專利名稱：飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的制作方法
飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)，屬于智能機(jī)器人和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在民用航空器的運(yùn)行過(guò)程中，在役無(wú)損檢測(cè)工作十分重要。在民用航空器制造廠家推薦的結(jié)構(gòu)維修大綱中，對(duì)結(jié)構(gòu)檢查的門檻值、檢查方法和檢查間隔都作了比較詳細(xì)的規(guī)定。由于民用航空器的許多無(wú)損檢測(cè)工作是在役檢查，因此在實(shí)施無(wú)損檢測(cè)工作時(shí)存在著接近困難、表面狀況復(fù)雜、缺陷形式復(fù)雜多祥等等問(wèn)題。飛機(jī)表面無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人由美國(guó)威奇托州立大學(xué)(Wichita State University)的Benham Bahr教授首次提出并在FAA (國(guó)際民航組織)的支持下進(jìn)行了樣機(jī)研制，之后卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、美國(guó)波音公司、新加坡空軍等機(jī)構(gòu)先后投入了人力、物力對(duì)該類型的機(jī)器人進(jìn)行研制?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)于1991年5月開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮檢測(cè)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，g在研究并設(shè)計(jì)一個(gè)采用吸盤而吸附在飛機(jī)機(jī)身的十字型機(jī)器人，該機(jī)器人將在蒙皮上部署一系列的渦流傳感器用來(lái)檢測(cè)那些可能已經(jīng)在表面或者表面以下開(kāi)始形成的裂縫和腐蝕，聚焦在機(jī)身表面的小型車載攝像頭將提供蒙皮的圖像，研發(fā)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和人機(jī)界面等，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和外場(chǎng)試驗(yàn)，并在機(jī)器人導(dǎo)航和操作方面進(jìn)行了改進(jìn)。該機(jī)器人所采用的十字型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有全方向的轉(zhuǎn)向能力，但是檢測(cè)速度比較慢，毎次的行進(jìn)路程有限，不能十分流暢連續(xù)的進(jìn)行在線檢測(cè)。國(guó)內(nèi)的中國(guó)民航大學(xué)也研制了一種飛機(jī)蒙皮檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人可以在不同曲率半徑的飛機(jī)表面爬行，其結(jié)構(gòu)為十字型，在應(yīng)用中面臨的問(wèn)題是運(yùn)行速度慢，靈活性差，需要帶纜作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)存在的缺陷，提出了一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)。本發(fā)明基于DSP技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技木，通過(guò)將模式圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于大飛機(jī)蒙皮的智能健康檢測(cè)，在一定程度上避免了在人工檢測(cè)過(guò)程中的漏檢和疲勞等問(wèn)題，提高了檢測(cè)過(guò)程的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，為大飛機(jī)蒙皮損傷的自動(dòng)在線檢測(cè)提供了新的途徑。本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案
一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用雙框架結(jié)構(gòu)，包括上框架、下框架、中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、無(wú)線CCD、超聲探頭和控制箱，其中中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括中心軸和上、下兩個(gè)軸承，上、下兩個(gè)軸承分別安裝在中心軸上，中心軸通過(guò)上、下兩個(gè)軸承分別裝在上框架和下框架的中心軸孔中；所述上框架包括安裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的且成120度角的三根支架，以及通過(guò)鍵安裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，每根支架的末端垂直地裝有上框架伸縮腿，每個(gè)上框架伸縮腿上裝有伸縮步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)上框架伸縮腿的下端裝有吸盤；所述下框架置于上框架下方，包括通過(guò)軸承裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的矩形板和裝在下框架上的行走步進(jìn)電機(jī)以及裝在矩形板長(zhǎng)度方向上的直線導(dǎo)軌，行走步進(jìn)電機(jī)通過(guò)連軸器與直線導(dǎo)軌連接，直線導(dǎo)軌通過(guò)滑塊與上框架連接，矩形板兩端的四個(gè)角分別垂直地裝有下框架伸縮腿，每個(gè)下框架伸縮腿上裝有伸縮步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)下框架伸縮腿下端裝有吸盤；所述無(wú)線CCD和超聲探頭分別吊裝在下框架的下前方，所述控制箱裝在下框架下方。所述控制箱的箱體內(nèi)包括運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、真空吸盤氣動(dòng)電路、無(wú)線通訊模塊和電池組，所述運(yùn)動(dòng)控制器是飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人攜帯的微型運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。