超冗余操纵器的制作方法

本公开涉及超冗余操纵器，如蛇臂或连续机器人。

背景技术：

超冗余操纵器为具有大量致动自由度的机器人。举例来说，要求在空间中放置和取向物体的机器人需要六个致动自由度，因此具有七个或更多个自由度的机器人相对于此任务冗余。

超冗余操纵器可用于在难以进入或有害区域中执行原位检测和/或修复活动。举例来说，超冗余操纵器可用于检测或修复燃气涡轮发动机内部的组件。在这类应用中，进入发动机的内部通常通过管道镜端口或通过风扇获得。因此，操控器的大小受到限制，并且因此需要将长距离与足够小横截面组合以适配通过这类特征部的操控器架构。

技术实现要素：

本发明涉及用于通过孔隙插入到关注区域中的超冗余操控器，和控制用于通过孔隙插入到关注区域中的超冗余操控器的方法。

超冗余操控器包括多个可单独锁定的区段，所述多个可单独锁定的区段中的每个包括具有相对于彼此可调节以便采取一种姿势的位置的多个节段。每个区段包含配置成在其中在相应区段中的节段的姿势被锁定的锁定状态与其中在相应区段中的节段的姿势未被锁定的解锁状态之间切换的相应锁定机构。提供多个致动器，其中的每个配置成用处于解锁状态的锁定机构，调节在区段中的节段的姿势。

超冗余操控器可通过用在每个区段中的相应锁定机构锁定一个或多个区段的姿势、用一个或多个致动器调节剩余区段的姿势来控制。

附图说明

现在将仅参考附图借助于实例描述本发明，所述附图纯粹为示意性的并且不按比例，并且其中：

图1示出燃气涡轮发动机，提供关注区域；

图2示出呈机器人形式的例示性超冗余操控器；

图3更详细地示出图2的机器人；

图4a和4b示出在机器人的臂中的区段的配置；

图5a和5b示出锁定机构；

图6a和6b示出夹持机构；

图7a到7d示出臂的例示性运动；

图8示出在图2中所示出的控制器的配置；

图9示出通过微控制器进行的步骤；

图10示出通过微控制器进行的步骤；

图11示出通过微控制器进行的步骤；

图12a和12b示出在机器人的臂中的区段的替代配置；和

图13a和13b示出沿图12b的c-c的横截面。

具体实施方式

涡扇类型的燃气涡轮发动机在图1中示出。

发动机101具有主和旋转轴线a-a，并且在轴向流动系列中包括进气口102、推进风扇103、中压压缩机104、高压压缩机105、燃烧设备106、高压涡轮107、中压涡轮108、低压涡轮109和排气喷嘴110。外罩111大体上包围发动机101并且限定进口102和排气喷嘴110两者。

发动机101以常规方式工作，使得进入进口102的空气通过风扇103加速以产生两个气流：进入中压压缩机104的第一气流和穿过旁路管道112的第二气流以提供推进力。中压压缩机104压缩引导到其中的空气流，之后再将所述空气递送到其中进行进一步压缩的高压压缩机105。

将从高压压缩机105排放的压缩空气引导到燃烧系统106中，在所述燃烧系统106中所述压缩空气与燃料混合并且燃烧混合物。然后所得热燃烧产物膨胀通过高压涡轮107、中压涡轮108和低压涡轮109并且由此驱动高压涡轮107、中压涡轮108和低压涡轮109，之后通过喷嘴110排放以提供附加推进力。高压涡轮107、中压涡轮108和低压涡轮109各自通过合适的互连轴分别驱动高压压缩机105、中压压缩机104和风扇103。

发动机101包含孔隙以有助于检查其中的关注区域。在此实例中，孔隙为管道镜端口113。在此实例中，关注区域为燃烧系统106。可在实践中提供另一管道镜端口以有助于进入其它关注区域，如压缩机和涡轮级。

