基本信息
- 项目名称：
- 飞机油箱检测机器人制作
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 飞机油箱维修特点是维修时间长；空间狭小，维修难度大；环境恶劣，影响机务人员身体健康。因此，针对飞机油箱中的特殊环境，设计一种机器人，其本体结构能适应飞机油箱中的结构环境，能够在监控站进行无线遥控，并可将油箱中的图像信息无线实时传输。 本作品重点解决了机器人的结构、无线控制和图像采集等问题。
- 详细介绍：
- 飞机油箱检测机器人详细介绍 一、飞机油箱维修现状 飞机油箱渗漏维修在民航机务维修中一直是一个相当棘手的问题。飞机油箱维修过程：查外漏点、抽油、接近、通风、找漏源、补漏、干燥、关闭、加油、再次检查。由于工作环境恶劣，油箱内部结构复杂，操作空间小，燃油渗漏路径难以分析，内漏点很难确定，所以修补油箱工作往往需要很长的停场时间， 一般至少40个小时，如果漏油的位置找不准,则可能需要停场一周甚至半个月。 由于飞机油箱内空间狭窄，机务人员在里面工作异常艰难：身子不能伸直，也无法转身。此外，油箱中挥发的油气腐蚀性很强，除了对皮肤会造成灼伤外，还有中毒风险。在油箱里工作的员工，大多会出现不同程度的恶心、兴奋、疲劳、脱发等症状。 综上所述，飞机油箱维修特点是维修时间长；空间狭小，维修难度大；环境恶劣，影响机务人员身体健康。 二、飞机油箱结构特征 鉴于波音737飞机是中国航空公司的主力机型（截至2010年2月，数量603架），项目组主要考察了波音737系列的飞机油箱。 B-737系列飞机油箱由机身中央油箱、大翼两个主油箱和翼梢通气油箱组成（通气油箱目的是集中与机外通气，不装燃油），如图3(a)所示。这些油箱均是整体油箱，其中有组成油箱结构的桁条，是机器人在油箱中爬行的主要障碍。实际测量大翼油箱桁条高度45mm、宽度30mm、间距160mm，并且相互平行。大翼油箱由很多翼肋隔开，两翼肋间距离狭小，中间有油箱检查板，入口近似为椭圆形，长轴长45cm，短轴长25cm，是机务人员进入的通道（如图3(b)所示，虚线为翼肋，椭圆孔为入口）。图3(c)是中央油箱内部桁条结构，图3(d)是实际拍摄的B-737大翼油箱内部情况。 图3 飞机油箱结构 三、机器人检查飞机油箱基本思路 飞机油箱空间狭小，结构复杂，而且入口较小，因此，机器人的体积受到限制。机器人在油箱环境中爬行的主要障碍是桁条，B-737大翼油箱桁条高为45mm，对于一般的越障机器人来说不是太大问题，但油箱中桁条间距为16cm，连续分布，机器人即使能越过桁条，也会处于上下颠簸状态，不利于对油箱检测，且连续越障功耗较大。此外，由于桁条的存在，机器人在油箱中转弯很困难，不能实现在油箱中自如爬行。 为解决上述问题，机器人采用如下设计： ①机器人在桁条上爬行 机器人本体设计为能跨在三根桁条上，采用履带式结构，与桁条接触的履带长度为380mm。在运动时，机器人重心始终处于桁条上或两桁条间，能保证机器人在桁条上平稳爬行。 机器人采用在桁条上爬行方式解决了越障不稳定带来的问题，并且运行平稳，功耗较小。 ②机器人采用两套运动机构 为解决机器人在油箱中转弯困难的问题，设计了两套运动机构。机器人在桁条上纵向运动时，可以从车体中竖直放下一套运动机构，支撑起车体，进行横向运动（以机器人垂直桁条方向运动为纵向，平行桁条运动方向为横向）。 机器人进行纵向运动的机构称为纵向运动机构，进行横向运动的机构称为横向运动机构，完成两种运动转换的机构称为升降机构。横向运动机构采用轮式，在桁条间运动。桁条间比较平坦，轮式结构能够适应。两种方式通过升降机构切换，这样以来机器人只需纵向、横向和竖直方向的直线运动就能实现在油箱桁条结构环境中的爬行。机器人携带摄像机和无线视频发射器，能将飞机油箱中的场景图像无线传输到监控计算机上。