CN111319050A - 定位装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具的定位装置。所述装置包括携带工具的柔性部署装置/臂。部署装置/臂进一步包括软机器人固定元件，所述软机器人固定元件可在工具定位期间收缩的部署配置与在工具使用期间与空腔壁邻接的展开支撑配置之间调节。

Description

定位装置

技术领域

本公开涉及一种定位装置。特别地，本公开涉及一种定位装置，其用于将端部作用器（工具）定位在空腔中，例如，定位在燃气涡轮发动机内的空腔中。

背景技术

通常存在对翼上燃气涡轮发动机进行检查、评估或维护的需求。已知的是在使用转动工具旋转发动机轴（例如，中压（IP）轴）时，对发动机前区段中的叶片/定子执行翼上内视镜检查。还已知的是使用喷雾清洁/刮拭工具对燃烧室砖进行翼上清洁。

这些工具通常安装在部署装置上，如刚性或铰接机器人臂。部署装置必须是针对它们的部署位置专门设计的，以确保它们可以将工具引导到适当的位置。这个设计基于发动机的三维计算机辅助设计（CAD），并且对于发动机内的每个单独位置都是独特的。这需要大量的设计时间，并且每个发动机都需要多个部署工具。

铰接部署装置可以被操控并部署到多于一个的发动机区域中，但在工具产生反作用力的情况下，它们是没有用的。例如，当工具是流体喷射器或介质喷发器时，反作用力可以导致工具不需要的运动（因为部署装置不是刚性的），并且可以导致其不正确地定位。

软机器人是一个机器人领域，其中软的、柔性部件，例如气动/液压气囊、介电弹性体促动器（在施加高压电场时其改变形状）或形状记忆合金，被用作人造“肌肉”，以提供能够精细运动的机器人装置。

存在对一种用于将工具定位在期望位置中（例如，在燃气涡轮发动机内的空腔中）的装置的需求，其中所述装置可以用于燃气涡轮发动机内的多个位置中，并且其中，所述装置可以在产生反作用力时抵抗工具的运动。

发明内容

在第一方面中，提供一种用于在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具的装置，所述装置包括携带工具的柔性部署装置，其中，部署装置进一步包括软机器人固定元件，所述软机器人固定元件可在工具定位期间收缩的部署配置与工具使用期间与空腔壁邻接的展开支撑配置之间调节。

通过提供柔性部署装置，所述工具可以精确地定位在许多不同的期望位置中的任何一个处，例如，在燃气涡轮发动机内或跨许多不同的燃气涡轮机，而不需要基于位置的3DCAD为每个位置定制装置设计。通过软机器人固定元件的展开“肌肉”抵靠空腔壁的邻接，软机器人固定元件作用以抵抗在工具使用期间产生的任何反作用力。软机器人固定元件中的“肌肉”可以在装置/工具的定位和去除期间收缩，以允许在受限的空间内装置的容易的操纵。

现在描述可选的特征。这些特征可单独地应用或可与任何方面以任何组合应用。

柔性部署装置可以包括柔性部署臂。

本文使用术语“柔性”来限定部署装置/臂具有多个自由度来运动（并且它不必然由柔性/非刚性材料/部件制成）。

部署臂可以是铰接的或成区段的臂。

部署臂可以是机器人臂，例如，蛇臂机器人。

部署臂可以包括缆绳，所述缆绳可以被手动促动或马达促动，以使部署臂进行运动/挠曲。部署臂可以包括气动铰接。

部署装置可以包括携带固定元件的柔性（例如，铰接）导管和携带工具的柔性插入元件。在导管的孔内，插入元件被引导到空腔内所需的位置。

在一些实施例中，部署臂可以是软机器人臂，即，携带多个部署促动器的柔顺机器人臂。

软机器人固定元件包括一个或更多固定促动器。在这些实施例中，部署臂和固定元件可以一体地形成。

至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器可以包括可充气气囊，例如，气动或液压气囊。

在固定元件的展开配置中，该或每个固定促动器气囊可以至少部分地（例如，基本上完全）填充有空气/流体，并且在固定元件的收缩配置中，该或每个固定促动器气囊可以至少部分地（例如，基本上完全）排出空气/流体。

至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器可以包括介电弹性体促动器（DEA），例如，至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器可以包括夹在柔顺电极之间的介电弹性体膜。施加（例如，高压）电场导致膜改变形状（例如，厚度减小和表面积增大）。

