CN114683298B

CN114683298B - 一种磁控软体传感机器人

Info

Publication number: CN114683298B
Application number: CN202111373839.6A
Authority: CN
Inventors: 孙瑜; 王景; 吕宇欣; 汪领; 唐灵君; 杨来浩; 陈雪峰
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2041-11-18
Also published as: CN114683298A

Abstract

本公开揭示了一种磁控软体传感机器人，包括：机器人本体，机器人本体上设置有第一数据采集模块、第二数据采集模块、控制模块、驱动模块和损伤检测模块，其中，所述第一数据采集模块用于采集被测物的图像数据；所述第二数据采集模块包括传感单元和黏附‑脱附单元，所述黏附‑脱附单元置于所述驱动模块底端且与被测物表面直接接触，所述传感单元用于采集所述黏附‑脱附单元随所述驱动模块在被测物表面运动时的弹力值；所述控制模块用于根据图像数据对机器人进行路径规划并控制驱动模块沿规划路径移动；所述损伤检测模块通过对所采集的弹力值与预先设定的阈值进行比对，以诊断被测物表面是否存在损伤。

Description

一种磁控软体传感机器人

技术领域

本公开属于机器人技术应用领域，具体涉及一种磁控软体传感机器人。

背景技术

发动机是工业产品中的核心部件，在民航客机以及军用飞机中，发动机更是核心部件，其内部空间狭小、结构复杂、零件众多。在航空发动机中，叶片数目总量可以达到2000多片。当前，我国航空发动机叶片的维修检测工作主要通过人工，检测进度严重依赖于操作工人的熟练度和工作经验，检测质量缺乏稳定性与一致性。同时对于地面维修人员来说，航空发动机叶片损伤检测是一项费时、费力、费财的工作。维修人员通常需要长时间目视发动机叶片，长此以往容易产生职业病。当前，采用智能化机器人对航空发动机叶片进行检测是主要的发展趋势，在国外大型航空公司中，制造商多采用智能化机器人完成发动机叶片的检测工作。目前，国内机构研制出来的各类航空发动机叶片损伤检测机器人多为传统舵机驱动的刚性机器人，该种机器人在检测过程中往往存在行动不便，以及会对叶片表面造成刚性擦伤等问题，因此，有必要研发一种能够克服上述问题的新型机器人。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种磁控软体传感机器人，通过在驱动装置底部设置传感-黏附-脱附装置，能够克服传统刚性机器人在损伤检测过程中存在行动不便以及对被测物造成刚性擦伤等缺陷。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种磁控软体传感机器人，包括：

机器人本体，

机器人本体上设置有第一数据采集模块、第二数据采集模块、控制模块、驱动模块和损伤检测模块，其中，

所述第一数据采集模块用于采集被测物的图像数据；

所述第二数据采集模块包括传感单元和黏附-脱附单元，所述黏附-脱附单元置于所述驱动模块底端且与被测物表面直接接触，所述传感单元用于采集所述黏附-脱附单元随所述驱动模块在被测物表面运动时的弹力值；

所述控制模块用于根据图像数据对机器人进行路径规划并控制驱动模块沿规划路径移动；

所述损伤检测模块通过对所采集的弹力值与预先设定的阈值进行比对，以诊断被测物表面是否存在损伤。

优选的，所述黏附-脱附单元采用三级微结构。

优选的，所述黏附-脱附单元由PDMS一体浇筑而成。

优选的，所述控制模块包括电源装置和磁场产生装置。

优选的，所述电源装置包括电源和任意波发生器，所述电源用于为磁场产生装置提供电流，所述任意波发生器用于对电源所产生的电流进行整流。

优选的，所述磁场产生装置包括在机器人本体内分别沿X、Y、Z坐标轴分布的X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组，由电源装置通入电流分别产生沿X、Y、Z坐标轴方向的驱动磁场。

优选的，所述驱动模块包括两组在机器人本体两侧对称设置的行走足，第一组行走足与第二组行走足的磁化方向相反。

优选的，所述第一数据采集模块包括摄像头。

优选的，所述控制模块包括PCB控制电路板。

本公开还提供一种制备黏附-脱附单元的方法，包括如下步骤：

步骤1：通过3D打印打印出倒模摸具；

步骤2：使用PDMS硅橡胶与固化剂混合搅拌，得到液态粘稠状PDMS并然后倒入模具中脱模制成。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本公开在现有磁控机器人的基础上，提出了一种集成传感、脱附、黏附功能为一体的传感-黏附-脱附装置，用于检测被测物表面的损伤情况，实现机器人在被测物通过黏附-脱附的方式运动，从而可以避免传统刚性机器人存在的移动不便，刚性擦伤等缺陷。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人的外部结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人的正视图；

图3是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人的内部结构示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人的剖视图；

