CN114370554A - 能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人 - Google Patents

能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于成像探测领域，公开了一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人。该柔性机器人包括柔性吸盘组、柔性光波导、吸盘导气管、控制设备、负压辅助设备和成像设备。本发明利用仿生原理设计负压吸盘使机器人能够在复杂管道内壁吸附和平稳爬行，节省探伤用开窗数量；全柔性构造改善机器人的通过性同时避免对管道内壁造成损伤；将柔性光波导安置于吸盘驱动气管内壁构建全柔性光路，采用切换光源以及光学探测器的方式实现多光谱探测，充分发挥多种频谱的探测光对不同探测目标的敏感优势；同时采用与气泵相连接的拖拽气管式爬行模式，大大提高吸盘机器人的可靠性，规避因机器人滞留造成事故的风险。

Description

能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机 器人
技术领域
本发明涉及成像探测领域，具体涉及一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人。
背景技术
发动机系统、飞行器系统、精密机械系统等现代工业产品，以及地形勘测、军事侦查等工作往往需要面对复杂的管状结构，针对其探测的传统技术手段主要采用孔探仪实现，而传统孔探仪具有需要在管路上预留开口，孔探仪弯曲度固定无法以任意角度在管路内部进行探查以及孔探仪的金属棱角和玻璃镜头容易对管道内部造成损伤，单一孔探仪可见光探测无法对油渍等目标进行良好分辨，孔探仪探测距离有限需要人工彻底拆解管路进行探测等缺点。此外，目前其他本领域技术也同样具有一些严重缺陷，如工业CT对管道结构的探测需要较大设备放置场地和大功率电源，无法满足普通探测场地需求、地形勘探需求和军事需求。太赫兹成像技术对管道结构的探测同样需要较大设备场地和电源，以及太赫兹无法穿透复杂弯曲管路从而限制探测范围等缺陷。
目前的探测技术多采用可见光探测，可见光对探测目标敏感度具有局限性，如在黑暗背景下，可见光无法探测到管道内壁附着的油渍，进而无法预警燃油泄漏等故障。而本发明可以切换其他频率光源，当本发明切换到紫外光时，其对油渍等特殊物质敏感，在黑暗背景下也会对油渍产生荧光效应，具有较高分辨性。
本发明利用仿生原理设计负压吸盘使机器人能够在复杂管道内壁吸附和平稳爬行，将柔性光波导安置于吸盘驱动气管内壁构建全柔性光路，采用切换光源以及光学探测器的方式实现多光谱探测。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，用于在航空发动机内部的探伤和维修作业。
本发明的技术方案是：一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，包括控制设备1、外部负压气泵2、柔性光波导3、吸盘导气管4、伸缩块导气管5、柔性外壳6、照明或探测光源7、信号接收器8、前吸盘9、后吸盘10、柔性透镜11、气动伸缩块12和伸缩块控制气泵13；控制设备1置于作业管道外部；控制设备1分别控制连接外部负压气泵2和伸缩块控制气泵13；伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5控制气动伸缩块12伸展和收缩；两外部负压气泵2产生负压分别通过吸盘导气管4令前吸盘9和后吸盘10吸附于管道表面上；两吸盘导气管4内布置柔性光波导3，柔性光波导3一端从吸盘导气管4末尾开口处伸出，用于接收照明或探测光源7或传输信号光源至信号接收器8，另一端连接柔性透镜11；柔性透镜11分别位于前吸盘9和后吸盘10内；气动伸缩块12置于前吸盘9和后吸盘10两者之间，用于调节二者的位置。
所述柔性透镜11分别置于前吸盘9和后吸盘10的内部中心。
所述柔性光波导3和柔性透镜11均采用柔性材料且能够融合于柔性机器人主体；整个吸盘式软体柔性机器人由柔性外壳6包裹。