所述上框架伸縮腿和下框架伸縮腿均為絲杠螺母機(jī)構(gòu)，所述螺母為導(dǎo)桿軸形式，螺母一端是與螺桿嚙合的螺紋，另一端與吸盤連接。一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括無(wú)線CXD圖像采集卡、超聲探測(cè)卡、地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊模塊、飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人攜帯的微型運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、真空吸盤氣動(dòng)電路，其中無(wú)線CCD圖像采集卡和超聲探測(cè)卡的輸出分別連接地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)的輸入，無(wú)線通訊模塊分別與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和微型運(yùn)動(dòng)控制器雙向連接，微型運(yùn)動(dòng)控制器的輸出分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和真空吸盤氣動(dòng)電路連接。
所述真空吸盤氣動(dòng)電路包括真空泵、真空壓カ開(kāi)關(guān)、電磁閥A、電磁閥B及DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器，其中真空泵的輸出分別連接電磁閥A和電磁閥B，電磁閥A的輸出連接飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人上框架的上吸盤組，電磁閥B的輸出連接飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人下框架的下吸盤組，DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)真空壓カ開(kāi)關(guān)與真空泵相連接，控制器的輸出分別連接電磁閥A和電磁閥B的輸入以及分別連接上吸盤組的伸縮步進(jìn)電機(jī)和下吸盤組的伸縮步進(jìn)電機(jī)。本發(fā)明的有益效果如下
I)采用的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人在完成吸附后可連續(xù)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的連續(xù)性好，同時(shí)具有全方位的轉(zhuǎn)向能力；通過(guò)機(jī)器視覺(jué)與超聲波信息融合，不僅可以探測(cè)大飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)損傷的部位和損傷的程度，而且能夠識(shí)別裂紋、腐蝕、撞擊和劃痕等損傷類型，實(shí)現(xiàn)大飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)纜作業(yè)。2)通過(guò)無(wú)線傳感器技術(shù)，地面遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)平臺(tái)對(duì)蒙皮的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、預(yù)測(cè)與分析，飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的行為規(guī)劃由地面計(jì)算機(jī)控制完成，控制命令及傳感器的信息傳送由通訊模塊以無(wú)線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。3)通過(guò)控制和調(diào)整吸附カ以及姿態(tài)，飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人在較為復(fù)雜的大飛機(jī)表面穩(wěn)定、可靠運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行蒙皮損傷檢測(cè)。4)通過(guò)系統(tǒng)攜帯的視覺(jué)等無(wú)損檢測(cè)傳感器，可以對(duì)飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)損傷(如裂紋與腐蝕等)準(zhǔn)確自動(dòng)檢測(cè)(檢測(cè)最小2. 5mm長(zhǎng)度的疲勞裂紋)與自動(dòng)定位。本發(fā)明對(duì)提高大飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)損傷的健康檢測(cè)水平，縮短飛機(jī)的檢修維護(hù)時(shí)間，保障飛行安全具有較高的應(yīng)用價(jià)值。


圖I為本發(fā)明的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人雙框架設(shè)計(jì)俯視圖。圖3為飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人雙框架設(shè)計(jì)剖視圖。圖4為本發(fā)明的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能模塊示意圖。圖5為本發(fā)明的上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖。圖6為氣動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖。
圖I ー圖3中I為中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，2為直線導(dǎo)軌，3為上框架，4為下框架，5為上框架伸縮腿，6為吸盤，7為下框架伸縮腿，8為控制箱，9為無(wú)線CCD，10為超聲探頭，11為旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，12為行走步進(jìn)電機(jī)，13為滑塊。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。圖I為飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)器人采用了雙框架結(jié)構(gòu)，加入了中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)I。雙框架設(shè)計(jì)示意圖如圖2，雙框架的設(shè)計(jì)分為上框架(A) 3和下框架(B) 4。通過(guò)上框架3和下框架4的配合來(lái)達(dá)成轉(zhuǎn)向和前進(jìn)的動(dòng)作。雙框架結(jié)構(gòu)由直線導(dǎo)軌2、中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)I、上下框架組成。上框架3由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)11和3條上框架伸縮腿5組成；下框架4由行走步進(jìn)電機(jī)12、4條下框架伸縮腿7、無(wú)線(XD9和超聲探頭10、控制箱8組成。