在固定元件的展开配置中，该或每个固定元件DEA可以具有跨弹性体膜施加的电压，并且在固定元件的收缩配置中，该或每个固定元件DEA可以不具有跨弹性体膜施加的电压。

至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器可以包括形状记忆合金，例如，至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器可以包括具有嵌入的或外部的形状记忆合金元件（例如，线股）的弹性体。通过元件施加电流导致元件尺寸的改变（例如，长度减小），其对（弹性体）促动器尺寸进行改变。

至少一个或每个部署和/或固定促动器可以包括形状记忆合金，例如，至少一个或每个部署/固定促动器可以包括具有嵌入的或外部的形状记忆合金元件（例如，线股）的弹性体。通过元件施加电流导致元件尺寸的改变（例如，长度减小），其对（弹性体）促动器尺寸进行改变。

至少一个或每个固定促动器可以包括颗粒填塞气囊，例如，填充有氧化铝、二氧化硅或陶瓷的气囊。对气囊施加真空（在展开配置中）导致气囊变硬。

至少一个或每个固定促动器可以包括可充气气囊、颗粒填充气囊、介电弹性体和形状记忆合金中的两个或更多的组合。以此方式，该或每个固定促动器可以例如，使用可充气气囊支撑工具抵靠空腔壁，并且例如，在工具使用之前和/或期间，可以使用介电弹性体或形状记忆合金对工具的定位进行精细调节。

在一些实施例中，固定元件可以包括上述固定促动器中的两个或更多的组合。

在一些实施例中，装置进一步包括流体供应系统，用于向可充气气囊部署和 或固定(多个)促动器供应流体（例如，空气或液压液体）。流体供应系统可以包括泵和流体供给管路。流体供给管路可以内部地延伸穿过部署臂/装置，或者可以外部地延伸到部署臂/装置。

每个部署/固定促动器可以独立控制，例如，独立可充气。以此方式，部署臂和/或固定元件可以通过部署/固定促动器的选择性和独立促动（例如，充气和放气）操纵/调节。

固定元件和工具可以彼此邻近地附连在部署臂/装置上，例如，处于或邻近部署臂/装置的远端。固定元件和工具可以布置为使得固定元件沿由工具的操作产生的反作用力的方向上的轴线定位在工具与空腔壁之间。例如，固定元件和工具可以在柔性部署臂的相对侧上附连并彼此对齐。当固定元件处于其展开配置中并支撑抵靠空腔壁时，这将有助于抵消由工具产生的反作用力。

在其他实施例中，固定元件可以是环形的，并且固定元件可以至少部分地包围部署臂/装置。例如，固定元件可以包括围绕部署臂/装置沿圆周布置的多个固定促动器（例如，气动/液压气囊）。这可以是有用的，使得环形固定元件可以在其展开配置中邻接和支撑抵靠多于一个空腔壁。

工具可以包括表面清洁工具，例如，喷雾清洁工具或介质喷发工具。这种工具可以用于清洁表面，例如，清洁燃气涡轮发动机内的燃烧室砖的表面。工具可以包括转动工具，例如，用于转动发动机轴，以便于检查例如，在燃气涡轮发动机的前区段中的转子/叶片/定子。在这方面中，支撑元件可以配置为使得，在展开配置中，工具位于（和保持在）相对于轴的期望的相当距离和/或角度处。

在工具的操作期间（例如，当工具转动轴时）产生旋转反作用力时，固定元件的支撑可以至少部分地采用固定元件与空腔壁之间的摩擦接合形式。

固定元件，例如，固定元件中的该或每个促动器可以包括外涂层或外表面拓扑结构，用于增加固定元件与空腔壁之间的摩擦系数。

定位装置可以进一步包括视觉系统，或者工具可以包括视觉系统。视觉系统可以允许操作员查看装置的操作（例如，喷雾或转动工具的操作）。视觉系统可以例如包括摄像机。备选地或附加地，可以提供与装置分开的视觉系统。这种视觉系统可以通过与装置不同的接入端口（例如，孔）引入到空腔中。

在第二方面中，提供一种在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具的方法，所述方法使用根据第一方面的定位装置，所述方法包括在空腔内定位工具，其中固定元件处于收缩部署配置中，使固定元件展开到其支撑配置，使得其邻接空腔壁。

