连续体检测机器人及传感器接触点位置计算方法与流程

本发明涉及一种连续体检测机器人及传感器接触点位置计算方法，属于发动机检测技术领域。

背景技术：

发动机等精密设备内部集成度很高，有很多狭小的空间地带，其对安全性要求很高，并且需要定期检测以保证其安全性，发动机的检测具有代表性，所以本发明专利以此展开说明。

现有的发动机检测设备大多为离线式检测，需要对发动机进行拆解，将需要检测的目标零件取出，使用特定的检查设备进行检测。如图1所示为现有的使用专业设备对叶片裂纹进行检测：包括一个驱动臂，驱动臂是作为传感触头的驱动机构；一个传感器，传感器作为检测元件检测叶片表面裂纹；一个检测台，用于零件固定。在对叶片进行检测时，需要将发动机叶片进行拆卸并固定于检测台上，使用驱动臂控制传感器进行叶片表面裂纹检测。

如图2所示为自动化检测机械臂，能够代替人工进行自动化检测，包括用于安装机械臂的操作台，用于安装机械臂作为支撑平台，机械臂，用于操作检测工具和传感器设备，执行器，通常为具有特定功能的传感器。在使用时将检测设备运送至发动机处，通过操作机械臂进行检测，常作为外部检测时使用。

使用传统检测设备对发动机进行检测通常是离线式检测，需要将发动机进行拆卸，拆卸和安装的过程会耗费大量人力物力成本；另外，传统的自动化检测设备通常只能对设备表面或者外部进行检测，无法检测设备内部，对设备内部的检测仍需拆解设备，虽然能够保证发动机的安全性，但不利于经济效益。

其次，自动化检测设备虽然能够自由运动至所需位置进行检测，但在不拆卸发动机的情况下仅能够在发动机外部进行检测，无法检测发动机内部例如叶片和转子轴，为了能够进一步检测发动机内部，仍然需要将发动机进行拆解检测，同样会耗费大量的人力物力成本。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种连续体检测机器人，能够执行设备检测任务，在检测的过程中不要求对设备进行拆解就能够检测设备内部零件，能够实现在线检测，能够大大节省人力物力成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续体检测机器人，所述机器人包括移动平台、连续体机械臂、触觉传感器；所述移动平台用于将整个机器人移动到检测地点，所述连续体机械臂为柔性臂，所述柔性臂柔性臂安装于移动平台上，由驱动器阵列驱动，所述触觉传感器安装于柔性臂末端执行检测任务；所述驱动器阵列安装于所述移动平台内；

所述连续体机械臂为条状结构，其内部设有驱动绳索、能够形变并恢复的材料，所述驱动绳索连接在驱动阵列上，所述驱动绳索为对拉式结构，使连续体机械臂发生变形，从而实现运动，使触觉传感器在发动机内移动。

进一步的，所述连续体机械臂包括若干连续的机械单元；所述机械单元包括刚度弹簧、sma弹簧、刚度弹簧座、弹性柱以及支撑关节；相邻两个支撑关节之间通过弹性柱相连接，相邻两个支撑关节之间设有刚度弹簧，所述弹性柱和刚度弹簧呈正交方向分布；所述sma弹簧套装与所述刚度弹簧座上，所述刚度弹簧座镶嵌在所述支撑关节上，且其安装在所述刚度弹簧的连线上；所述驱动绳索贯穿连续体机械臂。

进一步的，所述触觉传感器安装于连续体机械臂的末端，所述触觉传感器的顶部外形为半球面形，所述顶部自内向外依次为第一绝缘橡胶层、敏感电阻材料层、第二绝缘橡胶层；其中，所述敏感电阻材料层为网状结构，在受力发生变形时，网状电阻材料受到拉伸变形变细，其材料的电阻值发生更为明显的变化，能够提高灵敏度；在所述敏感电阻材料层的的边缘设有若干电极，通过测量电极之间的极间电阻即可得到接触点位置。

