CN113703467B - 一种用于涡轮叶片检测的多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片检测的多足机器人，属于机械领域。主要由主板、足结构I段、足结构II段、足结构III段、电粘附脚垫组成，锥齿轮轴与一个带有锥齿轮的微型直流驱动电机配合连接，足结构I段与II段、II段与III之间采用销钉连接，足结构III段与电粘附脚垫之间采用折纸结构的缓冲装置连接。足结构I段、II段、III段上开有弹簧片凹槽、导向块凹槽、拉线孔、导线孔，分别用于安装弹簧片、导向块和通过拉线、导线。通过控制本发明的驱动足结构三个旋转自由度和电粘附脚垫的通断电状态，可以控制电粘附脚垫在发动机内部的粘附位置。本发明的驱动足结构可以帮助检测机器人在发动机内部的精准定位，实现检测机器人的精确运动控制，并且不会对发动机的相关部件产生损伤。

Description

一种用于涡轮叶片检测的多足机器人

技术领域

本发明属于机械技术领域，公布了一种应用于涡轮叶片完成故障检测的机器人的足结构。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机中涡轮段的重要组成部件，高速旋转的叶片负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持引擎的工作。由于在高温高压、重油污、受力复杂的环境中工作，涡轮叶片容易产生多种形式的损伤，所以涡轮叶片的故障诊断就成为航空发动机故障诊断与维修的重中之重。传统的检测方式，包括目视检测、射线检测、超声波检测、涡流检测和人工检测等方法，在检测过程中往往需要拆卸发动机，极耗人力财力，检测周期也较长。

随着人工智能和机器人系统的飞速发展，在涡轮叶片故障检测领域，涡轮叶片检测技术开始与机器人技术结合，实现智能化、高效率、高质量的检测，可以规避拆机成本，并对缺陷的类型、质量、数量、状态等做出判断和评价，非常具有发展前景。在涡轮叶片检测领域的机器人结构，需要解决3个主要问题：实现检测机器人的精确定位、保证检测机器人在发动机内部安全工作、减少机器人工作过程中对发动机内其他重要部件的损伤。

本发明设计了一种用于涡轮叶片检测机器人的驱动足结构，所述的驱动足结构由三段组成，足结构I段通过锥齿轮轴连接了一个微型直流驱动电机，足结构I段和II段之间、II段和III段之间采用销钉进行连接，足结构III段末端通过折纸结构的缓冲装置连接了一个电粘附脚垫。本发明可以帮助检测机器人在发动机内部的精准定位，实现检测机器人的精确运动控制，并且不会对发动机的相关部件产生损伤。

发明内容

针对航空发动机涡轮叶片的检测需求，本发明提出了一种用于涡轮叶片检测机器人的驱动足结构，足结构采取三段式设计，通过控制足结构上三个自由度的旋转，可以实现对检测机器人的驱动控制；通过铜制金属导线控制电粘附脚垫的吸附/脱附，可以保证并灵活控制检测机器人稳定粘附在发动机内的金属表面；电粘附脚垫与足结构III段之间采用折纸结构的缓冲装置，可以减少电粘附脚垫吸附与脱附时产生的冲击；电粘附脚垫采用圆形结构，外层包裹了聚酰亚胺薄膜，驱动足结构的其他部件的棱角部分也经过圆角处理，保证检测机器人在工作过程中基本不会对发动机部件产生划痕等损伤。

本发明技术方案为一种用于涡轮叶片检测的多足机器人，该机器人包括主板及对称设置在主板上的多条驱动足，其特征在于，每条驱动足包括：电机、足结构I段、足结构II段、足结构III段、电粘附脚垫，电机设置于主板上，所述电机与足结构I段配合连接，电机为足结构I段提供前后旋转的动力；足结构I段与II段、II段与III之间铰接，足结构III段末端与电粘附脚垫连接；足结构I段水平设置，足结构II段相对应于足结构I段向上扬起，与足结构I段之间形成钝角，足结构III段相对于足结构II段朝下弯折，与足结构II段之间形成锐角；

所述足结构I段为长条形包括头段和尾段，头段的前部竖直开设有轴孔，该轴孔与电极的输出轴连接，头段的中部上表面设置有中空的导向块，头段上表面的尾部顺着足结构I段的轴向设置有弹簧片凹槽；尾段为两根枝节，这两根枝节形成的U型结构，两根枝节末端水平开设有销钉孔；头段的侧面和尾段U型结构的底部设置有相互连同的导线孔；

