CN112262022A - 用于检查涡轮机的移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检查涡轮机的移动机器人(10)，包括至少一个测量装置(14)和本体，该本体包括至少三个刚性部段(11)的组件，每个刚性部段具有两个相对的纵向端部，每个部段(11)的纵向端部设有包括球形接头(12)的铰接件，每个球形接头(12)包括安装在其周围的机动化轮(13)，以及测量装置(14)，该测量装置安装在球形接头(12)上，该球形接头布置在本体的一端上。

Description

用于检查涡轮机的移动机器人

技术领域

本发明涉及用于检查机械部件的技术领域，特别是设计例如飞行器涡轮机的叶片的发动机部件的技术领域。更具体地，本发明涉及用于辅助涡轮机的内部内窥镜检查的机器人工具。

背景技术

许多发动机部件至关重要，它们的故障可能会对例如飞行器的整个系统造成严重影响。为了处理这些风险，在测试或维护阶段期间，在飞行器涡轮机中执行了许多内窥镜检查操作。这些检查操作实际上可以体现某些测试阶段总时间的多达大约20％。

当前的内窥镜检查工具通常包括光学探头，该光学探头放置在刚性或半柔性杆的末端处，并将现场图像转播返回到监控屏幕上。在涡轮机的示例中，杆由操作者操纵，以允许他经由沿着涡轮机布置的内窥镜孔接近发动机的内部区域。他然后使用屏幕上可用的图像在空间中定位自己并引导内窥镜。

然而，在检查操作期间，操作者可能会遇到若干困难。实际上，现代发动机更难以接近，并且它们越来越紧凑的集成度使得内窥镜孔难以为操作者所接近，然后操作者必须以不好的人体工程学的姿势来操作其工具。

鉴于这些发动机的紧凑性，要检查的涡轮机内部区域具有越来越复杂的接近通路。例如，气体发生器越来越紧凑，并且要检查的诸如涡轮整流器之类的新区域需要非常大的内窥镜杆长度。插入内窥镜检查孔中的线缆的该长度通常代表要检查的涡轮机级周长的一半，并且涉及操作者缓慢而复杂的线缆引导，考虑到涡轮机的部件之间的空间狭窄，线缆在各种障碍之间行进。

另一种类型的常用的检查工具呈蛇形机器人的形式，它也插入到内窥镜孔中。蛇形机器人包括连续的以悬臂形式铰接的部段，其允许机器人在涡轮机中移动。但是，也发现这种解决方案在设计方面受到限制。再次，鉴于接近路径的复杂性和涡轮机中要覆盖的距离，有必要生产具有显著长度的工具。该工具的长度的增加导致其质量增加，从而需要增加结构加强件来再次赋予机器人的质量。因此，在质量/长度折衷方面，这种解决方案被证明实施特别复杂，通常涉及较大的总质量，并且操作者难以处理。

此外，急剧的飞行器可用性要求使得在内窥镜检查期间的诊断错误非常昂贵。当前的测量工具缺乏可重复性(这在很大程度上取决于操作者)，增加了对涡轮机进行错误诊断的风险，并限制了反馈并因此不断改进的可能性。特别是近年来，已经出现了智能诊断工具，以评估发动机健全状况。这些工具使用统计和物理模型，这些模型需要大量数据来预测发动机的健全状况。因此，内窥镜数据代表了这些诊断工具的显著潜力。但是，由于当前的检查取决于操作者的操控，因此诊断数据缺乏可重复性，并且难以重复使用。在这种情况下，设备制造商期望获得可重复和可利用的诊断数据，以提高诊断质量并提供可与当前诊断模型互操作的数据。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点。

为此，本发明提出了一种用于检查涡轮机的移动机器人，该移动机器人包括至少一个测量装置和本体，该本体包括至少三个刚性部段的组件，每个刚性部段具有两个纵向端部，每个部段的纵向端部配备有包括球形接头的铰接件，每个球形接头包括围绕其安装的机动化轮，测量装置安装在位于本体的纵向端部处的球形接头上。