设计一个监控界面，显示采集的图像信息，便于机务人员观察油箱情况。界面上设置机器人的控制按钮，能够远程无线控制机器人。 四、飞机油箱检测机器人系统 飞机油箱检测机器人系统由两大部分组成：载体系统和地面监控系统（如图4所示）。其中，载体系统包括本体平台、控制系统、图像采集系统和电源系统；地面监控系统主要是上位机界面，包括控制按钮和图像显示区（定义计算机为上位机，机器人本体上的嵌入式系统为下位机）。机务维修人员在监控站通过上位机界面按钮向机器人发送指令，机器人接收控制信号，执行相应的运动。机器人上的图像采集系统能将飞机油箱中的场景图像信息传送到监控站，可辅助机务人员进行检查。 1、飞机油箱检测机器人载体系统 A）本体平台 飞机油箱检测机器人样机如图5所示，其在制作的与B737-200飞机大翼主油箱桁条结构同比例的模型上实验。本体包括纵向运动机构、横向运动机构和升降机构三部分。 纵向运动机构为主体部分，由外壳、机器人骨架、驱动机构及运动控制部件组成。外壳采用环氧板材料，具有较宽大的内腔，可容纳控制系统、电源系统及驱动系统。驱动机构采用同步轮及双面同步齿形带构成的履带式结构，使得机器人能在桁条上稳步行进。运动控制部件由两套直流电机及联轴器组成，可调整机器人行走速度及方向（如图6所示）。 1、10 同步齿形轮 2、9 轴承座 3、8 联轴器 4、7 电机支架 5、6 直流减速电机 横向运动机构嵌套在纵向运动机构内部，由支撑架、轮子及运动控制部件组成（如图7所示）。支撑架采用环氧板材料，轮子采用尼龙材料制成，分为两个驱动轮和两个从动轮，其尺寸根据所跨的桁条的高度决定。运动控制部件由两套直流减速电机及伞齿轮传动机构组成。 升降机构连接在横向运动机构和纵向运动机构之间，由丝杠螺母机构组成，步进电机驱动，可控制横向及纵向运动机构的升降，具有切换执行机构的作用。 11 升降螺母 12 丝杠 13 光轴 14 直线轴承 15 上盖板 16 侧板 17 底板 18 轴承 19 从动轮 20 光轴固定座 21 直线步进电机 22 电机支架 23 直流减速电机 24 伞齿轮 25 主动轮 基于上述机构，机器人可进行纵向运动和横向运动，当进行纵向和横向运动的交替时，通过升降机构进行切换。 B）飞机油箱检测机器人控制系统 ①基于单片机的控制系统硬件 控制系统硬件是以单片机为核心的嵌入式系统，由电平转换部分、电机驱动部分、无线接收模块等构成外围电路（如图8所示）。采用Atmega16L单片机作为核心处理芯片，能直接输出PWM控制信号，使得对电机的调速控制变得简单。能实现纵横向机构的前进、后退、转弯、升降等功能，还可实现限位控制、摄像机水平旋转和俯仰调整等操作。驱动部分采用驱动芯片L298N和续流二极管构成H桥驱动电路。L298N的最大驱动电流可达2A，驱动能力较强。每个驱动芯片都有二极管续流电路，在电机停转时起保护电机作用。 ②控制系统软件 控制程序流程图如图9所示。上位机界面上按钮按下，计算机串口通过无线发射模块发送一个数据包，机器人电路板上的无线接收模块接收，传送给单片机。如果数据正确，开启中断，中断服务程序响应，由分支判断语句判断接收到的数据，并对应执行相应功能。 机器人要实现的运动控制有三部分：纵向运动、横向运动和升降运动。其中，纵向和横向运动包括前进、后退、左转、右转，并能进行加速和减速控制；升降运动包括上升和下降。纵向和横向运动各由两个直流减速电机实现，因此，需对电机进行控制。通过程序控制给两个电机均为正向电压（或反向电压），电机转动方向相同，机器人前进（或后退）；给两个电机一个正向电压、一个反向电压，则两个电机的转动方向相反，机器人原地转弯。升降运动是由直线丝杠步进电机实现，电机是两相四线，是通过给一定频率的脉冲来控制。 在升降过程中，通过限位开关和软件控制来实现升降的行程限定。