如管道镜端口113等孔隙允许执行发动机101的常规检查和/或修复而不需借助从在飞行器上的其安装定位移除。然而，管道镜端口的数目和大小均受到限制，后者通常为约10毫米。因此有可能为了检查/修复在发动机101内的其它关注区域，有必要获得经由例如进口102等其它孔隙进入，并且通过压缩机级导引检查/修复设备。在两种进入情况下，检查/修复设备必须因此能够导航到关注区域的窄、长和迂曲路径。

根据本发明的一方面的例示性超冗余操控器在图2中说明，其呈机器人201形式。在此实施例中，机器人201大小适于经由管道镜端口113插入到燃气涡轮发动机101中。然而，应了解，通过机器人201实施的原理可在其它情况下应用，其中必须通过孔隙执行关注区域的检查，如检查在工厂中的管道系统、搜索和解救等。机器人201包括致动组202，从其延伸的为臂203。臂203具有与致动组202相邻的近侧端部204，和检查装置或修复器械（未示出）可附接到其的远侧端部205。举例来说，可附接相机用于使在燃气涡轮发动机内的组件成像，或替代地，可附接夹具用于比方说移除在燃气涡轮发动机内的残渣。

臂203通过致动组202移动以采取期望姿势。如在图中所示，姿势可为弯曲的。姿势可替代地为直线的或包含拐角，或其任何组合。应了解，可改变姿势以允许臂203绕过物体，如在燃气涡轮发动机内的组件。在一个实施例中，机器人201可配置成使得臂203为尖顶从动臂。

机器人201在图3中更详细地示出。在本实施例中，臂203包括多个可单独锁定的区段，在图3中从近侧端部204到远侧端部205标识为区段301、区段302和区段303。应了解，在臂203中的区段的精确数目取决于期望臂长度和所需冗余。因此，可包含较大数目的区段（通过在区段302与区段303之间的虚线区段指示）。替代地，可提供较少区段。

每个区段根据其姿势单独地可锁定以实现超冗余。为了有助于此，在本实施例中的每个区段包含在其中特定区段的姿势被锁定的锁定状态与其中特定区段的姿势可改变的解锁状态之间可切换的相应锁定机构。将参考图5a和5b描述在每个区段中的锁定机构。

虽然其中为了清晰起见省略锁定机构，但是致动组202和区段301、302和303的整体布置在图3中示出。

通过在此实施例中在致动组202中提供多个致动器有助于调节臂203的姿势。在本实施例中，提供三个致动器304、305和306以有助于在两个维度中调节姿势。然而，设想，如果仅要求仅在一个维度中调节臂的姿势，那么可提供两个致动器。

在本实例中，致动器303、304和305通过控制器306控制。将参考图8进一步详细描述控制器306。

在本实例中，致动器303、304和305为具有从其延伸的相应致动电缆307、308和309的电机驱动电缆线轴。可使用其它致动器布置，如在推/拉配置中各自具有从其延伸的两个致动电缆的两个致动器。

致动电缆在臂203的最终区段303的远侧端部205处终止。除了致动电缆之外，在其所附接到的区段301、302和303的中心中提供中心骨干310。在本实例中，骨干为柔性的，以允许臂203采取任何所需姿势。另外，在具体实施例中，骨干为中空的，以允许维修设施穿过其到附接到臂203的检查装置或修复设备的远侧端部205。这类维修设施可取决于进行的任务为电数据电缆、光纤、气体或液体导管。

通过将一个、一些或所有致动电缆缠绕入或出其线轴，可调节臂203的姿势。在本实施例中为了实现此的区段301、302和303的配置在图4a中示出。同样，为了清晰起见省略用于区段的锁定机构，如将参考图5a和5b描述。

参考图4a，每个区段（在此实例中区段301）包含多个（在此实例中五个）节段401、402、403、404和405。应了解，可取决于实施方案提供更多或更少节段。在本实施例中，节段401到405为圆盘形。在替代方案中可使用多边形形状。

在此具体实施例中，节段401到405以彼此间隔关系附接到骨干310。在此实施例中，骨干310为柔性管。在一个具体实施例中，骨干为镍钛诺管。其可替代地为橡胶管，或任何其它柔性材料。替代地，如果不需要携载维修设施，骨干可为杆，同样可能为镍钛诺或橡胶。在另一个实施例中，骨干可由多个刚性区段组成，每个节段分别用通用接头或连接区段的类似物附接到所述多个刚性区段。在其它替代实施例中，可使用不同骨干架构，如包含两个或更多个骨干的那些，其可帮助减少扭转。