所述足结构II段为长条形包括头段和尾段，该头段水平开设只有销钉孔；足结构II段的头段插入足结构I段的尾段U型结构开口内，足结构II段头段的销钉孔与足结构I段尾段的销钉孔配合，形成铰接结构；所述足结构II段头段上表面的前部设置有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽的两侧各开设一个连通下表面的拉线孔，该弹簧片凹槽与足结构I段的弹簧片凹槽配合放置同一根弹簧片；足结构II段头段下表面的尾部同样开设有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽上设置有中空的导向块；足结构II段尾段为两根枝节，这两根枝节形成的U型结构，两根枝节末端水平开设有销钉孔；足结构II段头段下表面的前部和尾段U型结构的底部设置有相互连同的导线孔；

所述足结构III段为长条形包括头段和尾段，该头段水平开设只有销钉孔；足结构III段的头段插入足结构II段的尾段U型结构开口内，足结构III段头段的销钉孔与足结构II段尾段的销钉孔配合，形成铰接结构；足结构III段头段下表面的前部设置有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽的两侧各开设一个连通上表面的拉线孔，该弹簧片凹槽与足结构II段头段下表面的尾部设置的弹簧片凹槽配合放置同一根弹簧片；足结构III段头段上表面与尾段末端设置有相互连同的导线孔；

拉线依次穿过足结构I段的导向块、足结构II段的拉线孔和导向块、足结构III段的拉线孔，并固定于足结构III段的上表面；拉线的传感部分采用PZT材质并埋覆于主板内，通过感受主板的电信号来控制自身的收缩与放松，从而控制足结构的曲张；导线依次穿过足结构I段、足结构II段、足结构III段的导线孔，然后连接电粘附脚垫。

进一步的，所述足结构I段的轴孔中固定一根锥齿轮轴，该锥齿轮轴与主板之间可转动，该锥齿轮轴包括转轴与设置在转轴中部的锥齿轮；电机水平设置于主板上，电机的输出轴末端设置与锥齿轮轴中齿轮轴配合的齿轮轴。

进一步的，所述电粘附脚垫中用于产生吸力的铜电极的外层采用聚酰亚胺薄膜包裹；电粘附脚垫上表面设置折纸结构，通过该折纸结构与足结构III段末端连接。

所述的驱动足结构搭建的涡轮叶片检测机器人，一般有六个驱动足结构连接在主板上，以保证更好的稳定性。所述的驱动足结构的控制实现方法是，控制信号在主板上输入，之后分别控制六个驱动足结构，在每个驱动足结构上的控制信号包含四部分，分别为一个电机控制信号、两个拉线控制信号、一个电极控制信号，前三个信号控制足结构的旋转，最后一个信号控制电粘附脚垫的粘附/脱附。

附图说明

图1是应用本发明驱动足结构搭建的机器人的整体示意图；

图2是本发明驱动足结构的组成示意图；

图3是本发明驱动足结构的结构原理图；

图4是本发明驱动足结构锥齿轮轴的结构示意图；

图5是本发明驱动足结构I段的结构示意图；

图6是本发明驱动足结构II段的结构示意图；

图7是本发明驱动足结构III段的结构示意图；

图8是本发明驱动足结构电粘附脚垫的结构示意图；

图9是本发明驱动足结构拉线和铜制金属导线的结构示意图；

图10是本发明驱动足结构弹簧片的结构示意图；

图11是本发明驱动足结构的控制实现方法。

具体实施方式

本发明机器人中的足结构I段、II段、III段，上面的弹簧片凹槽、导向块凹槽、拉线孔、导线孔，弹簧片凹槽上通过焊接或强力胶水连接弹簧片，主要提供弹性力使足结构能恢复到初始位置；导向块凹槽上通过焊接或强力胶水连接导向块，主要约束拉线沿导向进行收缩和放松；拉线孔可以通过拉线，通过感受输入的压力信号控制拉线的收缩与放松，从而控制足结构II段、III段的旋转；导线孔可以通过铜制金属导线，铜制金属导线传递输入的电压信号控制电粘附的脚垫的通电状态，从而控制足结构在发动机内金属表面的吸附与脱附；

