基本信息
- 項目名稱：
- 飛機油箱檢測機器人制作
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 飛機油箱維修特點是維修時間長；空間狹小，維修難度大；環(huán)境惡劣，影響機務人員身體健康。因此，針對飛機油箱中的特殊環(huán)境，設計一種機器人，其本體結構能適應飛機油箱中的結構環(huán)境，能夠在監(jiān)控站進行無線遙控，并可將油箱中的圖像信息無線實時傳輸。 本作品重點解決了機器人的結構、無線控制和圖像采集等問題。
- 詳細介紹：
- 飛機油箱檢測機器人詳細介紹 一、飛機油箱維修現(xiàn)狀 飛機油箱滲漏維修在民航機務維修中一直是一個相當棘手的問題。飛機油箱維修過程：查外漏點、抽油、接近、通風、找漏源、補漏、干燥、關閉、加油、再次檢查。由于工作環(huán)境惡劣，油箱內部結構復雜，操作空間小，燃油滲漏路徑難以分析，內漏點很難確定，所以修補油箱工作往往需要很長的停場時間， 一般至少40個小時，如果漏油的位置找不準,則可能需要停場一周甚至半個月。 由于飛機油箱內空間狹窄，機務人員在里面工作異常艱難：身子不能伸直，也無法轉身。此外，油箱中揮發(fā)的油氣腐蝕性很強，除了對皮膚會造成灼傷外，還有中毒風險。在油箱里工作的員工，大多會出現(xiàn)不同程度的惡心、興奮、疲勞、脫發(fā)等癥狀。 綜上所述，飛機油箱維修特點是維修時間長；空間狹小，維修難度大；環(huán)境惡劣，影響機務人員身體健康。 二、飛機油箱結構特征 鑒于波音737飛機是中國航空公司的主力機型（截至2010年2月，數(shù)量603架），項目組主要考察了波音737系列的飛機油箱。 B-737系列飛機油箱由機身中央油箱、大翼兩個主油箱和翼梢通氣油箱組成（通氣油箱目的是集中與機外通氣，不裝燃油），如圖3(a)所示。這些油箱均是整體油箱，其中有組成油箱結構的桁條，是機器人在油箱中爬行的主要障礙。實際測量大翼油箱桁條高度45mm、寬度30mm、間距160mm，并且相互平行。大翼油箱由很多翼肋隔開，兩翼肋間距離狹小，中間有油箱檢查板，入口近似為橢圓形，長軸長45cm，短軸長25cm，是機務人員進入的通道（如圖3(b)所示，虛線為翼肋，橢圓孔為入口）。圖3(c)是中央油箱內部桁條結構，圖3(d)是實際拍攝的B-737大翼油箱內部情況。 圖3 飛機油箱結構 三、機器人檢查飛機油箱基本思路 飛機油箱空間狹小，結構復雜，而且入口較小，因此，機器人的體積受到限制。機器人在油箱環(huán)境中爬行的主要障礙是桁條，B-737大翼油箱桁條高為45mm，對于一般的越障機器人來說不是太大問題，但油箱中桁條間距為16cm，連續(xù)分布，機器人即使能越過桁條，也會處于上下顛簸狀態(tài)，不利于對油箱檢測，且連續(xù)越障功耗較大。此外，由于桁條的存在，機器人在油箱中轉彎很困難，不能實現(xiàn)在油箱中自如爬行。 為解決上述問題，機器人采用如下設計： ①機器人在桁條上爬行 機器人本體設計為能跨在三根桁條上，采用履帶式結構，與桁條接觸的履帶長度為380mm。在運動時，機器人重心始終處于桁條上或兩桁條間，能保證機器人在桁條上平穩(wěn)爬行。 機器人采用在桁條上爬行方式解決了越障不穩(wěn)定帶來的問題，并且運行平穩(wěn)，功耗較小。 ②機器人采用兩套運動機構 為解決機器人在油箱中轉彎困難的問題，設計了兩套運動機構。機器人在桁條上縱向運動時，可以從車體中豎直放下一套運動機構，支撐起車體，進行橫向運動（以機器人垂直桁條方向運動為縱向，平行桁條運動方向為橫向）。 機器人進行縱向運動的機構稱為縱向運動機構，進行橫向運動的機構稱為橫向運動機構，完成兩種運動轉換的機構稱為升降機構。橫向運動機構采用輪式，在桁條間運動。桁條間比較平坦，輪式結構能夠適應。兩種方式通過升降機構切換，這樣以來機器人只需縱向、橫向和豎直方向的直線運動就能實現(xiàn)在油箱桁條結構環(huán)境中的爬行。機器人攜帶攝像機和無線視頻發(fā)射器，能將飛機油箱中的場景圖像無線傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機上。設計一個監(jiān)控界面，顯示采集的圖像信息，便于機務人員觀察油箱情況。界面上設置機器人的控制按鈕，能夠遠程無線控制機器人。 