如果升降机构碰到位于上面（或下面）的限位开关，启动中断，执行服务程序，再按上升（或下降）按钮则无作用，只能按下降（或上升）按钮才有效。 此外，能对机器人携带的摄像机进行水平旋转和俯仰控制。 C）飞机油箱图像采集系统 图像采集系统主要包括微型摄像机、无线视频收发模块、图像采集棒和照明灯组成，是维修人员进行缺陷检查的重要部件。摄像机采集飞机油箱中的信息，并通过无线视频发射模块将信息实时传送到监控站，监控站采用无线视频接收模块接收，并利用图像采集棒转成数字图像信号输入计算机，在上位机界面的图像区显示。摄像机可进行俯仰、水平旋转等操作，扩大了可视范围，可方便维修人员检查。照明灯是为了补充光照，有利于摄像机采集清晰图像。 D）机器人电源系统 机器人采用12V锂电池作为动力能源，而单片机和无线模块工作电压是5V，摄像机和无线视频发射模块工作电压是8V，因此，需要电平转换模块。系统采用LM317和78L05进行电压转换。 2、飞机油箱检测机器人地面监控系统 地面监控系统是一个用VC++开发的上位机软件，打开软件，其上可以看到图像区和控制按钮。图像区显示摄像机采集到的飞机油箱情况，操作人员通过观察图像就可以进行油箱检测，并对机器人进行相应控制。控制按钮分为摄像机控制按钮和运动控制按钮。摄像机控制按钮可以调整摄像机水平旋转和俯仰的角度，便于在油箱中检查；运动控制按钮是对机器人纵横向运动和升降运动控制。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计的目的 民航飞机油箱维修一般在抽油、通风后允许人工进入检查，油箱内作业不仅空间受限，而且油气和残油会对皮肤和呼吸系统造成伤害。为此，开发了飞机油箱检测机器人，其可在通风时到达油箱可疑部位，把视频信息传到地面监控站。作品的应用不仅可提高油箱检修效率，缩短飞机停场时间，同时还将避免维修作业造成的人身危害。 二、作品设计基本思路 针对飞机油箱中的特殊环境，设计一种机器人，其本体结构能适应飞机油箱中的结构环境，能够在监控站进行无线遥控，并可将油箱中的图像信息无线实时传输。 本作品重点解决了机器人的结构、无线控制和图像采集等问题。 三、创新点 1、提出使用机器人代替人进行飞机油箱检测 2、将轮履复合结构应用于飞机油箱检测 四、技术关键 1、飞机油箱多桁条环境中实现机器人行走 2、飞机油箱密闭环境下无线监控系统 设计了能对作业于飞机油箱密闭环境下的机器人进行无线控制的系统，并且能够在监控站接收机器人采集的油箱图像信息。 五、主要技术指标 飞机油箱检测机器人可以达到以下的技术指标： （1） 外形尺寸： 480mm×280mm×180mm（L×W×H）； （2） 机器人重量：小于8kg； （3） 行走速度： 最大20cm/s； （4） 连续运行时间：2小时； （5） 图像分辨率：800×600像素； （6） 无线监控距离：100m。
科学性、先进性
- 一、作品的科学性 飞机油箱空间狭小，维修困难，维修时间长，而且油气对人身体健康造成危害。而机器人体积小，运动灵活，不受油气环境影响，因此，使用机器人代替机务人员进行飞机油箱检测有其应用价值。 二、作品的先进性 设计了一种适应于飞机油箱结构环境的机器人本体结构，实现了在油箱密闭环境下对机器人的无线远程监控，能够在上位机界面上显示油箱场景图像。 目前，航空维修上尚无此类用于飞机油箱维修的机器人。机务人员进行飞机油箱检测必须先进行油箱放油、通风，油气浓度达到要求才能进入，需要很长时间。采用机器人可以在油气浓度很高时进入，减少通风时间。机器人可以到达人难以到达的狭小空间，并将油箱图像传输到监控站，机务人员不需进入就可进行油箱检查，提高了飞机油箱维修的效率。