图5是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人中传感-黏脱附装置的结构示意图；

图6是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人中传感-黏附-脱附装置的工作示意图；

图7是本公开另一个实施例提供的一种磁控软体传感机器人中传感-黏附-脱附装置中传感模块的结构示意图；

图8是本公开另一个实施例提供的磁化过程中磁控软体传感机器人的行走足相对于磁场方向的示意图；

图9是本公开另一个实施例提供的磁控软体传感机器人中亥姆霍兹线圈的空间结构示意图；

图10(a)至10(b)是本公开另一个实施例提供的磁控软体传感机器人上半平面旋转驱动磁场示意图，其中，图10(a)为正视图，图10(b)为俯视图；

图11(a)至11(b)是本公开另一个实施例提供的磁控软体传感机器人下半平面旋转驱动磁场示意图，其中，图11(a)为正视图，图11(b)为俯视图；

附图中的标记说明如下：

1、摄像头；2、机器人本体；3、锂电池；4、行走足；5、Φ6TPE弹性销；6、Φ3TPE弹性销；7、隔离压紧固定板；8、PCB控制电路板；9、盖板；10、脚掌；11、刚毛、12、微刚毛；13、上电极；14、下电极；15、中介层；16、第一引线；17、第二引线；18、传感模块；19、行走足尖端；20、Y轴线圈组；21、X轴线圈组；22、Z轴线圈组；23、平台。

具体实施方式

下面将参照附图1至图11(b)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1、图2所示，本公开提供一种磁控软体传感机器人，包括：

机器人本体，

所述第一数据采集模块用于采集被测物的图像数据；

本实施例中，如图3、图4所示，机器人本体2包括第一容纳腔、第二容纳腔和第三容纳腔，其中，驱动模块通过PDMS与第一容纳腔固化连接，第二数据采集模块位于驱动模块底端，第一数据采集模块位于第二容纳腔内，锂电池3、控制模块和损伤检测模块位于第三容纳腔内，此外，第三容纳腔内还设置有隔离压紧固定板7，通过该固定板可以使得控制模块和锂电池与损伤检测模块进行有效隔离。机器人本体上端设置有盖板9，盖板9通过Φ6TPE弹性销5与机器人本体过盈装配，此外，各容纳腔之间，以及位于各容纳腔内的模块与容纳腔之间通过Φ3TPE弹性销6固定连接，使得机器人各模块形成一个有机整体。

需要说明的是，机器人的制备材料选用的是一种硬磁性金属与硅胶聚合物的复合材料。该材料既具有柔韧性，同时在一定条件下，通过一定的技术手段，使机器人整体对外显磁性。硬磁性金属材料选用广州新诺德LW-BA(16-17A)-2000目[5um]型，各向同性粘结汝铁硼稀土磁粉，该材料饱和磁化强度最高可达966mT，剩磁最高可达891mT。硅胶聚合物选用道康宁SYLGARD 184PDMS硅橡胶，将其基本组分与固化剂按照质量比为1∶1混合搅拌得到液态粘稠状PDMS，再将PDMS与磁粉按照质量比为1∶1混合搅拌，即可得到该复合材料。

相比传统的刚性机器人，在日常检测过程中，本实施例所述机器人不仅能够避免对被测物表面造成擦伤，而且仅需通过分析弹力值变化即可实现对被测物表面损伤的检测，简便快捷，构思新颖。

另一个实施例中，如图5所示，所述黏附-脱附单元采用三级微结构。

本实施例中，为了提高机器人与被测物结构表面的黏附能力以及制造出尺度更小的微结构，黏附-脱附单元采用三级微结构的设计思路，其中，第一级微结构为脚掌10，脚掌上设置有第二级微结构刚毛11，刚毛11上设置有第三级微结构微刚毛12，该黏附-脱附单元整体为圆柱状阵列结构，第一级至第三级微结构的直径依次减小到数十微米大小，从而能够增加其在被测物表面上的黏附-脱附能力。

该黏附-脱附单元的制备方法介绍如下：通过3D打印技术打印出倒模摸具，使用康宁SYLGARD 184PDMS硅橡胶，将其基本组分与固化剂按照质量比为1∶1混合搅拌得到液态粘稠状PDMS，然后倒入模具中，脱模制成。

图6展示了上述黏附-脱附单元在被测物表面的工作状况，图6中，当黏附-脱附单元随驱动模块在被测物表面运动时，其第三级微结构微刚毛因与被测物表面直接接触而受到压力产生弯曲变形。当微刚毛处于被测物表面损伤区域时(即图6中的凹陷部分)，由于被测物表面存在凹陷损伤，导致微刚毛在该损伤处的弯曲变形程度相比其在被测物表面平滑无损伤处(即图6中平滑部分)小，因此，微刚毛的弹力就小，通过检测微刚毛的弹力值，就可以对被测物表面的损伤情况作出判断。此外，由于黏附-脱附单元整体由PDMS浇筑而成，当其在被测物表面运动时，并不会对被测物表面造成擦伤。