在一些实施例中，所述方法可以包括在工具使用之后使固定元件收缩到其收缩配置，并从空腔中去除所述装置。

在一些实施例中，其中固定元件包括至少一个可充气气囊固定促动器，所述方法可以包括在工具定位之后将固定促动器(多个)气囊充气到展开配置。在一些实施例中，所述方法包括在工具使用之后使固定促动器(多个)气囊放气到收缩配置。

可以通过使用流体供应系统将空气或液压流体泵送入(多个)气囊中来对固定促动器(多个)气囊充气。所述方法可以包括在展开配置中将固定促动器(多个)气囊完全充气。

在一些实施例中，其中部署装置包括具有多个可充气气囊部署促动器的软机器人臂，所述方法可以包括使用流体供应系统对部署促动器气囊充气。它们可以独立地/选择性地充气，以使工具定位在空腔内期望的位置中。

在一些实施例中，空腔可以是环形空腔，并且所述方法可以包括在其展开配置中使固定元件支撑抵靠径向外空腔壁。

在其他实施例中，固定元件可以是环形固定元件，并且所述方法可以包括在其展开配置中使环形固定元件支撑抵靠径向内空腔壁和径向外空腔壁。

在一些实施例中，在工具使用期间，固定(多个)促动器在展开配置中被促动，以对空腔内的工具位置进行调节（例如，以确保在工具使用期间在空腔内维持正确位置）。

在一些实施例中，所述方法包括在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具，其中，空腔在燃气涡轮发动机内。

在一些实施例中，所述方法可以包括，当工具通过固定元件支撑抵靠(多个)空腔壁时，使用表面清洁工具（例如，喷雾清洁工具或介质喷发工具）清洁表面（例如，燃气涡轮机内的燃烧室砖表面）。

在一些实施例中，所述方法可以包括，当工具通过固定元件支撑抵靠(多个)空腔壁时，使用转动工具转动发动机轴，例如，以便于检查例如在燃气涡轮发动机的前区段中的转子/叶片/定子。

技术人员将理解，除非相互排斥，关于上述方面中的任何一个方面描述的特征经适当修改后可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，本文所述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文所述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图，仅通过实例描述实施例，其中：

图1A和图1B示出了被部署在空腔中的定位装置的实施例；以及

图2A和图2B示出了被部署在空腔中的定位装置的另一实施例。

具体实施方式

现在将参考对应的附图来讨论本公开的方面和实施例。其他的方面和实施例对本领域技术人员而言将是明显的。

图1A示出了部署在燃气涡轮发动机3的空腔2中的装置1的实施例。在这种情况下，装置1用于在空腔2内定位和使用工具4，以出于修复具有分层涂层5的燃烧室砖的目的。

装置1包括携带工具4的柔性机器人部署臂6（具有多个自由度）。所述装置进一步包括设置在部署臂6的端部处的软机器人固定元件7，所述部署臂可在收缩（部署）配置和展开（支撑）配置之间调节。在图1A中，固定元件7处于收缩的部署配置中。在这个配置中，固定元件7能够穿过形成在限定空腔2的壁9中的孔8，并且可以在空腔2内操纵，以便将工具4定位在需要修复的分层涂层5附近。

尽管从图中不明显，但是部署臂6是由沿柔顺臂6的纵向轴线轴向布置的多个促动器形成的软机器人臂。每个柔性促动器包括可充气的气动气囊，其可以独立于其他的气囊完全或部分地填充有空气，以便可在充气和放气配置之间调节。在这个方面，每个气囊可以包括一个或更多阀，所述阀选择性地允许空气进入或离开气囊。

在本实施例中，部署臂6的气囊与流体供应系统（未示出）流体连通，所述流体供应系统包括向气囊供应空气以使气囊充气/放气的泵。以此方式，可以通过使形成部署臂6的各个气囊的部分或完全充气和放气来操纵部署臂6。因此，如图所示，部署臂6中的弯曲通过完全充气、部分充气和放气的气囊的布置形成。

图1B示出了处于展开配置中的软机器人固定元件7。在这个配置中，固定元件7的一部分邻接限定空腔2的壁9。如下文将更详细地描述的，固定元件7抵靠着壁9的这种邻接有助于在工具4的使用期间将工具4保持在空腔2中的基本上固定的位置中。

固定元件7包括气动可充气气囊10（与以上关于部署臂6描述的那些相似）。在展开配置中（如图1B所示），固定元件7的固定元件气囊10填充有流体（在此情况中为空气）。相反，在放气配置中（如图1A所示），气囊10排出空气。