有利地，以上描述的移动机器人具有小型化的尺寸和低质量。因此，能够容易地将它插入发动机的内窥镜孔中，经由其机动化轮在涡轮机的转子或定子级的两个叶片之间移动，从一级移动到另一级，经由一个或多个测量装置在发动机内部获取和传输测量值和/或图像转播。在实践中，现有技术的检查工具难以插入狭窄的空间，常常不得不绕过它们并避免撞到壁。相反，此处提出的移动机器人利用两个表面之间的狭窄空间仅由其机动化轮通过附着而移动。这种移动式机器人还允许获得由操作者轻松可重复的测量值，在将来的检查期间，操作者能够将机器人放置在与先前检查期间相同的条件下。获得的数据因此高度可重复使用，特别是在用于发动机诊断的统计/物理模型的使用中。以上描述的机器人因此相对于现有诊断工具提供了互补性和互操作性。

在一个示例性实施例中，每个部段的纵向端部具有斜角形的轮廓。

在一个示例性实施例中，移动检查机器人还包括用于张紧球形接头的系统，该系统构造成使部段和所述至少一个探头装置在第一构造和第二构造之间移动，在第一构造中，部段和测量装置对准，在第二构造中，每个部段与所述至少一个相邻部段或与所述至少一个测量装置成小于180°的角度。

在一个示例性实施例中，所述至少一个测量装置包括至少一个相机、激光探头和/或超声探头。

在一个示例性实施例中，移动检查机器人包括两个测量装置，每个测量装置位于本体的相对的纵向端部处。

在一个示例性实施例中，机动化轮是万向轮或麦克纳姆(Mecanum)轮。

在一个示例性实施例中，所述至少一个测量装置的具有的尺寸小于每个部段的长度。

本发明还提出一种包括如上所述的检查机器人的检查系统，该系统还包括监控单元，该监控单元包括控制模块和接收模块，该控制模块构造成根据三个空间维度控制移动机器人的移动和铰接件，该接收模块构造成接收从所述至少一个测量装置获取的测量值。

在一个示例性实施例中，该检查系统包括：

-互连移动机器人和监控单元的有线连接部，该有线连接部构造成将来自控制模块的移动机器人的控制信号传输到移动机器人，并且将来自所述至少一个测量装置的测量信号传输到接收模块，以及

-具有松弛管理部的退绕器，该退绕器构造成根据监控单元的控制信号来退绕有线连接部。

本发明还提出了一种用于检查涡轮机的方法，该方法实施了以上概述的检查系统，该方法包括以下步骤：

-将移动机器人插入涡轮机上的内窥镜孔中的步骤；

-将移动机器人定位在涡轮机的转子或定子级的两个叶片之间的步骤；

-张紧移动机器人的步骤；

-使涡轮机的转子旋转的步骤；

-通过所述至少一个测量装置在旋转步骤期间检查面向移动机器人的叶片的步骤。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从以下借助非限制性示例给出并参考附图的本发明的特定实施例的描述中显现出来，附图中：

-图1示意性地示出了根据一个实施例的处于第一构造的移动机器人的侧视图；

-图2示出了根据一个实施例的处于第二构造的图1的移动机器人的立体图；

-图3示出了包括根据一个实施例的移动机器人的检查系统的简化图；

-图4示出了由根据一个实施例的移动机器人检查的涡轮机的转子级和定子级的局部视图；

-图5示出了图4的两个叶片的放大图，移动机器人设置在两个叶片之间。

具体实施方式

图1和图2根据一个实施例分别示出了处于第一构造和第二构造的移动机器人10。

如将在下面看到的那样，移动机器人10尤其旨在用于检查涡轮机的部件，例如检查飞行器涡轮机中的高压或低压涡轮的叶片。然而，应当理解，将要描述的移动机器人10可以在其它应用的框架内使用，例如以检查具有孔或甚至是管道的内表面的发动机部件。

移动机器人10包括本体，该本体包括至少三个刚性部段11的组件。刚性部段11可以是中空的并且具有圆柱形或截头圆锥形的形状。在图2所示的示例中，每个刚性部段11是旋转圆柱体，但是可以考虑任何其它形状的直圆柱体或任何其它截头圆锥形形状。根据要检查的环境选择移动机器人的每个部段长度11。作为示例，为了检查涡轮级，根据该涡轮级的叶片的尺寸选择每个部段长度11。通常，每个部段11的长度小于1cm。每个刚性部段11包括两个相对的纵向端部，每个刚性部段11的每个纵向端部配备有包括铰接的球形接头12的铰接件。在每个铰接的球形接头12周围安装有机动化轮13。在图1和图2所示的实施例中，机动化轮子13制成为万向轮的形式，允许移动机器人10根据三个空间维度移动。然而，为了促进移动机器人10的移动，能够设想本领域技术人员已知的其它类型的轮子，例如麦克纳姆轮或完整轮。实际上，这些类型的轮子具有在不需要复杂操纵的情况下根据所有空间维度提供移动的优点，从而便于操作者驱动移动机器人10。