所述的锥齿轮轴，是采用微型机械加工完成的一体式结构，主要包括阶梯轴、锥齿轮、底座三部分。阶梯轴部分可以通过焊接或强力胶水与足结构I段稳定连接，使微型直流驱动电机能稳定控制整个足结构旋转运动；锥齿轮部分与微型直流驱动电机自带的另一个锥齿轮配合连接，在电机工作时带动足结构I段正向或反向旋转；底座部分是锥齿轮轴与涡轮叶片检测机器人的主板的连接部分，需要在空隙部分添加石墨或固体润滑剂保证旋转驱动的流畅度。

所述的电粘附脚垫，由圆形铜电极包裹聚酰亚胺薄膜构成，当铜电极通电时，电粘附脚垫和发动机机匣内壁、涡轮表面等金属表面发生静电吸附；当铜电极断电时，电粘附脚垫失去吸附性。电粘附脚垫上面设计了折纸结构的缓冲装置，用于缓冲电粘附脚垫在吸附与脱附时产生的冲击。

所述的拉线，由PZT(锆酸钛铅压电陶瓷)材质的传感部分和尼龙材质的拉拽部分构成。传感部分安装在涡轮叶片检测机器人的主板上，用于感受输入的电信号并产生形变；拉拽部分经过足结构I段、II段、III段上的拉线孔，最终粘接在拉线孔的末端边缘上，拉拽部分采用尼龙材质可以保证强度，分成两条线可以保证拉动足结构时的稳定性。

所述的弹簧片，断电情况下，保证足结构恢复到初始状态的结构，其初始弯曲角度由涡轮叶片的检测环境、检测范围决定。弹簧片采用弹性系数较高、疲劳强度高的合金材料制成，如磷青铜、锡青铜等。

电粘附脚垫与足结构III段之间采用折纸结构的缓冲装置，可以减少电粘附脚垫吸附与脱附时产生的冲击；电粘附脚垫采用圆形结构，外层包裹了聚酰亚胺薄膜，驱动足结构的其他部件的棱角部分也经过圆角处理，保证检测机器人在工作过程中基本不会对发动机部件产生划痕等损伤。

如图1所示，应用本发明的机器人，从稳定性安全性可靠性出发，一般包含六个驱动足结构3，安装在主板1上，并且每个足结构配备了一个微型直流驱动电机2。主板1上设有信号输入接口，用于实现对足结构的运动控制。

如图2所示，本发明的驱动足结构主要由锥齿轮轴4、足结构I段5、足结构II段6、足结构III段7、电粘附脚垫8组成。本发明的足结构I段5、II段6、III段7之间分别用销钉9和销钉10进行连接，足结构III段7和电粘附脚垫8之间采用一个折纸结构11进行连接，足结构I段5、II段6、III段7中心开有导线孔，铜制金属导线14可从导线孔穿过连接到电粘附脚垫8，从而控制电粘附脚垫8的通电状态。在足结构I段5、II段6、III段7之间分别设有一个弹簧片15、16，使足结构在工作断电或意外断电情况下回归初始位置。本发明的足结构总共有3个自由度，分别是锥齿轮轴4带动足结构I段5旋转、拉线12带动足结构II段6绕销钉9的轴线旋转、拉线13带动足结构III段7绕销钉10的轴线旋转。

如图3所示，本发明的驱动足结构采用D-H法构建坐标系，足结构I段II段III段的长度分别为L₁、L₂、L₃，足结构有3个转动自由度D₀、D₁、D₂。以足结构I段5和锥齿轮轴4的连接点作为坐标原点O₀，足结构I段初始位置作为轴X₀，自由度D₀的旋转轴作为轴Z₀，垂直于轴X₀和轴Z₀作为轴Y₀；以足结构I段5、II段6的连接点作为二级坐标原点O₁，足结构I段的延长线作为轴X₁，自由度D₁的旋转轴作为轴Z₁，垂直于轴X₁和轴Z₁作为轴Y₁；以足结构II段6、III段7的连接点作为三级坐标原点O₂，足结构II段的延长线作为轴X₂，自由度D₂的旋转轴作为轴Z₂，垂直于轴X₂和轴Z₂作为轴Y₂；构建{O₀}、{O₁}和{O₂}坐标系，并设电粘附脚垫8为点O₃，在{O₀}坐标系里O₃的坐标为(X_O3,Y_O3,Z_O3)。足结构I段5从初始位置开始，绕Z₀轴顺时针旋转的角度记为θ₀，足结构II段6与足结构I段5延长线的夹角记为θ₁，足结构III段7与足结构II段6延长线的夹角记为θ₂，通过计算可得

