一種微型柔性機(jī)械臂內(nèi)窺式加工工具的運(yùn)動姿態(tài)和材料去除量研究.pdf

1、內(nèi)窺技術(shù)在醫(yī)學(xué)上是一種先進(jìn)而有效的無損或微創(chuàng)診療手段；在工業(yè)上也是一種應(yīng)用極廣的無損檢測手段，常用于探查人造腔穴、管道、容器內(nèi)壁以及各種組合體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工況。倘若賦予內(nèi)窺式工具一定的機(jī)械加工能力，那么就可以在不拆解不破壞被測物的前提下，直接對其內(nèi)部缺陷（如破損、裂紋、毛刺等）進(jìn)行修復(fù)處理，將“檢”與“修”合為一步完成，并去掉“拆”和“裝”這兩個費(fèi)時費(fèi)力的無用功環(huán)節(jié)，將無損檢測與修復(fù)徹底整合起來。
　　材料去除量是機(jī)械加工過程中最

2、重要的指標(biāo)之一。以打磨修復(fù)噴氣式引擎渦輪葉片上的一處細(xì)裂紋為例，為確保修復(fù)后的渦輪能在高速旋轉(zhuǎn)時保持平衡，須精確獲知修復(fù)過程中所去除材料的質(zhì)量。然而在柔性內(nèi)窺式工具的工作姿態(tài)和受力均未知的情況下，很難準(zhǔn)確地計算出加工過程中的材料去除量。同時，柔性內(nèi)窺式工具能否有效抑制材料去除過程中的有害振動也是決定它能否勝任修復(fù)任務(wù)的關(guān)鍵因素之一。
　　本文正是針對上述問題，以一款含有微型柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)窺式加工工具（在PENTAX ES-38

3、01醫(yī)用內(nèi)窺鏡基礎(chǔ)上改造而來）為主要研究對象，以假想的噴氣式引擎渦輪葉片裂紋修復(fù)作為內(nèi)窺式（研磨）加工的主要應(yīng)用場景，在深入分析柔性機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對其在靜力平衡條件下的工作姿態(tài)和加工作用力，以及加工時的動態(tài)穩(wěn)定性和材料去除量的測量、估計和預(yù)測做了創(chuàng)新性和探索性的研究。主要內(nèi)容為：
　　1.為獲取柔性機(jī)械臂的工作姿態(tài)，研究了現(xiàn)有的運(yùn)動姿態(tài)測量技術(shù)和系統(tǒng)的特點(diǎn)與不足，提出并搭建了基于機(jī)器視覺的可見光非侵入式運(yùn)動

4、姿態(tài)實(shí)時測量系統(tǒng)。針對可見光中的高光干擾，提出了一種改進(jìn)的色鍵過濾補(bǔ)償算法以提高該系統(tǒng)在非理想光照條件下的測量精度。使用二維相機(jī)校準(zhǔn)樣本對該測量系統(tǒng)的光路誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)并對其測量精度進(jìn)行了評估。結(jié)果表明該系統(tǒng)在150mm見方的視場中的二維測量精度優(yōu)于1mm；在同時跟蹤15個運(yùn)動目標(biāo)時，系統(tǒng)的采樣率可達(dá)25～30fps，達(dá)到了預(yù)期的測量需求。使用該系統(tǒng)測量了機(jī)械臂的運(yùn)動姿態(tài)，并將測量結(jié)果作為后續(xù)研究的參照和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.由于受

5、到微型柔性機(jī)械臂自身尺寸以及工作環(huán)境的限制，在內(nèi)窺式加工過程中無法通過現(xiàn)有方法和技術(shù)對機(jī)械臂的工作姿態(tài)進(jìn)行直接測量。在詳細(xì)研究機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)特性對其工作姿態(tài)的影響后，建立了自由條件下和靜力平衡條件下的機(jī)械臂運(yùn)動姿態(tài)估計模型和作用力估計模型，并提出了一種基于模型的間接測量方法，將確定機(jī)械臂運(yùn)動姿態(tài)所需的十個參變量減化為兩個，并通過一個 LVDT位移傳感器和一個微型載荷傳感器測出。通過實(shí)驗(yàn)對模型的輸出精度進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示在常工作空

6、間內(nèi)，機(jī)械臂位置估計誤差小于2mm，角度估計誤差在±4°以內(nèi)。在1～6N范圍內(nèi)，作用力估計誤差小于0.5N。
　　3.研究了微型柔性機(jī)械臂的動力學(xué)特性。利用再生理論和穩(wěn)定性葉瓣圖對內(nèi)窺式加工過程中可能出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象進(jìn)行了分析。提出了一個可用于在線式振動自動檢測的相對能量指標(biāo)R。利用該指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)窺式研磨過程中的早期振動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，R指標(biāo)對加工過程中的振動現(xiàn)象有著非常高的辨識靈敏度，對于穩(wěn)定工作時的加工參數(shù)變化卻不敏感，具有較

7、好的魯棒性。
　　4.研究了柔性內(nèi)窺式研磨加工過程中的能量分配和損耗，通過加工比能耗建立了材料去除量的分析經(jīng)驗(yàn)估計模型。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了該模型中的待定系數(shù)。并通過另兩組獨(dú)立加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可重復(fù)性和輸出精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型輸出的估計值與實(shí)際稱量值的變化趨勢吻合，平均相對誤差約為22％。
　　綜上所述，本文提出了對具有柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)窺式工具在機(jī)械加工過程中的工作姿態(tài)、作用力以及材料去除量進(jìn)行定量估計的方法，估計