所述照明或探测光源7和信号接收器8均置于吸盘式软体柔性机器人外部，根据探测目标要求进行多光谱切换。利用吸盘导气管4、柔性光波导3和柔性透镜11将不同频率的探测光源引导到探测目标上，利用另外一根吸盘导气管4、柔性光波导3和柔性透镜11将探测光信息引导到信号接收器8进行数据分析。最终通过多光谱光源切换与全柔性器件相结合，最终实现全柔性多光谱探测。
该吸盘式软体机器人具体行进步骤如下：
步骤1：伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行充气，气动伸缩块12伸展导致前吸盘9和后吸盘10间距变大；外部负压气泵2通过吸盘导气管4吸气，使得前吸盘9和后吸盘10同时产生负压攀附在管道壁上；
步骤2：与后吸盘10连接的外部负压气泵2降低气泵转速以降低后吸盘10的吸力，后吸盘10弱吸附在管道壁上；前吸盘9的吸力不改变；伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行吸气，气动伸缩块12收缩，后吸盘10在气动伸缩块12的带动下向前吸盘9靠近；
步骤3：与前吸盘9连接的外部负压气泵2降低气泵转速以降低前吸盘9的吸力，前吸盘9弱吸附在管道壁上；后吸盘10的吸力不改变；伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行充气，气动伸缩块12伸展，前吸盘9在气动伸缩块12的带动下向前推进；
步骤4：重复步骤2-步骤3，吸盘式软体柔性机器人向前运动到达指定作业位置；微调作业位置时，固定后吸盘10的位置，弱吸附前吸盘9，通过控制气动伸缩块12的伸缩长度来调整前吸盘9的位置；
步骤5：在微调作业结束后，开启照明或探测光源7，通过一柔性光波导3和柔性透镜11将某一频率的光传播到探测管道内，对探测目标进行照射。利用另一柔性透镜11收集探测目标的光信息，并通过带有另一柔性光波导3的吸盘导气管4将探测信息传播到信号接收器(8)。切换光源，多次利用不同波段的光对探测目标进行探测，以及收集探测目标的光信息，从而完成对探测目标的多光谱探测。
步骤6：完成作业后，停止外部负压气泵2的吸气，吸盘式软体柔性机器人从管道壁脱离。
本发明的有益效果：一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，采用仿生吸盘结构实现管道内壁平稳爬行，有效拓展了管道的探测范围节省了管道的预留开口，无需拆解复杂管路；本发明采用柔性光波导内置于吸盘气管内壁设计实现全柔性光学探测，进而实现机器人整体全柔性；柔性躯体具有对管道内壁镀膜无损伤，管道狭窄处机器人可以发生适度柔性形变增强可通过性，柔性器件超静音实现军事和地形等探测任务无惊扰，柔性躯体对管道内壁精密镀膜无损伤；本发明具有多光谱探测功能，可以充分发挥多频谱光对探测目标的敏感优势。
附图说明
图1是本发明的吸盘式软体机器人总体结构示意图。
图2是本发明的吸盘式软体机器人行进方式示意图。
图3是本发明的吸盘式软体机器人内部光信号传导示意图。(a)是入射光路示意图；(b)是出射光路示意图。
图4是本发明的吸盘式软体机器人的工作流程示意图。
图中：1-控制设备；2-外部负压气泵；3-柔性光波导；4-吸盘导气管；5-伸缩块导气管；6-柔性外壳；7-照明或探测光源；8-信号接收器；9-前吸盘；10-后吸盘；11-柔性透镜；12-气动伸缩块；13-伸缩块控制气泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人如图1所示，包括控制设备1、外部负压气泵2、柔性光波导3、吸盘导气管4、伸缩块导气管5、柔性外壳6、照明或探测光源7、信号接收器(CCD)8、前吸盘9、后吸盘10、柔性透镜11、气动伸缩块12和伸缩块控制气泵13。前吸盘9和后吸盘10是由控制设备1和外部负压气泵2驱动，外部负压气泵2通过吸盘导气管4与两个吸盘连接，前吸盘9和后吸盘10可以利用负压气泵2产生的负压吸附在航空发动机内壁上，前吸盘9和后吸盘10之间由气动伸缩块12连接，气动伸缩块12通过伸缩块导气管5与伸缩块控制气泵13连接。前吸盘9、后吸盘10和气动伸缩块12在控制设备1的控制下，通过外部负气压泵2和伸缩块控制气泵13的联合动作完成爬行任务。