泵（向部署臂6的气囊供应空气）也与固定元件7的固定元件气囊10流体连通。以此方式，由泵供应的空气可以用于给固定元件气囊10充气。空气由流体供给管路11供应，所述流体供给管路也形成流体供应系统的部分。尽管未示出，但固定元件7包括阀，以控制进入和离开固定元件气囊10的空气的流。

在所示实施例中，工具4是采用介质喷发工具形式的表面清洁工具。介质喷发工具4可以用于去除燃烧室砖上的分层涂层5，并在施加新涂层（使用单独的工具）之前重整周围区域。工具4包括喷嘴12，当激活时，在工具4上产生沿与喷雾13的方向相反的方向的力。

固定元件7布置成位于工具4的与喷嘴12相对的侧处。因此，可以操纵部署臂6，使得工具4的喷嘴12指向分层涂层5，而固定元件7位于工具4与空腔2的壁9之间。当以此方式布置时，固定元件7的固定元件气囊10可以展开，以便填充工具4与空腔2的内壁之间的空间，使得固定元件7的一部分邻接壁9。因此，当喷嘴12被激活（因此产生反作用力）时，固定元件7吸收反作用力并防止工具4相对于分层涂层5的运动。以此方式，喷雾13可以以精确的方式（即，没有工具4的任何运动或仅最小的运动）施加至分层涂层5。

喷嘴12也可以通过部署臂6的运动和/或固定元件7的固定元件气囊10的充气/放气来重新定向。也就是说，喷雾13的方向可以通过臂6和/或固定元件7的运动来控制。

一旦完成喷雾操作，通过使固定元件7的固定元件气囊10返回到收缩配置并操纵部署臂6往回穿过孔8，装置1可从空腔2去除。

图2A示出了处于展开配置中的固定元件7的备选实施例。它与图1A和图1B中的那个相同，除了部署装置包括铰接导管14和柔性插入元件15之外。工具4附连在插入元件15的端部处。

固定元件7是安装在导管14上的环形固定元件，并且包括多个固定元件气囊10a-d。图2B示出了穿过导管14的横截面图，其中固定元件气囊10a-d围绕导管14沿圆周布置。

气囊10a-10d将邻接抵靠空腔2的径向内壁和外壁两者，由此支撑导管14且还支撑导管14内的插入元件15上的工具4。

应当理解，本发明不限于上述实施例，并且可以在不偏离本文所述概念的情况下做出各种修改和改进。除相互排斥的情况外，任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开延伸到并包括本文所述的一个或更多特征的所有组合和子组合。

Claims (16)

1.一种定位装置，用于在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具，所述装置包括携带所述工具的柔性部署装置，其中，所述部署装置进一步包括软机器人固定元件，所述软机器人固定元件可在所述工具定位期间的收缩部署配置与在所述工具使用期间与所述空腔壁邻接的展开支撑配置之间调节。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述部署装置包括成区段的/铰接的部署臂或铰接的导管和插入元件。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述部署臂是包括多个部署促动器的软机器人臂。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述固定元件包括一个或更多固定促动器。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器包括可充气气囊。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器包括介电弹性体促动器。

7.根据权利要求3所述的装置，其中，至少一个或每个部署促动器和/或固定促动器包括形状记忆合金。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述固定元件包括围绕所述部署装置沿圆周布置的多个固定促动器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述工具包括喷雾清洁工具、介质喷发工具、视觉系统或转动工具。

10.一种在具有空腔壁的空腔内定位和使用工具的方法，所述方法使用根据权利要求1所述的定位装置，所述方法包括在所述空腔内定位所述工具，其中所述固定元件处于收缩部署配置中，以及使所述固定元件展开到其支撑配置，使得其邻接所述空腔壁。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述或每个固定促动器包括可充气气囊，所述方法包括在所述工具定位之后将所述固定促动器(多个)气囊充气到展开配置中。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述空腔是环形空腔，所述方法包括在其展开配置中使所述固定元件支撑抵靠径向外空腔壁。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述固定元件是环形固定元件，所述方法包括在其展开配置中使所述固定元件支撑抵靠径向内空腔壁。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空腔在燃气涡轮发动机内。

15.根据权利要求14所述的方法，包括当通过所述固定元件使所述工具支撑抵靠所述空腔壁时，使用表面清洁工具清洁燃气涡轮机内的表面。

16.根据权利要求14所述的方法，包括当通过所述固定元件使所述工具支撑抵靠所述空腔壁时，使用转动工具转动所述燃气涡轮发动机的前区段中的发动机轴。

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