至少一个测量装置14还与移动机器人10的刚性部段11之一的自由纵向端部相关联。因此，在图1和图2中，测量装置14与刚性部段11之一的球形接头12相关联。更具体地，测量装置14安装在位于移动机器人10的本体的纵向端部之一处的球形接头12上。在另一实施例(未示出)中，第二测量装置14可与刚性部段11之一的另一自由纵向端部相关联。换而言之，两个测量装置14然后被移动机器人10的本体分开，在移动机器人10的延伸部中延伸并且各自位于其纵向端部之一处。每个测量装置14可包括一个或多个测量工具，例如相机、激光探头、红外探头、超声探头、和/或更一般地任何类型的非破坏性监测装置。为了便于移动机器人10的移动，每个测量装置14也被制成具有小于移动机器人10的每个刚性部段11的长度的尺寸。

在图1中，移动机器人10处于第一直线和“非铰接”构造：在该构造中，球形接头12未张紧，刚性部段11和测量装置14于是对准。可以有利地使用该构造以便允许将移动机器人10插入内窥镜孔中。实际上具有小于1cm的直径的内窥镜孔，测量装置14以及刚性部段11的相应直径被定尺寸为小于1cm。图2示出了移动机器人10的第二“铰接”构造。在该第二构造中，球形接头12经由弹性回复力被张紧，使得每个刚性部段11与至少一个相邻部段或与测量装置14成小于180°的角度。能够通过张紧系统16来控制移动机器人10的构造，该张紧系统构造成准许或不准许球形接头12的张紧并且因此控制每个刚性部段的移动。球形接头12的张紧例如能够通过缠绕弹性线缆或者通过使用形状记忆弹簧来实现。

在图2所示的示例中，为了在球形接头12被张紧时允许刚性部段11移动，每个刚性部段11的每个纵向端部具有斜角形状。使用空心圆筒体来形成每个刚性部段11，就其本身而言，允许将用于机动化轮13和测量装置14的电力供应和控制装置(例如，经由一个或若干有线连接部)集成到这些部段中，并且可能集成用于传输由每个测量装置14产生的测量信号的装置。

前述信号以及可能的附加控制、测量或电源信号能够从图3所示的外部监控单元20传输。该附图表示使用移动机器人10检查发动机30的系统100。在此，移动机器人经由内窥镜孔31插入到发动机30中。在所示的示例中，穿过内窥镜孔31的有线连接部40互连移动机器人10和监控单元20。

监控单元20包括控制模块21，该控制模块21构造成经由其机动化轮13的控制器根据三个空间维度来控制移动机器人10的移动，并且经由用于张紧球形接头12的指令来控制其铰接件。与这些指令相关的信号能够经由有线连接部40传输。这些控制信号由操作者与构成监控单元20的人机界面23的交互作用产生，以便驱动移动机器人10，并且根据其在发动机30中的位置。移动机器人10在发动机30中的位置能够由车载引导系统17来评估，例如使用集成在中空刚性部段11中的惯性单元。基于机器人的位置、速度和加速度信息、在每个机动化轮13上测量的扭矩以及一个或多个测量装置14的测量值，集成在监控单元20中的算法然后允许根据操作者的要求确保机器人的正确移动。监控单元20还可以控制集成到移动机器人10中的光源18的激活，或者通过构成有线连接部40的光纤传输来自监控单元20的光源。

监控单元20还包括接收模块22，该接收模块22构造成经由有线连接部40、例如经由光纤接收来自一个或多个测量装置14的测量值。这些测量的结果(例如，数据、图像)和移动机器人10的位置信息能够实时显示在与人机界面23相关联的屏幕上，以便允许操作者驱动机器人并监控数据(例如，机器人的位置、获得的数据的质量、考虑由相机拍摄的图像中可见的障碍物)。

机动化退绕器50也定位在发动机30上，并且构造成基于来自监控单元20的控制模块21的控制信号来退绕(或卷绕)有线连接部40。退绕器50是具有松弛管理部的退绕器，即，它监控有线连接部40的松弛。该松弛管理部能够例如通过集成到监控单元中的松弛限制器(未示出)来实现，并构造成选择性地激活，以便在选定的时间段期间为有线连接部40提供松弛。有线连接部40将移动机器人10和监控单元20互连，有线连接部40的松弛的管理有利地允许移动机器人10的精确运动，同时限制了有线连接部40将可能施加在其上的张紧应力。因此，在有线连接部40的退绕和缠绕期间，都消除了可能影响移动机器人10的移动的有线连接部40上的任何张紧应力。