在与前吸盘9的内部安置有柔性透镜11用来进行输出光的聚焦和光信号的收集，前吸盘9内的柔性透镜11连接有柔性光波导3用来进行光信号的传导，柔性光波导3置于与前吸盘9相连的吸盘导气管4中，并延伸至柔性机器人外部，在吸盘导气管4的末尾处留有开口用于柔性光波导3与信号接收器8进行连接。来自照明或探测光源7的光通过在柔性光波导3内部进行反射至后吸盘10内传递到探伤作业位置，并由后吸盘10内的柔性透镜11聚焦。照明或探测光源7和信号接收器8放置于航空发动机外部，根据探测目的的不同进行不同波段的灵活切换，从而完成多光谱探测、图像处理、伤情识别等功能，而位于航空发动机内部的柔性光波导3和柔性透镜11都是采用柔性材料，整个柔性吸盘式软体机器人都由柔性外壳6包裹，不会对航空发动机造成损伤，从而实现了无伤探测。具体光传播实施方式将在图3进行具体说明。
如图2所示，本发明的柔性机器人行进方式为：
步骤1：伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行充气，使得气动伸缩块12伸展导致前吸盘9和后吸盘10之间间距变大；外部负压气泵2通过吸盘导气管4吸气，使得前吸盘9和后吸盘10同时产生负气压使得柔性机器人攀附在管道壁上。
步骤2：与后吸盘10连接的外部负压气泵2降低气泵转速以降低后吸盘10的吸力，使得后吸盘10弱吸附在管道壁上，该吸力可以同时满足吸盘在管道壁上滑动并且柔性机器人不从管道壁上脱落的需求；前吸盘9的吸力不改变，固定吸附在管道壁上；伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行吸气，使得气动伸缩块12收缩，则后吸盘10在气动伸缩块12的带动下向前吸盘9靠近。
步骤3：与前吸盘9连接的外部负压气泵2降低气泵转速以降低前吸盘9的吸力，使得前吸盘9弱吸附在管道壁上，该吸力同时满足吸盘在管道壁上滑动并且柔性机器人不从管道壁上脱落的需求；后吸盘10的吸力不改变，固定吸附在管道壁上；伸缩块控制气泵13通过伸缩块导气管5对气动伸缩块12进行充气，使得气动伸缩块12伸展，则前吸盘9在气动伸缩块12的带动下向前推进，由此完成本吸盘式软体机器人的一步前进动作。
重复步骤2-步骤3，吸盘式软体机器人向前运动到达指定作业位置；如果需要微调作业位置，由于柔性透镜11安置于前吸盘9内，则可以固定后吸盘10的位置，弱吸附前吸盘9，通过控制气动伸缩块12的伸缩长度来调整前吸盘9的位置。
当机器人完成作业需要返回管道外部时，可以停止负气压泵的吸气，先使机器人从管道壁脱落，然后拖曳导气管将机器人拖曳到外部，由于本发明的机器人部分为全柔性，拖曳机器人不会对管道壁产生任何伤害。
如图3所示，本发明的柔性机器人的光传播实施方式为：
首先，柔性光波3导安置于气管内壁5，照明光源通过在柔性光波导3反射的方式入射到作业管道壁表面，从管道壁反射回来的光通过柔性透镜11同样通过柔性光波导3反射传播到柔性机器人外部，由信号接收器8接收，这样在机器人行进过程中可以实时观测管道内部状态判断是否到达作业位置。
到达作业位置后，根据作业对象确定光谱的波长范围，外部照明或探测光源7相应切换为对应波长的探测光源进行多光谱探测，探测光源通过在柔性光波导3的反射，传播到探测位置，受探测光源激发产生的信号光通过柔性透镜11收集，经柔性光波导3反射，传播到柔性机器人外部的信号接收器8进行分析，信号接收器8同样根据信号光的波长范围更换到所对应的光学传感器。这样，由于探测光源和信号接收器都置于柔性机器人外部，保证了进入管道内部的机器人部分为全柔性材料用以实现全柔性无损探伤作业，而外部的照明或探测光源7和信号接收器8可以灵活根据探伤作业要求进行更换，实现了全柔性多光谱检测技术。
如图4所示，本发明的吸盘式软体机器人的作业流程为，首先确定作业目的和对象，确定光谱的波长范围，确定大致的作业位置和周围环境，然后柔性机器人在控制装置的控制下，到达作业位置，进行光谱采集，通过连接在外部的电脑实时观测返回的光谱数据用来判断采集是否成功，如果信号采集不成功则利用控制装置对机器人位置进行调整进行再一次采集，如果采集成功则利用电脑对收集到的信号进行分析处理，这样完成整个作业流程后，机器人返回发动机外部。