此外，如图7所示，传感模块18由上电极13、下电极14、中间介质层15和第一引线16、第二引线17构成，其中，上电极基底和下电极基底均由聚二甲基硅氧烷材料构成，并且喷射有纳米金属颗粒以增加其导电性并由导线引出，上电极基底通过环氧树脂和驱动模块粘结在一起，下电极基底通过环氧树脂和黏附-脱附单元粘结在一起。中介层由石墨烯碳纳米管复合材料构成，设有多个圆柱阵列微结构。通过传感模块，可以采集黏附-脱附单元在被测物表面运动时的弹力信号。

另一个实施例中，所述控制模块包括电源装置和磁场产生装置。

本实施例中，所述电源装置包括电源和任意波发生器，其中，电源用于为磁场产生装置提供电流，任意波发生器产生信号对电源所提供的电流进行整流后输出到充磁线圈，从而使得充磁线圈产生驱动模块所需的磁场。

另一个实施例中，所述驱动模块包括两组在机器人本体两侧对称设置的行走足4，第一组行走足与第二组行走足的磁化方向相反。

本实施例中，每组行走足的数量可以根据机器人的尺寸进行灵活设计，为了便于对行走足的运动原理进行说明，本实施例选择每组行走足的数量为3条，如图8所示，将6个行走足分为两组设置在机器人本体的两侧，每组包括3个行走足，且将两组行走足上下左右倒置，使得两组行走足尖端19的指向方向相反。上述放置方式，可以使得两组行走足的内部磁化曲线方向相反，从而使得两组行走足在磁场作用下交替运动。

另一个实施例中，如图9所示，所述磁场产生装置包括在机器人本体内分别沿X、Y、Z坐标轴分布的X轴线圈组21、Y轴线圈组20和Z轴线圈组22，由电源装置通入电流分别产生沿X、Y、Z坐标轴方向的驱动磁场。

本实施例中，所述三组充磁线圈组件设置于平台23上，每组线圈均包括2个亥姆霍兹线圈，三组充磁线圈组件共同作用产生一个以一定频率旋转的磁场，该磁场与X轴的夹角为a(a∈[0°，360°])，机器人在此旋转磁场的作用下，与其内部磁化曲线相互作用产生驱动磁矩，使得机器人运动。示例性的，如图10(a)至10(b)所示，当旋转磁场通过上半平面(a∈[0°，180。])时，在此过程中，只有三条行走足与被测物表面接触，而其他三条行走足则在磁矩的作用下向上弯曲，脱离被测物表面。如图11(a)至11(b)所示，当旋转磁场通过下半平面(a∈[0°，-180°])时，在此过程中，另外三条行走足与被测物表面接触，而其他三条行走足则在磁矩的作用下向上弯曲，脱离被测物表面。因此，当旋转磁场依次通过上半平面(a∈[0°，180°])，下半平面(a∈[0°，-180°])时，机器人向前位移，当旋转磁场以一定的频率快速连续旋转通过上半平面，下半平面时，机器人就会向前运动产生位移，此过程为驱动磁场旋转的一个周期。特别的，在旋转磁场进行旋转的同时，旋转平面绕Z轴旋转，行走足在磁矩的作用下产生转向运动。

另一个实施例中，所述第一数据采集模块包括摄像头1。

本实施例中，通过利用摄像头采集被测物表面图像信息，将被测物表面图像传递给检测人员，使得检测人员通过图像能够对被测物表面的损伤情况进行初步判断，有利于机器人做好损伤可疑区域的路径规划。

另一个实施例中，所述损伤件检测模块包括PCB控制电路板8。

本实施例中，PCB控制电路板中通过将所采集的黏附-脱附单元的弹力值与预先设定的阈值进行比对，从而能够判断出被测物表面是否存在损伤。至于具体如何通过弹力值与阈值的关系对被测物损伤进行检测不是本次申请的重点，因此不作详细描述。

以上应用了具体实施例对本公开进行了阐述，只是用于帮助理解本公开，并不用于限制本公开。任何熟悉该技术的技术人员在本公开所揭示的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本公开的范围之内。

Claims

1.一种磁控软体传感机器人，包括：

机器人本体，

所述第一数据采集模块用于采集被测物的图像数据；

2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述黏附-脱附单元采用三级微结构。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其中，所述黏附-脱附单元由PDMS一体浇筑而成。

4.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制模块包括电源装置和磁场产生装置。

5.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述电源装置包括电源和任意波发生器，所述电源用于为磁场产生装置提供电流，所述任意波发生器用于对电源所产生的电流进行整流。

6.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述磁场产生装置包括在机器人本体内分别沿X、Y、Z坐标轴分布的X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组，由电源装置通入电流分别产生沿X、Y、Z坐标轴方向的驱动磁场。

7.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述驱动模块包括两组在机器人本体两侧对称设置的行走足，第一组行走足与第二组行走足的磁化方向相反。

8.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述第一数据采集模块包括摄像头。

9.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述损伤检测模块包括PCB控制电路板。