参考图4b，在每个节段中，致动电缆307、308和309穿过相应孔隙406、407和408。另外，虽然在图中未示出，但是在本实施例中，致动电缆307、308和309在臂203的远侧端部305处的节段中终止。以此方式，在通过缠绕入或出其相应线轴调节每个致动电缆的长度时，可改变臂203的姿势。

如在图4b的具体实施例中标识，还在节段中提供孔隙409、410、411和412。这用于锁定机构。

根据本发明的实施例的锁定机构501在图5a和5b中示出，这是沿图4b的b-b的视图。锁定机构501用以在一个维度中锁定其所位于的区段的姿势。因此，在本实施例中，两个锁定机构501定位在每个区段中，每一个配置成在两个正交维度中的相应一个中锁定姿势。另外，在本实例中，相同锁定机构用于构成臂203的区段中的每个中。

锁定机构501包含源于区段301的第一节段401中的电缆502。电缆穿过在骨干310的一侧上的每个节段401到405中的每个孔隙409。在此实施例中，电缆环绕第二端部节段405并且通过在骨干310的另一侧上的每个孔隙410返回。如在图4a中所示，孔隙409和405直接彼此相对。

再次参考图5a，在此实例中，节段405包含在其孔隙409中的第一夹持机构503和在其孔隙410中的第二夹持机构504。夹持机构的配置将进一步参考图6a和6b描述。

再次参考图5a，操作夹持机构503和504以在控制器306的控制下夹持电缆502。电子或机械控制可能是经由通过骨干310布线的电缆（未示出）。替代地，如果例如骨干310为杆，或例如将所述杆保留用于其它维修设施的部署，那么这类电缆可通过在机器人201内的任何其它可能路线布线。

为了有助于锁定在区段的适当位置，将电缆502保持在张力下。在本实例中，通过布置成吸收在电缆中的松弛的定位在电缆502的每个端部处的相应弹簧505和506提供张力。在图5a和5b中说明的具体实例中，电缆502的每个端部包括相应弹簧抵靠其用以提供必需的张力的端盖。

因此，如在图5b中所说明，当区段为弯曲的时，电缆502的所需长度短于图5a的基本上直线的姿势。通过将电缆保持在张力下，在此实例中，弹簧505和506允许电缆502保持传授并且，在夹持机构503和504启动时，锁定在锁定机构501的平面中的区段的姿势。在说明的替代实施例中，可在沿电缆502延伸的其它位置（如其环绕节段405的地方）处提供另一张紧装置（如弹簧）。

在图5a和5b中说明的具体实施例中，节段401到404包含在其孔隙409和410中的相应夹持机构503和504，以及节段405。特别地如果高负载放置在臂203上，那么这进一步有助于锁定区段的姿势。

替代单个电缆502，在替代实施例中，可提供两个电缆，其各自在第二端部节段405处终止。借助在每个孔隙409和410中提供的夹持机构，这将有助于以类似于单个电缆502的方式锁定。

设想，在替代实施例中，锁定机构可包括在电缆502上可操作的离合器布置，其电或机械地启动以便允许在锁定与解锁状态之间切换。

夹持机构503的实施例在图6a和6b中示出。在本实例中，夹持机构504的配置相同。

在本实例中，夹持机构503包括配置成当加热时夹持电缆502的热机械形状记忆合金。在图6a和6b的具体实施例中，热机械形状记忆合金呈包围电缆502的螺旋线圈601形式。因此，在解锁状态中，在图6a中说明的，线圈601围绕电缆502松散。在加热时，如在图6b中所示，线圈601收缩，由此夹持电缆并且有助于锁定状态。

在一个实施例中，热机械形状记忆合金为镍钛诺，但是可使用其它热机械形状记忆合金。另外，在本实例中，热机械形状记忆合金的加热可通过焦耳加热（也就是说电流穿过其）的方式来实现。将参考图8进一步描述使用这类方法通过控制器306控制本实施例的夹持机构。应了解，可采用加热热机械形状记忆合金的其它方法。

