的一部分。重点研究如何对机器人在非结构环境中采集的图像进行基于区域彩色的图像分割,进而实现障碍物的快速检测与识别.
  
  
4.蛇形机器人在航空制造中的应用
  
实际应用中,蛇形机器人系统具有两种控制方式,一种是由操纵杆进行控制;另外一种是在末端安装智能导航系统(如工业相机),实现自主运动。根据操作任务的不同,可以选择不同的控制方式。
  
蛇形机器人可用于完成飞机部件内腔的检测、密封以及飞机表面喷涂等任务。它是一种非破坏性的操作技术,维修人员剩下了拆卸和重新装配飞机零件的麻烦。另外,通过安装不同的末端执行器,蛇形机器人还可以完成标准间紧固、制孔、去毛刺、异物清除、清理金属屑或废液、飞机部件内腔的穿线等复杂操作任务。以下通过两个经典案例来介绍蛇形机器人在航空制造领域的具体应用。
   
1装配机翼不再是难题   
  
现在所使用的机翼并不是简单的一块金属板插在机身上,它们包含复杂的油缸群、液压系统、电缆结构、发动机支架、副翼、襟翼、柱梁结构、桁条等等,这些都需要人工作业,在狭窄的空间里钻孔,安装螺栓和进行密封工作。显而易见,这些工作是缓慢而复杂的。
   
  
弗朗霍夫研究所研发的蛇形机器人实际上是一个携有单个机械臂的机器人,总重60公斤,其中机械臂长2.5m,有8个铰链结构,重量15公斤,其电机可产生500N.m的扭矩来驱动机械臂的8个关节,每个关节可独立转动到90°。这样蛇形机器人可以很容易到达狭窄的需要作业部位,甚至是飞机机翼的最远端。
   
2变身机械师修复飞机引擎     
  
一架喷气式飞机的引擎装备大概有100个传感器,当我轮中因为故障产生一些细小碎片导致整个发动机故障时,传统的方法只能结束飞机的全部应用,拆开引擎拆掉这些传感器进行修补,这些措施往往会消耗航空公司数百万元。
   
  
劳斯莱斯和通用电气公司的工程师们开发了一种专门用于发现并修复飞机引擎故障的蛇形机器人。该机器人直径只有大约半英寸,将它们放入引擎中,由一名技术员进行控制,通过内窥镜的形式检查引擎内部,同时可以通过自身携带的打磨设备来磨光破损的压缩机叶片。
  
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