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年12月在中国民航大学第五届创新杯比赛中获得科技发明制作类一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、使用说明 使用该机器人进行飞机油箱检测时，将其通过油箱入口放入，并使机器人的纵向与油箱桁条垂直放置。在轮子均在桁条上时将横向机构放下，支起纵向机构，进行横向运动。机器人爬行偏斜时，进行适当的转弯运动，以校正姿态。 二、技术特点和优势 1、该机器人能够适应飞机油箱多桁条结构环境，并可通过监控站远程控制。 2、能够将飞机油箱中的场景图像信息传送到监控站，可辅助机务人员进行检查。 三、适应范围及推广前景 1、适应范围 飞机油箱检测机器人是一种专用于飞机油箱维修的特种机器人，用于协助机务人员进行飞机油箱维修。 2、推广前景 国内外现无相关成型产品，开发具有自主知识产权的飞机油箱检测机器人具有广阔的市场前景。 四、市场分析和经济效益预测 飞机油箱检测机器人能提高维修效率、改善机务人员工作环境，从而缩短飞机停场时间、降低经济损失，能给航空公司带来直接的经济效益。 由于目前国内外尚无用于飞机油箱维修的机器人，研发此产品有广阔的市场。
同类课题研究水平概述
- 2004年葡萄牙里斯本Taguspark科学园设计了robtank inspec自动检测工具，能够对充满危险液体的油罐进行检测。一个四轮并可以转向的小车吸附在油罐内壁上，利用其装载的超声波系统检测储油罐，在油罐外面有操作控制工具用绳与检测小车连接并控制小车位置。可以检测大型储油罐其内侧底部是否被腐蚀而造成泄漏，不用将油罐清空就可以实现。 2004年9月清华大学机器人与自动化实验室研制的大型油罐自动检测系统 TH Climber Ⅰ以磁吸附爬壁机器人为载体，将涡流检测技术应用于油罐检测，很好地解决了这一问题。与常规的无损检测设备相比，该系统引入了配有多传感器系统的智能机器人，在检测灵活性和可靠性上有不可比拟的优势。 2005年7月东华大学研制成功“空调管道清洗机器人”， 和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在9厘米高的台阶上上下下，能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统清除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。 2006年12月东北大学研究的球形管道机器人，将球形机器人的结构应用于管道爬行这一背景中设计的一种机器人。它利用了球形机器人运动全向性、转弯灵活的特点，解决了管道机器人中普遍存在的转弯困难、运动速度慢的问题。 2009年武汉亚伯兰机电设备有限公司设计的油烟管道清洗机器人是专门针对酒店、宾馆、学校、企事业单位等的油烟管道清洗的专用清洗机器人。其操作简单、清洗效率高。 从20世纪80年代起，国外就对小型履带式机器人展开了系统的研究，比较有影响的是美国的Packbot机器人、URBOT、NUGV和talon机器人。此外，英国研制的Supper Wheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZIMUT机器人、日本的Helios VII机器人都属于履带式机器人。我国对履带式机器人的研究也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的CLIMBE机器人、北京理工大学研制的四履腿机器人、北京航空航天大学研制的可重构履腿机器人等。 综上所述，国内外多家研究机构已研究了油气混合环境中进行作业的机器人，并已进行实际应用。而爬行在飞机油箱特殊环境内、进行油箱渗漏检查的机器人暂时未见相关报道。