如先前所描述，臂203包括多个区段，其中的每个为可单独锁定的并且包括具有相对于彼此可调节以便采取一种姿势的位置的多个节段。锁定机构定位每个区段中，其配置成在其中在相应区段中的节段的姿势被锁定的锁定状态与其中在相应区段中的节段的姿势未被锁定的解锁状态之间切换。致动器调节在解锁状态中的区段中的节段的姿势。图7a到7d说明这些特征如何使臂203改变形状。在此实例中，臂203包括三个区段：区段301、302和303。

最初，如在图7a中所说明，臂203处于直线状态。区段303为解锁的，而区段301和302仍然为锁定的。参考图7b，通过致动器303、304和305移动致动电缆是通过控制器306协同的以影响区段303的移动。在此第一移动后，如在图7c中所示，区段303为锁定的，并且区段301为解锁的。同样，致动电缆的移动影响区段301的移动，并且因此影响区段302和303相对于周围空间的移动。最后，参考7d，在此实例组的移动中，区段301同样为锁定的，而区段303为解锁的，并且致动电缆的移动同样影响区段303的移动。

控制器306的配置在图8中示出。在此实例中，控制器306包括联接到用于控制致动器的线轴的电路和组件的微控制器801（在802说明），和热机械形状记忆合金夹持机构（在803说明）。在本实例中，为在臂203中的每个区段提供用于控制致动器的线轴的相应组的电路和组件802。另外，在本实例中，为区段提供用于控制热机械形状记忆合金夹持机构的相应组的电路和组件803。

在本实施例中，微控制器801包括中央处理单元（cpu）804、随机存取存储器（ram）805和只读存储器（rom）806。rom806为可计算机可读指令提供非易失性存储器，所述计算机可读指令加载到存储器（ram805或在cpu806中的超高速缓存器）并且然后通过cpu执行。用于控制机器人201的指令可从计算机可读媒体807传输到rom806中，或通过例如经由网络连接或串口直接数据下载指令808。通过微控制器801进行的程序将进一步参考图9到11描述。

微控制器801进一步包括通用输入/输出引脚以有助于控制组件和电路802和803。具体来说，微控制器801联接到相应电机驱动器809，其驱动与在致动组202中的致动器的线轴811连接的电机810。在本实例中，每个线轴具有连接到其的与差分线路接收器813组合的编码器812，以提供关于线轴811的状态的数据回到微控制器801。这可允许例如电机的反馈控制，和/或致动电缆的张力的评估。

此外，微控制器801与相应放大器814连接，所述相应放大器814继而连接到在臂203的区段中的热机械形状记忆合金夹持机构中的每一个，在图中被标识为815。这允许控制夹持机构，并且因此在臂203中的锁定机构在编程控制下在锁定状态与解锁状态之间切换。

微控制器801的功能可通过类似计算装置，如现场可编程门阵列（fpga）、专用集成电路（asic）或运行提供存储在rom806中的指令的功能性的软件的个人计算机实现。

应进一步了解，微控制器801或其等效物可定位在致动组202内或在另一个位置处。

通过微控制器801进行的程序在图9中陈述。

在步骤901，微控制器801通电，并且在步骤902，询问关于是否已经安装用于控制机器人201的指令的问题。如果不是，那么控制前进到步骤903，其中从计算机可读媒体807或通过经由例如网络连接或串口直接数据下载指令808来安装指令。

在安装后，或如果对于结果在步骤902询问的问题回答为肯定，指令已经安装，那么在步骤904，微控制器801通过首先复位在臂203中的每个区段的位置开始操作。此过程包括反复地锁定和解锁每个区段并且操作致动器直到臂203采取已知姿势。以此方式，可相对于已知基线执行移动。

然后微控制器801等待直到它在步骤905接收输入，发指令给臂203以采取某一要求的姿势。因此，在步骤906，微控制器801根据那些输入移动臂203。在本实例中，输入可指定待采用的要求姿势，其中操作微控制器801以导出实现所需姿势要求的锁定、解锁的组合和致动电缆的移动。