四、飛機油箱檢測機器人系統(tǒng) 飛機油箱檢測機器人系統(tǒng)由兩大部分組成：載體系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)（如圖4所示）。其中，載體系統(tǒng)包括本體平臺、控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和電源系統(tǒng)；地面監(jiān)控系統(tǒng)主要是上位機界面，包括控制按鈕和圖像顯示區(qū)（定義計算機為上位機，機器人本體上的嵌入式系統(tǒng)為下位機）。機務維修人員在監(jiān)控站通過上位機界面按鈕向機器人發(fā)送指令，機器人接收控制信號，執(zhí)行相應的運動。機器人上的圖像采集系統(tǒng)能將飛機油箱中的場景圖像信息傳送到監(jiān)控站，可輔助機務人員進行檢查。 1、飛機油箱檢測機器人載體系統(tǒng) A）本體平臺 飛機油箱檢測機器人樣機如圖5所示，其在制作的與B737-200飛機大翼主油箱桁條結構同比例的模型上實驗。本體包括縱向運動機構、橫向運動機構和升降機構三部分。 縱向運動機構為主體部分，由外殼、機器人骨架、驅動機構及運動控制部件組成。外殼采用環(huán)氧板材料，具有較寬大的內腔，可容納控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及驅動系統(tǒng)。驅動機構采用同步輪及雙面同步齒形帶構成的履帶式結構，使得機器人能在桁條上穩(wěn)步行進。運動控制部件由兩套直流電機及聯(lián)軸器組成，可調整機器人行走速度及方向（如圖6所示）。 1、10 同步齒形輪 2、9 軸承座 3、8 聯(lián)軸器 4、7 電機支架 5、6 直流減速電機 橫向運動機構嵌套在縱向運動機構內部，由支撐架、輪子及運動控制部件組成（如圖7所示）。支撐架采用環(huán)氧板材料，輪子采用尼龍材料制成，分為兩個驅動輪和兩個從動輪，其尺寸根據(jù)所跨的桁條的高度決定。運動控制部件由兩套直流減速電機及傘齒輪傳動機構組成。 升降機構連接在橫向運動機構和縱向運動機構之間，由絲杠螺母機構組成，步進電機驅動，可控制橫向及縱向運動機構的升降，具有切換執(zhí)行機構的作用。 11 升降螺母 12 絲杠 13 光軸 14 直線軸承 15 上蓋板 16 側板 17 底板 18 軸承 19 從動輪 20 光軸固定座 21 直線步進電機 22 電機支架 23 直流減速電機 24 傘齒輪 25 主動輪 基于上述機構，機器人可進行縱向運動和橫向運動，當進行縱向和橫向運動的交替時，通過升降機構進行切換。 B）飛機油箱檢測機器人控制系統(tǒng) ①基于單片機的控制系統(tǒng)硬件 控制系統(tǒng)硬件是以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)，由電平轉換部分、電機驅動部分、無線接收模塊等構成外圍電路（如圖8所示）。采用Atmega16L單片機作為核心處理芯片，能直接輸出PWM控制信號，使得對電機的調速控制變得簡單。能實現(xiàn)縱橫向機構的前進、后退、轉彎、升降等功能，還可實現(xiàn)限位控制、攝像機水平旋轉和俯仰調整等操作。驅動部分采用驅動芯片L298N和續(xù)流二極管構成H橋驅動電路。L298N的最大驅動電流可達2A，驅動能力較強。每個驅動芯片都有二極管續(xù)流電路，在電機停轉時起保護電機作用。 ②控制系統(tǒng)軟件 控制程序流程圖如圖9所示。上位機界面上按鈕按下，計算機串口通過無線發(fā)射模塊發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，機器人電路板上的無線接收模塊接收，傳送給單片機。如果數(shù)據(jù)正確，開啟中斷，中斷服務程序響應，由分支判斷語句判斷接收到的數(shù)據(jù)，并對應執(zhí)行相應功能。 機器人要實現(xiàn)的運動控制有三部分：縱向運動、橫向運動和升降運動。其中，縱向和橫向運動包括前進、后退、左轉、右轉，并能進行加速和減速控制；升降運動包括上升和下降?？v向和橫向運動各由兩個直流減速電機實現(xiàn)，因此，需對電機進行控制。