一種微型柔性機(jī)械臂內(nèi)窺式加工工具的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)物的前提下，直接對(duì)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(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的無用功環(huán)節(jié)，將無損檢測(cè)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(shí)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(jì)算出加工過程中的材料去除量。同時(shí)，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(dòng)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(duì)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(duì)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(chǎng)景，在深入分析柔性機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)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(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和材料去除量的測(cè)量、估計(jì)和預(yù)測(cè)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(dòng)姿態(tài)測(cè)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(dòng)

4、姿態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。針對(duì)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(cè)量精度。使用二維相機(jī)校準(zhǔn)樣本對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的光路誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)并對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明該系統(tǒng)在150mm見方的視場(chǎng)中的二維測(cè)量精度優(yōu)于1mm；在同時(shí)跟蹤15個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)的采樣率可達(dá)25～30fps，達(dá)到了預(yù)期的測(cè)量需求。使用該系統(tǒng)測(cè)量了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并將測(cè)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(duì)機(jī)械臂的工作姿態(tài)進(jìn)行直接測(cè)量。在詳細(xì)研究機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性對(duì)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(dòng)姿態(tài)估計(jì)模型和作用力估計(jì)模型，并提出了一種基于模型的間接測(cè)量方法，將確定機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)所需的十個(gè)參變量減化為兩個(gè)，并通過一個(gè) LVDT位移傳感器和一個(gè)微型載荷傳感器測(cè)出。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的輸出精度進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示在常工作空

6、間內(nèi)，機(jī)械臂位置估計(jì)誤差小于2mm，角度估計(jì)誤差在±4°以內(nèi)。在1～6N范圍內(nèi)，作用力估計(jì)誤差小于0.5N。
　　3.研究了微型柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性。利用再生理論和穩(wěn)定性葉瓣圖對(duì)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(gè)可用于在線式振動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)的相對(duì)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(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，R指標(biāo)對(duì)加工過程中的振動(dòng)現(xiàn)象有著非常高的辨識(shí)靈敏度，對(duì)于穩(wěn)定工作時(shí)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(jì)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(jì)值與實(shí)際稱量值的變化趨勢(shì)吻合，平均相對(duì)誤差約為22％。
　　綜上所述，本文提出了對(duì)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(jì)的方法，估計(jì)