有线连接部40还可以在必要时向移动机器人20提供电源信号。本文描述了用于在监控单元20和移动机器人10之间传输控制和测量信号的有线连接部，但是当然可以使用满足相同功能的无线连接部，特别是如果移动机器人10具有车载电源。在后一种情况下，不需要使用退绕器50。

图4和图5示出了移动机器人10的应用示例，该移动机器人10在此用于检查构成转子级210的叶片211和/或检查构成飞行器涡轮机200的定子级220的叶片221。检查方法如下。

首先，操作者经由监控单元20以第一构造(见图1)、即以直线构造来控制移动机器人10。该第一构造允许操作者容易地将移动机器人10插入到布置在涡轮机200中的内窥镜孔231中。如果移动机器人经由有线连接部40互连至监控单元20，则有线连接部40的部分也插入内窥镜孔231中。

然后将移动机器人10定位在定子级220的两个叶片之间，在此是两个叶片221a、221b之间。然后，在第二构造中，控制移动机器人10经由其球形接头12将其张紧。如上所述，在该第二构造中，张紧系统16通过允许施加弹性回复力来控制球形接头12的弹性张紧。图5示出了图4的定子220的叶片221a、221b的放大图。从能从该附图看出的，处于第二构造的球形接头12施加回复力，导致刚性部段11的铰接，因此给移动机器人10带来了灵活性。在球形接头12的回复力的作用下，机动化轮13然后承载在叶片221a的第一表面和叶片221b的第二表面之间，例如，在这些叶片的外弧表面和内弧表面之间。由机动化轮13施加在叶片221a、221b的表面上的摩擦力然后允许保持它们之间的移动机器人10，并在其根据三个空间维度的移动期间，保证机器人到叶片的附着。为了允许将移动机器人插入叶片10之间，预先选择刚性部段11的长度，以便小于叶片221a、221b的高度，并且选择机动化轮13和刚性部段11的直径，以便小于叶片221a、221b之间的间距。例如，刚性部段11的直径可以小于1cm，而机动化轮13的直径可以小于1cm。鉴于其紧凑性，移动机器人10能够在两个连续的定子和转子级之间循环，例如，通过承载在两个连续叶片的表面之间。

为了检查转子级210的叶片211，然后使涡轮机200的转子旋转通过360°，并且在该旋转步骤期间，测量装置14检查(例如，拍摄图像、测量)面向定子220的叶片211。因此，转子210的所有叶片211根据相同的图像转播进行检查。类似地，为了检查定子级220的所有叶片221，操作者能够驱动仍然保持在第二构造中的移动机器人10的移动，使得移动轮13承载在转子210的两个叶片211之间。涡轮机200的转子然后旋转通过360°，并且测量装置14在该步骤期间检查定子220的面向转子10的叶片221。此外，在定子220的旋转期间以及在使用有线连接部40(在所示的示例中不存在)的情况下，监控单元20控制退绕器50以根据涡轮机200的旋转将连接部退绕，从而防止了移动机器人10的移动和/或有线连接部40的堵塞的任何可能的风险。有线连接部40的退绕或卷绕的控制还包括如上所述的其松弛的管理，以便防止可能影响移动机器人10的移动的任何张紧应力。在涡轮机的转子旋转期间，机动化轮13在叶片表面上的摩擦也保持足够，以使机器人在两个叶片之间保持就位。此外，由于引导系统17，监控单元20能够在任何时间知道移动机器人10的位置，并且能够根据该位置来准许或禁止涡轮机200的转子旋转，以防止操作者的任何不当处理。使移动机器人10损坏的可能性因此被最小化。

能够针对涡轮机200的每个转子和/或定子级重复上述检查操作。一旦检查操作完成，就通过监控单元20控制有线连接部40围绕退绕器50重绕。然后，在第一构造中，通过操作者再次控制移动机器人10，球形接头12的弹性张紧随后根据该请求被停用。因此，移动机器人10呈直线形，并且操作者经由内窥镜孔231将其抽出。在移动机器人10可能发生故障的情况下，有线连接部40的实施方式在此也可以构成额外的安全性，随后可通过有线连接部40的简单的机械牵引而抽出机器人。