所以通过控制三个转角θ₀、θ₁、θ₂的大小即可控制电粘附脚垫8在发动机内部的粘附位置。

如图4所示，本发明的驱动足结构的锥齿轮轴4是采用微型机械加工完成的一体式结构，阶梯轴17可以通过焊接或强力胶水与足结构I段稳定连接，锥齿轮18与微型直流驱动电机2自带的另一个锥齿轮配合连接，在电机工作时带动足结构I段正向或反向旋转，底座19是锥齿轮轴4跟主板1连接的部分，需要在空隙部分添加石墨或固体润滑剂保证旋转驱动的流畅度。

如图5所示，本发明的驱动足结构的足结构I段5，上面开有轴孔20与锥齿轮轴4配合连接；通过焊接或者强力胶水与导向块21、23连接在足结构I段5上，分别为拉线12、13起导向作用；开有凹槽22，通过焊接或者强力胶水与弹簧片15连接；开有销钉孔24，与足结构II段通过销钉9连接；开有导线孔25，可供铜制金属导线14通过。图5中，A表示沿此方向的视图。

如图6所示，本发明的驱动足结构的足结构II段6，上面开有销钉孔26，与足结构I段通过销钉9连接；开有导线孔27，可供铜制金属导线14通过；开有拉线孔28，可供拉线12通过，并用强力胶水将拉线12固定在拉线孔28的末端边沿上；开有一个凹槽，通过焊接或强力胶水与导向块29连接，为拉线13起导向作用；开有两个凹槽30、31，通过焊接或者强力胶水分别与弹簧片15、16连接；开有销钉孔32，与足结构III段通过销钉10连接。图6中，B表示沿此方向的视图。

如图7所示，本发明的驱动足结构的足结构III段7，上面开有销钉孔33，与足结构II段通过销钉10连接；开有拉线孔34，可供拉线13通过，并用强力胶水将拉线13固定在拉线孔34的末端边沿上；开有凹槽35，通过焊接或者强力胶水与弹簧片16连接；开有导线孔36，可供铜制金属导线14通过。图7中，C表示沿此方向的视图。

如图8所示，本发明的驱动足结构的电粘附脚垫8主要由一个圆形铜电极38、外层包裹聚酰亚胺薄膜39构成，电粘附脚垫8的中心开有导线孔37，可供铜制金属导线14通过，并与圆形铜电极38焊接在一起。当铜电极38通电时，电粘附脚垫8和发动机机匣内壁、涡轮表面等金属表面发生静电吸附；当铜电极38断电时，电粘附脚垫8失去吸附性。电粘附脚垫8和足结构III段7的连接采用折纸结构的缓冲装置11，用于缓冲电粘附脚垫8吸附与脱附时产生的冲击。

如图9所示，本发明的驱动足结构的拉线12、13，主要由PZT材质的传感部分40和尼龙材质的拉拽部分构成，拉线12、13的区别在于长度不同。传感部分40安装在主板1上，用于感受电信号并产生形变；拉拽部分41经过足结构I段、II段、III段上的拉线孔，拉拽部分41采用尼龙材质可以保证强度，分成两条线可以保证拉动足结构时的稳定性。本发明的驱动足结构的铜制金属导线14，主要是铜芯42外层包裹绝缘膜43构成，由于足结构上导线孔尺寸的限制，同时要保证通过电信号的强度，铜芯42采用纯度较高的铜材料，绝缘膜43采用绝缘性能较好的材料。

如图10所示，本发明的驱动足结构的弹簧片15、16，是断电情况下，保证足结构恢复到初始状态的结构，其初始弯曲角度ω₁、ω₂由涡轮叶片的检测环境、检测范围决定。弹簧片15、16采用弹性系数较高、疲劳强度高的合金材料制成，如磷青铜、锡青铜等。