进一步的，每个支撑关节分上下两面，两个面分别与其相邻的两个支撑关节之间通过之间通过刚度弹簧、弹性柱连接，两个支撑关节向对面为例：在两个相对的面上，对应位置分别设有滑槽，所述滑槽内设有sma弹簧，所述sma弹簧套装于刚度弹簧座上；在两个相对的面之间设有两个刚度弹簧和两个弹性柱，所述弹性柱和刚度弹簧两两呈正交方向分布，连接所述sma弹簧的两端分别与刚度弹簧固接；所述弹性柱的两端插入位于支撑关节上的开孔内；

所有的支撑关节以上述连接方式，并且刚度弹簧、弹性柱在同一方向上依次连接，所述支撑关节轴向中间设有空腔，所述空腔内连接数据线，所述数据线连接到触觉传感器上。

进一步的，所述移动平台包括驱动轮、舵机、支撑轮、电池、总控制器、电机阵列、电机阵列驱动器、绕线轮、支撑结构；其中，所述驱动轮有至少两个，安装于所述移动平台底部两侧，用于驱动整个移动平台移动；所述支撑轮安装于所述移动平台的底面；

所述移动平台上安装于若干电机，形成电机阵列，所述电机的输出端连接早绕线轮上，所述绕线轮在电机的带动下转动，所述绕线轮用于缠绕绳索；

所述总控制器、电机阵列驱动器、电池布局在移动平台的底部，所述总控制器与电机阵列驱动器之间电连接，所述电机阵列驱动器与电机之间有数据通讯，控制电机运作；所述电池给所述总控制器、电机阵列驱动器供电。

作为一种优选，在所述敏感电阻材料层的的边缘设有8个电极，各电极等间距均匀分布在敏感电阻材料的边缘上。

作为一种优选，所述电机阵列中包括6个电机组成的2*3阵型的阵列。

作为一种优选，所述内部为支撑基体，顶部的三层材料包裹在支撑基体内，所述支撑基体为刚性材料，用于支撑传感器结构。

本发明还提供上述连续体检测机器人的传感器接触点位置计算方法，所述方法为：将电极顺序编号，将1-8号电极分别与采集电路连接；

第一步，在传感器未接触物体时，分别向1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7、7-8、8-1八组电极施加电压激励v0，测量除施加激励电极外的其它各组相邻电极之间的极间电圧，然后根据测量到的数据计算传感器的敏感度矩阵；

第二步，在传感器未接触物体时，用与第一步同样的方式得到测量数据，以第一步计算得到的敏感度矩阵作为对比，即可计算出触摸点位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的检测机器人结构简单，控制灵活，能够在不拆解发动机的情况下实现发动机内部零件检测，能够进入一些狭窄和普通设备无法到达的区域进行检测，能够实现远程操作，减少人工干预，适合各类紧凑型设备的检测，能够大大节省发动机的检测时间，节省人力和物力成本，为自动化检测设备提供一种新的解决方案，进一步提高检测效率。

附图说明

图1为传统专业设备离线检测零件表面裂纹装置的结构示意图；

图2为传统自动化离线检测机械臂示意图；

图3为本发明连续体检测机器人的实施方式示意图；

图4为本发明连续体检测机器人的原理图；

图5为本发明中移动平台的结构示意图；

图6为本发明中触觉传感器剖面图；

图7为本发明图中触觉传感器的网状敏感材料层示意图；

图8为连续体机械臂的示意图；

图9为为连续体机械臂变刚度示意图；

图10为检测机器人使用触觉传感器对未知目标进行探测的过程框图；

图11为运动控制过程示意图；

图12为运动控制过程框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于此。

本发明所涉及的连续体检测机器人，由移动底盘1、连续体机械臂2、传感器3组成，连续体机械臂和驱动阵列安装于移动底盘上，连续体机械臂由驱动阵列驱动，传感器安装于连续体机械臂末端，用于执行检测任务。具体实施方式如图3所示。如图所示，一种连续体检测机器人，所述机器人包括移动平台、驱动器阵列、连续体机械臂、触觉传感器；所述移动平台用于将整个机器人移动到检测地点，所述连续体机械臂为柔性臂，所述柔性臂柔性臂安装于移动平台上，由驱动器阵列驱动，所述触觉传感器安装于柔性臂末端执行检测任务；所述驱动器阵列安装于所述移动平台内；