在圖I-圖3中，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)11安裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)I中，行走步進(jìn)電機(jī)12安裝在下框架4上，并通過(guò)連軸器與直線導(dǎo)軌2連接，下框架4通過(guò)滑塊13與上框架3連接，運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、氣動(dòng)電路、無(wú)線通訊模塊和電池組安放在機(jī)器人下框架4下面的控制箱8內(nèi)，無(wú)線CCD9、超聲探頭10吊裝在下框架4的下前方，上框架伸縮腿5安裝的上框架3的末端，下框架伸縮腿7安裝在下框架4的兩側(cè)，上下框架伸縮腿下方安裝吸盤6。上下框架之間通過(guò)一鉸接的直線導(dǎo)軌的滑塊13 (精密的鋁制直線導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)滑塊，通過(guò)不銹鋼導(dǎo)向螺桿驅(qū)動(dòng))產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，完成機(jī)器人本體的移動(dòng)動(dòng)作。當(dāng)上框架伸縮腿5上吸盤(上吸盤組)吸附工作時(shí)，下層可以移動(dòng)，可以直線行走或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下框架伸縮腿7上吸盤(下吸盤組)吸附工作時(shí)，上層可以轉(zhuǎn)動(dòng)方向或直線行走。上框架3和下框架4的直線導(dǎo)軌2設(shè)計(jì)成絲杠螺母機(jī)構(gòu)，行走步進(jìn)電機(jī)12旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制行走步進(jìn)電機(jī)12的正反轉(zhuǎn)、速度，能實(shí)現(xiàn)兩框架相對(duì)移動(dòng)的快慢。行走步進(jìn)電機(jī)12選用型號(hào)42BYGS542相混合式步進(jìn)電機(jī)。上框架3和下框架4通過(guò)中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用接觸軸承可靠的連接，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)11通過(guò)鍵直接與中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)I連接，允許相對(duì)0-360°范圍內(nèi)任意方向旋轉(zhuǎn)。下吸盤組和上吸盤組交替吸附與升起，控制旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)11的正反轉(zhuǎn)與速度，實(shí)現(xiàn)上、下兩框架之間旋轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)11決定轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)能力，選擇了 57BYGS54型2相混合式步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選用SMD-158 二相細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。為了適應(yīng)飛機(jī)表面變化的能力，本發(fā)明設(shè)計(jì)的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人伸縮腿能夠在上下任意伸縮，如圖I-圖3所示。飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的吸附功能由連接在伸縮腿上的吸盤6完成。設(shè)計(jì)了行走步進(jìn)電機(jī)的直線導(dǎo)軌，具有自鎖能力，適用于豎直運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的伸縮腿裝置。工作時(shí)伸縮直線步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闈L珠絲杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)。螺母設(shè)計(jì)成導(dǎo)桿軸形式，一端是與螺桿嚙合的螺紋，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，另一端與吸盤連接，改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，就可以控制伸縮和運(yùn)動(dòng)快慢，也即可以實(shí)現(xiàn)吸盤任意位置的伸縮。腿部伸縮由步進(jìn)電機(jī)選用20BYG28型步進(jìn)電機(jī)作為絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)，上框架3有3條伸縮腿，下框架4有4條伸縮腿，上下框架吸附組各用ー個(gè)SMD-205M步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)上述機(jī)器人系統(tǒng)各部分的連接關(guān)系，當(dāng)下框架4的吸盤吸附工作時(shí)，上框架3可以移動(dòng)，既可以直線行走也可以轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)上框架3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成動(dòng)作后，吸盤貼近工作面進(jìn)行吸附固定，接著下框架4的吸盤分離，隨后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)使得上框架3、下框架4恢復(fù)到移動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)，上框架3和下框架4框架之間的直線導(dǎo)軌在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在上框架3、下框架4兩層面由中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)I實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，上下兩框架均可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，完成全方位運(yùn)動(dòng)。