通過程序控制給兩個電機均為正向電壓（或反向電壓），電機轉動方向相同，機器人前進（或后退）；給兩個電機一個正向電壓、一個反向電壓，則兩個電機的轉動方向相反，機器人原地轉彎。升降運動是由直線絲杠步進電機實現(xiàn)，電機是兩相四線，是通過給一定頻率的脈沖來控制。 在升降過程中，通過限位開關和軟件控制來實現(xiàn)升降的行程限定。如果升降機構碰到位于上面（或下面）的限位開關，啟動中斷，執(zhí)行服務程序，再按上升（或下降）按鈕則無作用，只能按下降（或上升）按鈕才有效。 此外，能對機器人攜帶的攝像機進行水平旋轉和俯仰控制。 C）飛機油箱圖像采集系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)主要包括微型攝像機、無線視頻收發(fā)模塊、圖像采集棒和照明燈組成，是維修人員進行缺陷檢查的重要部件。攝像機采集飛機油箱中的信息，并通過無線視頻發(fā)射模塊將信息實時傳送到監(jiān)控站，監(jiān)控站采用無線視頻接收模塊接收，并利用圖像采集棒轉成數(shù)字圖像信號輸入計算機，在上位機界面的圖像區(qū)顯示。攝像機可進行俯仰、水平旋轉等操作，擴大了可視范圍，可方便維修人員檢查。照明燈是為了補充光照，有利于攝像機采集清晰圖像。 D）機器人電源系統(tǒng) 機器人采用12V鋰電池作為動力能源，而單片機和無線模塊工作電壓是5V，攝像機和無線視頻發(fā)射模塊工作電壓是8V，因此，需要電平轉換模塊。系統(tǒng)采用LM317和78L05進行電壓轉換。 2、飛機油箱檢測機器人地面監(jiān)控系統(tǒng) 地面監(jiān)控系統(tǒng)是一個用VC++開發(fā)的上位機軟件，打開軟件，其上可以看到圖像區(qū)和控制按鈕。圖像區(qū)顯示攝像機采集到的飛機油箱情況，操作人員通過觀察圖像就可以進行油箱檢測，并對機器人進行相應控制?？刂瓢粹o分為攝像機控制按鈕和運動控制按鈕。攝像機控制按鈕可以調整攝像機水平旋轉和俯仰的角度，便于在油箱中檢查；運動控制按鈕是對機器人縱橫向運動和升降運動控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、作品設計的目的 民航飛機油箱維修一般在抽油、通風后允許人工進入檢查，油箱內作業(yè)不僅空間受限，而且油氣和殘油會對皮膚和呼吸系統(tǒng)造成傷害。為此，開發(fā)了飛機油箱檢測機器人，其可在通風時到達油箱可疑部位，把視頻信息傳到地面監(jiān)控站。作品的應用不僅可提高油箱檢修效率，縮短飛機停場時間，同時還將避免維修作業(yè)造成的人身危害。 二、作品設計基本思路 針對飛機油箱中的特殊環(huán)境，設計一種機器人，其本體結構能適應飛機油箱中的結構環(huán)境，能夠在監(jiān)控站進行無線遙控，并可將油箱中的圖像信息無線實時傳輸。 本作品重點解決了機器人的結構、無線控制和圖像采集等問題。 三、創(chuàng)新點 1、提出使用機器人代替人進行飛機油箱檢測 2、將輪履復合結構應用于飛機油箱檢測 四、技術關鍵 1、飛機油箱多桁條環(huán)境中實現(xiàn)機器人行走 2、飛機油箱密閉環(huán)境下無線監(jiān)控系統(tǒng) 設計了能對作業(yè)于飛機油箱密閉環(huán)境下的機器人進行無線控制的系統(tǒng)，并且能夠在監(jiān)控站接收機器人采集的油箱圖像信息。 五、主要技術指標 飛機油箱檢測機器人可以達到以下的技術指標： （1） 外形尺寸： 480mm×280mm×180mm（L×W×H）； （2） 機器人重量：小于8kg； （3） 行走速度： 最大20cm/s； （4） 連續(xù)運行時間：2小時； （5） 圖像分辨率：800×600像素； （6） 無線監(jiān)控距離：100m。
科學性、先進性