Claims (5)

1.一种能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，其特征在于，该吸盘式软体柔性机器人包括控制设备(1)、外部负压气泵(2)、柔性光波导(3)、吸盘导气管(4)、伸缩块导气管(5)、柔性外壳(6)、照明或探测光源(7)、信号接收器(8)、前吸盘(9)、后吸盘(10)、柔性透镜(11)、气动伸缩块(12)和伸缩块控制气泵(13)；控制设备(1)置于作业管道外部；控制设备(1)分别控制连接外部负压气泵(2)和伸缩块控制气泵(13)；伸缩块控制气泵(13)通过伸缩块导气管(5)控制气动伸缩块(12)伸展和收缩；两外部负压气泵(2)产生负压分别通过吸盘导气管(4)令前吸盘(9)和后吸盘(10)吸附于管道表面上；两吸盘导气管(4)内均布置柔性光波导(3)，柔性光波导(3)一端-从吸盘导气管(4)末尾开口处伸出，用于接收照明或探测光源(7)或传输信号光源至信号接收器(8)，另一端连接柔性透镜(11)；柔性透镜(11)分别位于前吸盘(9)和后吸盘(10)内；气动伸缩块(12)置于前吸盘(9)和后吸盘(10)两者之间，用于调节二者的位置。
2.根据权利要求1所述的能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，其特征在于，所述柔性透镜(11)分别位于置于前吸盘(9)和柔性透镜(11)内部中心。
3.根据权利要求1所述的能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，其特征在于，所述柔性光波导(3)和柔性透镜(11)均采用柔性材料且能够融合于柔性机器人主体；整个吸盘式软体柔性机器人由柔性外壳(6)包裹。
4.根据权利要求1所述的能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，其特征在于，所述照明或探测光源(7)和信号接收器(8)均置于吸盘式软体柔性机器人外部，根据探测目标要求进行多光谱切换。
5.根据权利要求1-4任一所述的能够实现对复杂管道结构全柔性多光谱探测的吸盘式软体机器人，其特征在于，该吸盘式软体机器人具体工作步骤如下：
步骤1：伸缩块控制气泵(13)通过伸缩块导气管(5)对气动伸缩块(12)进行充气，气动伸缩块(12)伸展导致前吸盘(9)和后吸盘(10)间距变大；外部负压气泵(2)通过吸盘导气管(4)吸气，使得前吸盘(9)和后吸盘(10)同时产生负压攀附在管道壁上；
步骤2：与后吸盘(10)连接的外部负压气泵(2)降低气泵转速以降低后吸盘(10)的吸力，后吸盘(10)弱吸附在管道壁上；前吸盘(9)的吸力不改变；伸缩块控制气泵(13)通过伸缩块导气管(5)对气动伸缩块(12)进行吸气，气动伸缩块(12)收缩，后吸盘(10)在气动伸缩块(12)的带动下向前吸盘(9)靠近；
步骤3：与前吸盘(9)连接的外部负压气泵(2)降低气泵转速以降低前吸盘(9)的吸力，前吸盘(9)弱吸附在管道壁上；后吸盘(10)的吸力不改变；伸缩块控制气泵(13)通过伸缩块导气管(5)对气动伸缩块(12)进行充气，气动伸缩块(12)伸展，前吸盘(9)在气动伸缩块(12)的带动下向前推进；
步骤4：重复步骤2-步骤3，吸盘式软体柔性机器人向前运动到达指定作业位置；微调作业位置时，固定后吸盘(10)的位置，弱吸附前吸盘(9)，通过控制气动伸缩块(12)的伸缩长度来调整前吸盘(9)的位置；
步骤5：在微调作业结束后，开启照明或探测光源(7)，通过一柔性光波导(3)和柔性透镜(11)将某一频率的光传播到探测管道内，对探测目标进行照射；利用另一柔性透镜(11)收集探测目标的光信息，并通过带有另一个柔性光波导(3)的吸盘导气管(4)将探测信息传播到信号接收器(8)；切换光源，多次利用不同波段的光对探测目标进行探测，以及收集探测目标的光信息，从而完成对探测目标的多光谱探测；
步骤6：完成作业后，停止外部负压气泵(2)的吸气，吸盘式软体柔性机器人从管道壁脱离。
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