如图2-10所示，本发明的驱动足结构设计了四个控制线路：①转动自由度D₀，由微型直流驱动电机2驱动，经过锥齿轮轴4后带动整个足结构转动；②转动自由度D₁，初始状态由安装在足结构I段5、足结构II段6之间的弹簧片15确定，拉线12固定在足结构II段6上的拉线孔28的末端边沿上，通过足结构I段5上的导向块21后连接到主板1上；③转动自由度D₂，初始状态由安装在足结构II段6、足结构III段7之间的弹簧片16确定，拉线13固定在足结构III段7上的拉线孔34的末端边沿上，先后通过足结构II段6上的导向块29、足结构I段5上的导向块23，最后连接到主板1上；④电粘附状态，由铜制金属导线14控制电粘附脚垫8的通电/断电，铜制金属导线14一端焊接在电粘附脚垫8的铜电极38上，先后通过足结构III段7上的导线孔36、足结构II段6上的导线孔27、足结构I段5上的导线孔25，最后连接到主板上。

如图11所示，控制信号在主板上输入，之后分别控制六个驱动足结构，在每个驱动足结构上的控制信号包含四部分，分别为一个电机控制信号、两个拉线控制信号、一个电极控制信号，前三个信号控制足结构的旋转，最后一个信号控制电粘附脚垫的粘附/脱附。

Claims (2)

1.一种用于涡轮叶片检测的多足机器人，该机器人包括主板及对称设置在主板上的多条驱动足，其特征在于，每条驱动足包括：电机、足结构I段、足结构II段、足结构III段、电粘附脚垫，电机设置于主板上，所述电机与足结构I段配合连接，电机为足结构I段提供前后旋转的动力；足结构I段与II段、II段与III之间铰接，足结构III段末端与电粘附脚垫连接；足结构I段水平设置，足结构II段相对应于足结构I段向上扬起，与足结构I段之间形成钝角，足结构III段相对于足结构II段朝下弯折，与足结构II段之间形成锐角；

所述足结构I段为长条形包括头段和尾段，头段的前部竖直开设有轴孔，该轴孔与电极的输出轴连接，头段的中部上表面设置有中空的导向块，头段上表面的尾部顺着足结构I段的轴向设置有弹簧片凹槽；尾段为两根枝节，这两根枝节形成的U型结构，两根枝节末端水平开设有销钉孔；头段的侧面和尾段U型结构的底部设置有相互连同的导线孔；

所述足结构II段为长条形包括头段和尾段，该头段水平开设只有销钉孔；足结构II段的头段插入足结构I段的尾段U型结构开口内，足结构II段头段的销钉孔与足结构I段尾段的销钉孔配合，形成铰接结构；所述足结构II段头段上表面的前部设置有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽的两侧各开设一个连通下表面的拉线孔，该弹簧片凹槽与足结构I段的弹簧片凹槽配合放置同一根弹簧片；足结构II段头段下表面的尾部同样开设有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽上设置有中空的导向块；足结构II段尾段为两根枝节，这两根枝节形成的U型结构，两根枝节末端水平开设有销钉孔；足结构II段头段下表面的前部和尾段U型结构的底部设置有相互连同的导线孔；

所述足结构III段为长条形包括头段和尾段，该头段水平开设只有销钉孔；足结构III段的头段插入足结构II段的尾段U型结构开口内，足结构III段头段的销钉孔与足结构II段尾段的销钉孔配合，形成铰接结构；足结构III段头段下表面的前部设置有弹簧片凹槽，该弹簧片凹槽的两侧各开设一个连通上表面的拉线孔，该弹簧片凹槽与足结构II段头段下表面的尾部设置的弹簧片凹槽配合放置同一根弹簧片；足结构III段头段上表面与尾段末端设置有相互连同的导线孔；

拉线依次穿过足结构I段的导向块、足结构II段的拉线孔和导向块、足结构III段的拉线孔，并固定于足结构III段的上表面；拉线的传感部分采用锆酸钛铅压电陶瓷材质并埋覆于主板内，通过感受主板的电信号来控制自身的收缩与放松，从而控制足结构的曲张；导线依次穿过足结构I段、足结构II段、足结构III段的导线孔，然后连接电粘附脚垫；

所述电粘附脚垫中用于产生吸力的铜电极的外层采用聚酰亚胺薄膜包裹；电粘附脚垫上表面设置折纸结构，通过该折纸结构与足结构III段末端连接。

2.如权利要求1所述的一种用于涡轮叶片检测的多足机器人，其特征在于，所述足结构I段的轴孔中固定一根锥齿轮轴，该锥齿轮轴与主板之间可转动，该锥齿轮轴包括转轴与设置在转轴中部的锥齿轮；电机水平设置于主板上，电机的输出轴末端设置与锥齿轮轴中齿轮轴配合的齿轮轴。

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