所述连续体机械臂为条状结构，其内部设有驱动绳索、能够形变并恢复的材料，所述驱动绳索连接在驱动阵列上，所述驱动绳索为对拉式结构，使连续体机械臂发生变形，从而实现运动，使触觉传感器在发动机内移动。

进一步的，所述连续体机械臂包括若干连续的机械单元；所述机械单元包括刚度弹簧、sma弹簧、刚度弹簧座、弹性柱以及支撑关节；相邻两个支撑关节之间通过弹性柱相连接，相邻两个支撑关节之间设有刚度弹簧，所述弹性柱和刚度弹簧呈正交方向分布；所述sma弹簧套装与所述刚度弹簧座上，所述刚度弹簧座镶嵌在所述支撑关节上，且其安装在所述刚度弹簧的连线上；所述驱动绳索贯穿连续体机械臂。

连续体机械臂末端安装触觉传感器，用来执行探测任务，连续体机械臂安装于移动平台之上，通过绳索由电机驱动阵列驱动，四条驱动绳索为对拉式结构，当不同绳索拉伸时连续体机械臂发生不同形变，四条驱动绳索耦合驱动，可以使连续体机械臂发生不同形式的变形，从而实现空间运动。如图8所示为连续体机械臂的示意图，最左侧为一个单元的拆解示意图，中间为多个单元组成的连续体机械臂，右侧为隐藏掉一个支撑关节各单元组合之后的示意图。连续体机械臂包括：刚度弹簧2-1，变刚度形状记忆合金sma弹簧2-2，刚度弹簧座2-3，弹性柱2-4，驱动绳2-5，支撑关节2-6。支撑关节2-6由两侧布置的弹性柱2-4相连接，每个支撑关节2-6之间的弹性柱2-4呈90度交错布置，在两个支撑关节2-6之间与弹性柱2-4相距90度的位置开有滑槽，变刚度sma弹簧2-2的两端分别安装刚度弹簧坐2-3，刚度弹簧坐2-3上安装刚度弹簧2-1，其中2-1、2-3、2-2相固联，并且放置于支撑关节2-6的滑槽当中。

本文所设计连续体机械臂具有变刚度的特点，可以通过驱动变刚度sma弹簧来调节机械臂的刚度，达到对其负载能力和控制精度的调节。变刚度sma弹簧2-2在不同温度下长度会改变，从而驱动刚度弹簧2-1靠近或者远离支撑关节轴心，当刚度弹簧2-1靠近支撑关节轴心时，连续体机械臂整体刚度变小，当刚度弹簧2-1远离支撑关节轴心时，连续体机械臂整体刚度变大，从而实现连续体机械臂变刚度的功能。另外连续体机械臂中心空腔能够用来布置传感器的走线。

图9所示为连续体机械臂变刚度示意图，弹簧2-1在连续体机械臂不发生弯曲的时候都有一定的压缩，以保证两端能够顶压在支撑关节内部的槽里，图9左侧为sma弹簧缩短时候的弯曲示意图，此时由于sma弹簧2-2缩短，弹簧2-1比较靠近连续体机械臂中心，刚度弹簧2-1距离连续体机械臂的中心距离l较小，此时整体刚度较小；图9右侧为sma弹簧伸长时候的弯曲示意图，此时由于sma弹簧2-2伸长，刚度弹簧2-1比较远离连续体机械臂中心，弹簧2-1距离连续体机械臂的中心距离l较大，此时整体刚度较大。