雙框架結(jié)構(gòu)解決了十字型結(jié)構(gòu)的ー些缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)向更加靈活，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的路徑，具有一定的越障和曲面行走能力。本發(fā)明采用一種丁腈橡膠為材料、模塊化組合的新型吸盤，可以更加的符合飛機(jī)蒙皮檢測(cè)真空吸附式爬壁機(jī)器人的需求。該吸盤具有良好的抗扯斷力、彈性以及氣密性，同時(shí)精巧的模塊為該吸盤提供了適應(yīng)傾斜的平曲面的能力，以及被動(dòng)的障礙適應(yīng)能力，使得爬壁機(jī)器人的適應(yīng)性和穩(wěn)定性大大提高。本發(fā)明的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能模塊如圖4所示，包括上下位機(jī)(地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人攜帯的微型運(yùn)動(dòng)控制器)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、真空吸盤氣動(dòng)電路、無(wú)線通訊模塊。整個(gè)飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)集成的控制系統(tǒng)具 有上位機(jī)規(guī)劃決策、下位機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與吸盤吸附控制、上下位機(jī)通訊的無(wú)線通訊控制等功能。上位機(jī)一方面用來(lái)完成對(duì)下位機(jī)所采集到的圖像進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)蒙皮表面的在線檢測(cè)；另一方面是通過(guò)無(wú)線通訊對(duì)飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。下位機(jī)DSP2812選擇TMS320F2812作為機(jī)器人的核心控制器，分別控制機(jī)器人的吸附、直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、無(wú)線通訊模塊。DSP2812控制器控制包括與上位機(jī)通訊、處理中斷、運(yùn)動(dòng)控制算法等。TMS320F2812最高可在150MHz主頻下工作，帶有18kxl6位等待周期，片上SRAM和128kX16位片上FLASH(存取時(shí)間36ns)。其片上外設(shè)主要包括8路12位ADC(最快80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間)、2路串行通訊接ロ、兩個(gè)事件管理模塊，2路16位定時(shí)器等。另外，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO引腳。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行雙16x16乘加和32x32乘加操作，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能，這款微控制器比較適合飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制應(yīng)用。上、下位機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊以串ロ方式進(jìn)行通訊。上位機(jī)即PC機(jī)，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序向下位機(jī)發(fā)送指令，并接收下位機(jī)傳送的反饋數(shù)據(jù)。下位機(jī)即DSP2812，采用兩個(gè)事件管理器同時(shí)控制四組步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，事件管理器通過(guò)比較器產(chǎn)生PWM信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖簇，并通過(guò)輸出口產(chǎn)生高低電平以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，如圖5所示。本發(fā)明在上位機(jī)上安裝有無(wú)線CCD圖像采集卡和超聲探測(cè)卡，機(jī)器人與上位機(jī)之間通過(guò)無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接。該方法為將飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人置于飛機(jī)蒙皮表面，上位機(jī)發(fā)送控制指令對(duì)機(jī)器人在飛機(jī)蒙皮上的運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行規(guī)劃，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，機(jī)器人上安裝的無(wú)線CCD和超聲探頭開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)采集飛機(jī)蒙皮表面的圖像和超聲探測(cè)信息，并將這些信息通過(guò)無(wú)線通訊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，井根據(jù)處理結(jié)果做出蒙皮損傷診斷與決策。飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人上圖像采集裝置采用無(wú)線CCD，無(wú)線通訊模塊采用2. 4GHZ頻率發(fā)射和接收?qǐng)D像信息，在上位機(jī)上采用無(wú)線CCD圖像采集卡探測(cè)損傷情況，并具有健康狀態(tài)預(yù)測(cè)功能。