一旦步骤906已完成，微控制器801等待在步骤905接收的另一输入，或当机器人201不再在使用时在步骤906断电。

在步骤906中进行的程序在图10中陈述。

在步骤905收到输入之后，微控制器801首先在步骤1001比较期望姿势与臂203的当前姿态。然后在步骤1002基，于当前与期望姿势之间的差异推导动作策略。在本实例中，以逐区段为基础，这涉及评估所需配置的改变和编译将实现相应区段的所需姿势的致动电缆的组合移动的列表。可通过组合多个区段的移动来实现更复杂的控制。

一旦已在步骤1002产生策略，输入循环，其中在步骤1003执行移动，直到没有剩余移动来执行，并且因此步骤1004关于是否需要任何更多移动的问题回答为否定。然后在步骤1005，微控制器801等待下一个输入直到一个输入到达或所述微控制器断电。

在步骤1003期间进行的程序在图11中陈述。

对于在区段中的每个移动，在步骤1102，首先，在保持静态的每个区段中的锁定机构放置到锁定状态。待移动的那些未锁定，因此保持处于解锁状态。

在步骤1103，致动电缆通过致动器的操作而移动，以便实现在当前重复期间移动的（一个或多个）区段所需的姿势。

步骤1003执行与在步骤1002中推导的策略所需的一样多的次数，直到臂203采取所需姿势，此时，在本实施例中，所有锁定机构进入锁定状态，以便在使用期间保持臂203静态。

举例来说，特别是如果臂203的其余部分的位置必须保持在某些界限之间，那么有可能特定区段可反复地解锁、移动，并且然后锁定。

设想机器人201的替代实施例，其中臂203不包括运行通过每个节段的骨干。实现此的一个配置在图12a和12b中示出，其中示出这类替代的臂的区段1201。

区段1201以类似于区段301、302和303的方式包括多个节段。在此情况下，提供五个节段1202、1203、1204、1205和1206。在其它实施例中可提供更多或更少的节段。参考图12a，与节段401到405之间的间隔关系对比，这些节段彼此相邻定位。参考图12b，节段包含孔隙1207、1208和1209以允许致动电缆307、308和309穿过其。

沿图12b的c-c的横截面在图13a中示出。如先前描述，节段1202到1206彼此相邻定位。在本实例中，区段1201配置成在两个维度中可移动。因此，节段包含协作弯曲表面，在两个维度中弯曲。在此实施例中，表面为球体的部分。如果区段1201仅需要在一个维度中移动，那么节段可替代地仅需要在一个维度中弯曲，并且因此其表面可为圆柱体的部分。

对于节段，使用弯曲协作表面允许其相对于彼此移动，如在图13b中所说明，其中致动电缆309的移动已影响节段1203到1206的相对移动。

在此实例中，区段1201包含运行通过节段的可压缩材料的锁定机构。在图13a和13b的具体实施例中，提供电缆1301，其锚定在第一端部节段1202中并且源于第一端部节段1202中，并且然后在其也锚定其中第二端部节段1206中终止。电缆1301并且轴向运行通过节段1203、1204和1205。因此当电缆1301缩短长度时，张力增大并且在节段1202到1206的协作表面之间的摩擦引起区段1201进入锁定状态，其中节段的相对移动不是有利的。在一个具体实施例中，可压缩的电缆1301为热机械形状记忆合金。合金可为镍钛诺或任何其它合适的材料。以此方式，当电流穿过时，电缆1301缩短。因此控制器206可实现区段1201的锁定和解锁。

所属领域的技术人员应了解，本发明的超冗余操控器有助于减少实现臂中的区段的移动所需的致动电缆的数目。因此，这降低致动组的复杂度，并且此外，在仅需要一组致动电缆穿过其时，区段的横截面积可仍然基本不变。

这与其中接近致动组的第一区段必须含有与可移动区段一样多组的致动电缆的先前技术方法对比。因此，本发明的超冗余操控器可因此承载更大数目的维修设施和/或比先前技术机器人制备的更长和/或制备的更细。