有利地，以上描述的移动机器人10具有小型化的尺寸和低质量。因此，能够容易地将它插入发动机30的内窥镜孔31中，经由其机动化轮13在转子或定子级的两个叶片之间移动，从一级移动到另一级，由于其机载引导系统17而位于发动机30中，照亮要检查的区域，并经由一个或多个测量装置14从发动机30内部获取和传输测量值和/或图像转播。而现有技术的检查工具难以插入狭窄的空间中，并且经常不得不绕过它们，以避免撞到壁，以上描述的移动机器人10充分利用了两个表面之间的狭窄间隔，例如刀片间的间隔，以便经由其机动化轮13通过附着而移动。有利地，移动机器人10的低质量以及机动化轮13的摩擦力随后允许所述机器人不移动，尽管转子旋转。发动机内部通常包括具有大的曲率和扭转半径的叶片。以上描述的移动机器人10有利地允许经由张紧球形接头12来适应所遇到的环境而不会影响其移动性。最后，由于移动机器人10的引导系统17，移动机器人10在两个表面之间的保持允许获得操作者容易地可重复的局部测量值。操作者将因此能够在将来的检查期间将移动机器人10定位在与之前的检查期间相同的条件下。获得的数据因此高度可重复使用，特别是对于其用于发动机诊断的统计/物理模型的使用。以上描述的移动机器人10因此相对于现有诊断工具确保了良好的互补性和互操作性。

Claims (10)

1.一种用于检查涡轮机(30、200)的移动机器人(10)，包括至少一个测量装置(14)和本体，所述本体包括至少三个刚性部段(11)的组件，每个刚性部段具有两个相对的纵向端部，其特征在于，每个部段(11)的纵向端部配备有包括球形接头(12)的铰接件，每个球形接头(12)包括围绕其安装的机动化轮(13)，测量装置(14)安装在位于所述本体的纵向端部处的球形接头(12)上。

2.根据权利要求1所述的移动检查机器人(10)，其特征在于，每个部段(11)的所述纵向端部具有斜角形的轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的移动检查机器人(10)，其特征在于，还包括用于张紧所述球形接头(12)的系统(16)，所述系统构造成使所述部段(11)和所述至少一个测量装置(14)在第一构造和第二构造之间移动，在所述第一构造中，所述部段(11)和所述测量装置(14)对准，在所述第二构造中，每个部段(11)与所述至少一个相邻部段(11)或与所述至少一个测量装置(14)成小于180°的角度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的移动检查机器人(10)，其特征在于，所述至少一个测量装置(14)包括至少一个相机、激光探头和/或超声探头。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的移动检查机器人(10)，其特征在于，包括两个测量装置(14)，每个测量装置位于所述本体的相对的纵向端部处。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的移动检查机器人(10)，其特征在于，所述机动化轮(13)是万向轮或麦克纳姆轮。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的移动机器人(10)，其特征在于，所述至少一个测量装置(14)具有的尺寸小于每个部段(11)的长度。

8.一种检查系统(100)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的移动检查机器人(10)，所述系统(100)还包括监控单元(20)，所述监控单元包括控制模块(21)和接收模块(22)，所述控制模块构造成根据三个空间维度控制所述移动机器人(10)的移动和铰接部，所述接收模块构造成接收从所述至少一个测量装置(14)获取的测量值。

9.根据权利要求8所述的检查系统(100)，其特征在于，包括：

-互连所述移动机器人(10)和所述监控单元(20)的有线连接部(40)，所述有线连接部(40)构造成将来自所述控制模块(21)的所述移动机器人(10)的控制信号传输到所述移动机器人(10)，并且将来自所述至少一个测量装置(14)的测量信号传输到所述接收模块(22)，以及

-具有松弛管理部的退绕器(50)，所述退绕器构造成根据所述监控单元(20)的控制信号来退绕所述有线连接部(40)。

10.一种用于实施根据权利要求8至9中任一项所述的检查系统(100)的检查涡轮机(30、200)的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述移动机器人(100)插入布置在所述涡轮机(30、200)中的内窥镜孔(31、231)中的步骤；

-将所述移动机器人(200)定位在所述涡轮机(30、200)的转子(210)或定子(220)级的两个叶片(211、221、221a、221b)之间的步骤；

-张紧所述移动机器人(10)的步骤；

-使所述涡轮机(30、200)的转子旋转的步骤；

-通过所述至少一个测量装置(14)在旋转步骤期间检查面向所述移动机器人(10)的所述叶片(211、221、221a、221b)的步骤。

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