超聲探測(cè)卡采用一種超聲波探傷卡采集信號(hào)為回波高度與回波時(shí)間。在探傷時(shí)，探頭放置在探測(cè)面上，電脈沖激勵(lì)探頭產(chǎn)生的超聲脈沖通過(guò)耦合劑進(jìn)入飛機(jī)蒙皮，在上表面反射回頭波，如果飛機(jī)蒙皮內(nèi)部無(wú)缺陷，它可一直傳播到的底面，形成底波。如果底面光滑且平行于探測(cè)面，按照反射原理，超聲脈沖被底面反射而返回探頭。探頭又將返回的聲脈沖變成電脈沖，電脈沖可以經(jīng)過(guò)一系列放大處理電路，通過(guò)超聲探測(cè)卡將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)然后顯示出來(lái)；如果飛機(jī)蒙皮內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有缺陷，超聲脈沖的一部分被缺陷反射回探頭，形成缺陷波，其余部分到達(dá)底面后再返回探頭。飛機(jī)蒙皮檢測(cè)機(jī)器人采用兩個(gè)無(wú)線模塊JZ863A和JZ863B實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。JZ863無(wú)線模塊具有無(wú)線射頻功能，是收發(fā)雙用的，通過(guò)天線將雙方的數(shù)據(jù)信息以特定頻段的電磁波信號(hào)在空間進(jìn)行發(fā)送和接收，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后傳遞出去，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)電源電壓DC5V時(shí)，發(fā)射功率100mW(20dB);當(dāng)電源電壓DC3V時(shí)，發(fā)射功率50mW(17dB);可以定制IOmW(IOdB);高接收靈敏度-llOdbm，載頻頻率433MHz，JZ863數(shù)傳模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、RS-485、TTL三種接ロ，傳輸距離200m，JZ863型模塊標(biāo)準(zhǔn)配置提供8個(gè)信道，滿足用戶多種通訊組合方式的需求。JZ863型模塊 可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多種通訊波特率，并且無(wú)線傳輸速率與接ロ波特率成正比，本發(fā)明選用19200bps。DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器接收由無(wú)線模塊傳送來(lái)的上位機(jī)的指令，分析指令并作出正確的判斷、產(chǎn)生正確的PWM波以及控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的行動(dòng)，是該機(jī)器人的直接操縱者。兩塊無(wú)線通訊收發(fā)模塊JZ863A和JZ863B的串ロ分別連接地面PC計(jì)算機(jī)串行接口和DSP2812的串行接ロ，進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令無(wú)線傳輸，DSP2812每隔一段時(shí)間發(fā)送機(jī)器人的位置等信息到上位機(jī)以便實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況，PC計(jì)算機(jī)上相應(yīng)程序根據(jù)DSP發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)問(wèn)題或存在潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的控制命令規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，由此實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線控制機(jī)器人的功能。本發(fā)明采用真空吸附方式，通過(guò)設(shè)計(jì)氣動(dòng)電路，由電磁閥控制真空氣動(dòng)回路，真空泵等真空發(fā)生設(shè)備在機(jī)器人的吸盤和飛機(jī)蒙皮接觸面間形成負(fù)壓，依靠壓差使機(jī)器人吸附在飛機(jī)上。通過(guò)地面控制器實(shí)現(xiàn)場(chǎng)外大飛機(jī)機(jī)身、尾翼、機(jī)翼等部位機(jī)器人損傷探測(cè)的精確定位控制。氣動(dòng)電路由真空泵提供負(fù)壓源，通過(guò)軟管連通吸盤，并有兩個(gè)兩位三通的電磁閥控制氣路的開(kāi)關(guān)。圖6為本發(fā)明的氣動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖，圖中粗線為氣路部分，細(xì)線為電路部分，在設(shè)計(jì)中選用瑞典PIAB的G. FX77T50系列多層波紋真空吸盤、德國(guó)NMP850型微型真空泵、VKF332-5G-01型電磁閥、ZFB200-06真空過(guò)濾器和ZSE30A-1-N型真空壓カ開(kāi)關(guān)。當(dāng)電磁閥A關(guān)斷，B打開(kāi)，真空泵工作，真空壓カ開(kāi)關(guān)在達(dá)到指定的氣壓數(shù)值的情況下會(huì)發(fā)送ー個(gè)信號(hào)，吸附穩(wěn)定，系統(tǒng)解鎖，縱向吸盤動(dòng)作，到達(dá)位置以后，電磁閥B打開(kāi)，兩組吸盤同時(shí)工作，真空壓カ開(kāi)關(guān)的解鎖信號(hào)發(fā)送以后，關(guān)斷電磁閥A，壓カ穩(wěn)定，解鎖信號(hào)得到，旋轉(zhuǎn)吸盤開(kāi)始動(dòng)作。通過(guò)DSP2812控制上吸盤組和下吸盤組步進(jìn)電機(jī)使上下兩組吸盤交替運(yùn)動(dòng)。電磁閥控制吸盤內(nèi)壓力的切換，可以和真空源接通也可以和大氣接通，從而為吸盤的吸附和脫落創(chuàng)造條件；真空壓カ開(kāi)關(guān)可以測(cè)取氣路內(nèi)的氣壓，以電壓反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)。由于飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人要求適應(yīng)大飛機(jī)不同的壁面環(huán)境，壁面的摩擦系數(shù)對(duì)機(jī)器人的可靠行走影響很大，通過(guò)采用高可靠的吸附技術(shù)解決該類機(jī)器人的可靠性工作 問(wèn)題。由于拖纜將嚴(yán)重影響爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的靈活性，本發(fā)明通過(guò)采用聚合物鋰離子電池組供電實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)與控制，増加其靈活性。
權(quán)利要求