- 一、作品的科學性 飛機油箱空間狹小，維修困難，維修時間長，而且油氣對人身體健康造成危害。而機器人體積小，運動靈活，不受油氣環(huán)境影響，因此，使用機器人代替機務人員進行飛機油箱檢測有其應用價值。 二、作品的先進性 設計了一種適應于飛機油箱結構環(huán)境的機器人本體結構，實現(xiàn)了在油箱密閉環(huán)境下對機器人的無線遠程監(jiān)控，能夠在上位機界面上顯示油箱場景圖像。 目前，航空維修上尚無此類用于飛機油箱維修的機器人。機務人員進行飛機油箱檢測必須先進行油箱放油、通風，油氣濃度達到要求才能進入，需要很長時間。采用機器人可以在油氣濃度很高時進入，減少通風時間。機器人可以到達人難以到達的狹小空間，并將油箱圖像傳輸?shù)奖O(jiān)控站，機務人員不需進入就可進行油箱檢查，提高了飛機油箱維修的效率。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010年12月在中國民航大學第五屆創(chuàng)新杯比賽中獲得科技發(fā)明制作類一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 一、使用說明 使用該機器人進行飛機油箱檢測時，將其通過油箱入口放入，并使機器人的縱向與油箱桁條垂直放置。在輪子均在桁條上時將橫向機構放下，支起縱向機構，進行橫向運動。機器人爬行偏斜時，進行適當?shù)霓D彎運動，以校正姿態(tài)。 二、技術特點和優(yōu)勢 1、該機器人能夠適應飛機油箱多桁條結構環(huán)境，并可通過監(jiān)控站遠程控制。 2、能夠將飛機油箱中的場景圖像信息傳送到監(jiān)控站，可輔助機務人員進行檢查。 三、適應范圍及推廣前景 1、適應范圍 飛機油箱檢測機器人是一種專用于飛機油箱維修的特種機器人，用于協(xié)助機務人員進行飛機油箱維修。 2、推廣前景 國內外現(xiàn)無相關成型產品，開發(fā)具有自主知識產權的飛機油箱檢測機器人具有廣闊的市場前景。 四、市場分析和經濟效益預測 飛機油箱檢測機器人能提高維修效率、改善機務人員工作環(huán)境，從而縮短飛機停場時間、降低經濟損失，能給航空公司帶來直接的經濟效益。 由于目前國內外尚無用于飛機油箱維修的機器人，研發(fā)此產品有廣闊的市場。
同類課題研究水平概述
- 2004年葡萄牙里斯本Taguspark科學園設計了robtank inspec自動檢測工具，能夠對充滿危險液體的油罐進行檢測。一個四輪并可以轉向的小車吸附在油罐內壁上，利用其裝載的超聲波系統(tǒng)檢測儲油罐，在油罐外面有操作控制工具用繩與檢測小車連接并控制小車位置?？梢詸z測大型儲油罐其內側底部是否被腐蝕而造成泄漏，不用將油罐清空就可以實現(xiàn)。 2004年9月清華大學機器人與自動化實驗室研制的大型油罐自動檢測系統(tǒng) TH Climber Ⅰ以磁吸附爬壁機器人為載體，將渦流檢測技術應用于油罐檢測，很好地解決了這一問題。與常規(guī)的無損檢測設備相比，該系統(tǒng)引入了配有多傳感器系統(tǒng)的智能機器人，在檢測靈活性和可靠性上有不可比擬的優(yōu)勢。 2005年7月東華大學研制成功“空調管道清洗機器人”， 和家用的吸塵器差不多大小，四個腳上有四條履帶，能夠在9厘米高的臺階上上下下，能順暢自如地爬到中央空調的各個角落，甚至到各種形狀的通風管道中清掃管道中的垃圾，并且通過視頻系統(tǒng)清除各個角落里的細菌、病毒，噴涂各種消毒液。 2006年12月東北大學研究的球形管道機器人，將球形機器人的結構應用于管道爬行這一背景中設計的一種機器人。它利用了球形機器人運動全向性、轉彎靈活的特點，解決了管道機器人中普遍存在的轉彎困難、運動速度慢的問題。 2009年武漢亞伯蘭機電設備有限公司設計的油煙管道清洗機器人是專門針對酒店、賓館、學校、企事業(yè)單位等的油煙管道清洗的專用清洗機器人。其操作簡單、清洗效率高。 從20世紀80年代起，國外就對小型履帶式機器人展開了系統(tǒng)的研究，比較有影響的是美國的Packbot機器人、URBOT、NUGV和talon機器人。此外，英國研制的Supper Wheelbarrow排爆機器人、加拿大謝布魯克大學研制的AZIMUT機器人、日本的Helios VII機器人都屬于履帶式機器人。我國對履帶式機器人的研究也取得了一定的成果，如沈陽自動化研究所研制的CLIMBE機器人、北京理工大學研制的四履腿機器人、北京航空航天大學研制的可重構履腿機器人等。 綜上所述，國內外多家研究機構已研究了油氣混合環(huán)境中進行作業(yè)的機器人，并已進行實際應用。而爬行在飛機油箱特殊環(huán)境內、進行油箱滲漏檢查的機器人暫時未見相關報道。