进一步的，所述触觉传感器安装于连续体机械臂的末端，所述触觉传感器的顶部外形为半球面形，所述顶部自内向外依次为第一绝缘橡胶层、敏感电阻材料层、第二绝缘橡胶层；其中，所述敏感电阻材料层为网状结构，在受力发生变形时，网状电阻材料受到拉伸变形变细，其材料的电阻值发生更为明显的变化，能够提高灵敏度；在所述敏感电阻材料层的的边缘设有若干电极，通过测量电极之间的极间电阻即可得到接触点位置。

如图6所示为触觉传感器剖面图，触觉传感器外形为半球面形设计，这样设计的好处在于能够在接触物体时同时得到测量点的三维坐标和接触点的法向量(由半球中心朝向接触点向外)，触觉传感器三维剖面结构如图所示，3-1为绝缘橡胶，主要起保护内部结构和接触变形作用，3-2为网状敏感电阻材料，网状结构相比于均匀电阻材料的优势在于：在受力发生变形时，网状电阻材料受到拉伸变形变细，其材料电阻能够发生更为明显的变化，能够提高灵敏度，3-3为传感器支撑基体，为刚性材料，能够支撑传感器结构，3-4为分布于传感器周围的8个电极，与敏感材料层保持良好接触，当传感器和物体发生接触时，接触点位置发生形变导致第2层向内部凹陷，导致网状电阻材料发生局部拉伸变形，从而局部电阻发生变化，通过测量周围8只电极之间的极间电阻即可得到接触点位置。

图7为触觉传感器的网状敏感材料层示意图，当某点受到按压的时候会发生局部変形，如图所示网状敏感材料受到拉伸局部会变细边长，从而局部电阻值增大，通过测量周围8个电极之间的极间电阻即可计算出受压位置。

作为一种优选，在所述敏感电阻材料层的的边缘设有8个电极，各电极等间距均匀分布在敏感电阻材料的边缘上。

具体的测量方式为：将1-8号电极分别与采集电路连接，第一步，在传感器未接触物体时，分别向1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7、7-8、8-1八组电极施加电压激励v0，测量除施加激励电极外的其它各组相邻电极之间的极间电圧，然后根据测量到的数据计算传感器的敏感度矩阵。第二步，在传感器未接触物体时，用和第一步同样的方式得到测量数据，以第一步计算得到的敏感度矩阵作为对比，即可计算出触摸点位置。

进一步的，每个支撑关节分上下两面，两个面分别与其相邻的两个支撑关节之间通过之间通过刚度弹簧、弹性柱连接，两个支撑关节向对面为例：在两个相对的面上，对应位置分别设有滑槽，所述滑槽内设有sma弹簧，所述sma弹簧套装于刚度弹簧座上；在两个相对的面之间设有两个刚度弹簧和两个弹性柱，所述弹性柱和刚度弹簧两两呈正交方向分布，连接所述sma弹簧的两端分别与刚度弹簧固接；所述弹性柱的两端插入位于支撑关节上的开孔内。

sma弹簧温度升降伸缩方式：用两条导线将连续体机械臂内部的sma弹簧两端连接组成并联式结构，通过向两条导线加一定驱动电流来控制sma弹簧温度上升或撤掉所加电流来实现sma弹簧温度下降，以此来控制sma弹簧的变形(由于和sma弹簧相连接的导线较细，图中并未画出)。

所有的支撑关节以上述连接方式，并且刚度弹簧、弹性柱在同一方向上依次连接，所述支撑关节轴向中间设有空腔，所述空腔内连接数据线，所述数据线连接到触觉传感器上。

进一步的，所述移动平台包括驱动轮、舵机、支撑轮、电池、总控制器、电机阵列、电机阵列驱动器、绕线轮、支撑结构；其中，所述驱动轮有至少两个，安装于所述移动平台底部两侧，用于驱动整个移动平台移动；所述支撑轮安装于所述移动平台的底面；所述移动平台上安装于若干电机，形成电机阵列，所述电机的输出端连接早绕线轮上，所述绕线轮在电机的带动下转动，所述绕线轮用于缠绕绳索；所述总控制器、电机阵列驱动器、电池布局在移动平台的底部，所述总控制器与电机阵列驱动器之间电连接，所述电机阵列驱动器与电机之间有数据通讯，控制电机运作；所述电池给所述总控制器、电机阵列驱动器供电。