1.一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人，其特征在于，該機(jī)器人采用雙框架結(jié)構(gòu)，包括上框架(3)、下框架(4)、中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(I)、無(wú)線CXD (9)、超聲探頭(10)和控制箱(8)，其中中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(I)包括中心軸和上、下兩個(gè)軸承，上、下兩個(gè)軸承分別安裝在中心軸上，中心軸通過(guò)上、下兩個(gè)軸承分別裝在上框架(3)和下框架(4)的中心軸孔中；所述上框架(3)包括安裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(I)上的且成120度角的三根支架，以及通過(guò)鍵安裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(I)上的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)(11)，每根支架的末端垂直地裝有上框架伸縮腿(5)，每個(gè)上框架伸縮腿(5)上裝有伸縮步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)上框架伸縮腿(5)的下端裝有吸盤；所述下框架(4)置于上框架(3)下方，包括通過(guò)軸承裝在中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(I)的矩形板和裝在下框架(4)上的行走步進(jìn)電機(jī)(12)以及裝在矩形板長(zhǎng)度方向上的直線導(dǎo)軌(2)，行走步進(jìn)電機(jī)(12)通過(guò)連軸器與直線導(dǎo)軌(2)連接，直線導(dǎo)軌(2)通過(guò)滑塊(13)與上框架(3)連接，矩形板兩端的四個(gè)角分別垂直地裝有下框架伸縮腿(7)，每個(gè)下框架伸縮腿(7)上裝有伸縮步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)下框架伸縮腿(7)下端裝有吸盤；所述無(wú)線CCD (9)和超聲探頭(10)分別吊裝在下框架(4)的下前方，所述控制箱(8)裝在下框架(4)下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人，其特征在于，所述控制箱(8)的箱體內(nèi)包括運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、真空吸盤氣動(dòng)電路、無(wú)線通訊模塊和電池組，所述運(yùn)動(dòng)控制器是飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人攜帯的微型運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人，其特征在于，所述上框架伸縮腿(5)和下框架伸縮腿(7)均為絲杠螺母機(jī)構(gòu)，所述螺母為導(dǎo)桿軸形式，螺母一端是與螺桿嚙合的螺紋，另一端與吸盤連接。
4.一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括無(wú)線CCD圖像采集卡、超聲探測(cè)卡、地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊模塊、飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人攜帯的微型運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、真空吸盤氣動(dòng)電路，其中無(wú)線CCD圖像采集卡和超聲探測(cè)卡的輸出分別連接地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)的輸入，無(wú)線通訊模塊分別與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和微型運(yùn)動(dòng)控制器雙向連接，微型運(yùn)動(dòng)控制器的輸出分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和真空吸盤氣動(dòng)電路連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在干，所述真空吸盤氣動(dòng)電路包括真空泵、真空壓カ開(kāi)關(guān)、電磁閥A、電磁閥B及DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器，其中真空泵的輸出分別連接電磁閥A和電磁閥B，電磁閥A的輸出連接飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人上框架(3)的上吸盤組，電磁閥B的輸出連接飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人下框架(4)的下吸盤組，DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)真空壓カ開(kāi)關(guān)與真空泵相連接，DSP2812運(yùn)動(dòng)控制器的輸出分別連接電磁閥A和電磁閥B的輸入以及分別連接上吸盤組的伸縮步進(jìn)電機(jī)和下吸盤組的伸縮步進(jìn)電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)蒙皮健康監(jiān)測(cè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)，屬于智能機(jī)器人和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。該機(jī)器人采用雙框架結(jié)構(gòu)，上框架(3)、下框架(4)、中心軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)、無(wú)線CCD(9)、超聲探頭(10)和控制箱(8)。本發(fā)明對(duì)提高大飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)損傷的健康檢測(cè)水平，縮短飛機(jī)的檢修維護(hù)時(shí)間，保障飛行安全具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102866201SQ20121033691
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者王從慶, 呂鑫, 張威, 周鑫, 王賢鋒, 王昊 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)