如图5所示，移动平台包括两驱动轮1-5、舵机1-6、两支撑轮1-9、电池1-3、总控制器1-8、电机阵列1-2、电机阵列驱动器1-7、绕线轮1-1、支撑结构1-4。移动平台为两驱动轮、两支撑轮的形式(但不仅限于此形式)，通过两驱动轮的差速运动实现转弯，两支撑轮仅起支撑作用，舵机用于驱动移动平台两驱动轮旋转，电池为移动平台提供动力源，总控制器控制移动平台和与上位机通信，电机阵列用于驱动柔性臂，电机阵列驱动器用于驱动电机阵列，绕线轮用于柔性臂驱动绳的拉伸与放松，移动平台上为其它结构提供支撑作用。

作为一种优选，所述电机阵列中包括6个电机组成的2*3阵型的阵列。

本发明提供的发动机检测连续体机器人，该检测机器人结构简单，控制灵活，能够在不拆解发动机的情况下实现发动机内部零件检测，能够进入一些狭窄和普通设备无法到达的区域进行检测，能够实现远程操作，减少人工干预，适合各类紧凑型设备的检测，能够大大节省发动机的检测时间，节省人力和物力成本，为自动化检测设备提供一种新的解决方案，进一步提高检测效率。

特征匹配方法：

在执行发动机检测任务的时候，由于发动机转子位置是未知的，造成检测机器人进入发动机内部通路未知。为了更好地对机器人前进通路进行路径规划，需要对转子位置进行定位，为了得到转子位置信息，需要使用连续体检测机器人端部的触觉传感器进行环境识别，识别方法如下：

检测机器人使用触觉传感器对未知目标进行探测，多次探测之后得到目标的点云模型，由于目标的标准模型已知，通过将探测得到的点云模型与目标的标准点云模型做匹配可以得到目标的空间姿态信息。方法如下：

假设探测到的目标点云模型和标准点云模型三维点集分别为p和q，进行模型匹配主要分为以下几个步骤：

第一步，计算q中的每一个点在p点集中的对应的最近点；

第二步，求得使上述对应点对平均距离最小的变换关系，求得平移参数和旋转参数；

第三步，对q使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集q1；

第四步，如果新的变换点集q1与参考点集满足两点集的平均距离小于给定的阈值，则停止计算，否则变换点集q1作为新的q重复步骤一继续迭代，直到达到阈值的要求，则停止迭代。

下式为两个点云之间误差的目标函数，表示待匹配点云经过平移和旋转变换之后和标准点云所有点之间的最小距离差值。

完成两点云之间的匹配之后，可以得到两点云之间的平移矩阵t和旋转矩阵r，标准点云的各特征参数都为已知，通过平移矩阵和旋转矩阵即可得到待测点云的特征参数，过程框图如

图10所示。

运动控制方法：

为了能够使检测机器人末端执行器能够顺利到达目标位置，在进行了路径规划之后需要控制检测机器人运动至目标位置，在此提出控制帧算法来进行运动控制。

如图11所示为运动控制过程示意图，运动过程中，连续体机器人后续部分沿前一部分的路径运动，可以延续前部分的配置方式。假设每一帧机器人向前运动距离为w，路径总长为l，那么需要运动的帧数为l/w，图8四个示意图分别为连续体机器人运动至路径第一段某一位置，路径第一段末尾、路径第二段某一位置和完成所有运动时的示意图，过程框图如图12所示。

以上对本发明所提供的光伏组件包装工装进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。