CN111716349B - 探针引导 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于将超冗余机械手探针改进地引导到受限空间中的技术，该技术利用了探针所***的空间的已知特性来增加探针的路径的计算效率。本发明的实施例通过优化函数来实现这一点，该优化函数确定新定向，其最小化以下各项之间的偏差：a）探针上的探针开始跟随受限空间内限定的曲线的点和初始点，和b）探针的远端和所述限定的曲线。

Description

探针引导

技术领域

本公开涉及探针和引导探针的方法。特别地但非排他地涉及例如用于检查目的引导探针，探针为超冗余机械手。

背景技术

诸如燃气涡轮引擎的复杂机器通常在其结构内具有难以进入的区域，在该区域中人不可能视觉地检查或执行维修，或者甚至不可能利用简单的手持探针检查或到达。由于机器结构的复杂性和保持完整性的期望，通常不可行的是移除阻止进入的部件，或构建进入口和检查点。例如，燃气涡轮引擎的燃烧室需要定期检查故障，但是在不进行复杂且昂贵的拆下的情况下，则只能由远程探针到达。

在这种复杂或受限的环境中，超冗余机械手通常用于检查或最小侵入维修（以及其他任务），它们可以通过“蛇行”进入环境中。这些机械手具有大量的自由度，并且具有与触手或蛇类似的形态。常见的设计使用重复的关节结构，其可以或者是“连续的”（一个或多个柔性杆或弹簧）或者是“离散的”（一系列具有多个自由度的关节，由刚性臂元件连接）。

因为这种机械手对于它们的灵活性和到达任何目的地的能力依赖于其移动的冗余性，所以对其运动的控制非常困难且计算上高度复杂，因为需要大量的逆运动学计算。

导航这种机械手的一种方法是“尖端跟随”过程，例如如在Palmer,D.、Cobos-Guzman,S.和Axinte,D.的：“Real-time method for tip following navigation ofcontinuum snake arm robots”，机器人与自主***，2014年，第62卷，第（10）期，第1478-1485页（“Palmer等人”）中所述，其内容通过引用并入此处。在尖端跟随中，机器人臂在其进一步前进到空间中时尝试保持期望的路径（或先前行进的路径）。尖端跟随将臂的尖端作为自由移动的点。当此点沿期望的方向移动（前进或缩回）时，算法计算机械手的新布置，该布置可将尖端移动到新位置，同时最小化臂的其余部分与先前行进的路径的偏差。

如果该算法可以进行得足够快，则可以“飞一样”完成尖端跟随，换句话说，就是随臂的移动完成尖端跟随。为了实现不间断的实时移动，该算法需要能够在不多于执行先前改变所花费的时间内确定臂的新布置。

然而，即使是诸如以上参考文献中描述的优化的尖端跟随过程在计算上仍然非常复杂，以及因此在不部署大量计算资源的情况下，就可能难以以所需的速度完成必要的计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于探针的引导过程以及使用该过程的探针，其在计算上更有效。

本发明的另一个目的是提供一种用于探针的引导过程以及使用该过程的探针，其在跟随期望的路径时可以更准确或精确。

在其最广泛的意义上，本发明的方面提供了一种探针和引导该探针的方法，其利用了探针所***的空间的已知特性。

本发明的第一方面提供了一种用于在受限空间内部引导探针的方法，其中所述探针是超冗余机械手，其包括在受限空间内部可在近端和远端之间延伸的多个可独立定向的连接的段，所述方法包括以下步骤：确定：探针与预定曲线相交的初始点，所述预定曲线限定所述空间内的圆或部分圆；以及探针在受限空间的表面上的进入点与初始点之间的初始弯曲；并重复地：确定所述段的新定向，其导致远端前进到所述曲线上的新位置，确定新定向以便使以下a）和b）的加权和最小化：a）探针上的探针开始跟随所述曲线的点和初始点之间的偏差，和b）探针上的比探针开始跟随所述曲线的点更靠近远端的点和所述曲线之间的偏差；以及，将所述段的定向调整为所述新定向，并使探针前进以便使远端位于新位置。

本发明的第二方面提供了一种用于进入受限空间的探针***，所述探针***包括：超冗余机械手，其具有可在近端和远端之间延伸的多个可独立定向的连接的段；和控制器，其中所述控制器被布置为通过以下步骤控制所述段的定向以便将所述远端定位在期望的位置中：确定：探针与预定曲线相交的初始点，所述预定曲线限定所述空间内的圆或部分圆；以及探针在受限空间的表面上的进入点与初始点之间的初始弯曲；并

重复地：确定所述段的新定向，其导致远端前进到所述曲线上的新位置，确定新定向以便使以下a）和b）的加权和最小化：a）探针上的探针开始跟随所述曲线的点和初始点之间的偏差，和b）探针上的比探针开始跟随所述曲线的点更靠近远端的点和所述曲线之间的偏差；并且向机械手发送致动信号以便使得将所述段的定向调整为所述新定向，并使探针前进以便使远端位于新位置。

本发明的另一方面提供了用于在执行以上第一方面的方法的计算机***上运行的计算机程序。

以上方面提供了一种用于在某些受限空间中引导探针的移动的新方法。这种方法利用空间的已知几何特性来减少所需的计算的复杂性，这可以继而导致计算和移动的增加的速度和/或引导的增加的准确性。

以下可选和优选特征可以与以上方面中的任何一个组合使用，并且可与一些、全部或没有相应特征的任何组合组合。

探针上的在b）中其偏差与曲线比较的点可以是探针的远端。

优选地，确定新定向和调整机械手的步骤是实时地或基本实时地执行的。这里的“实时”是指，确定步骤所花费的时间量与调整步骤所花费的时间量相同或更少，或者换句话说，机械手的移动速度不受计算的约束，但是，它可以以受制于其自身的物理约束和/或任何由操作者可能施加的任何其他约束（例如，允许足够的时间用于期望的检查或动作）的速度移动。“基本上实时”是指，机械手的移动中由于确定步骤的执行而产生的滞后或停顿对操作者而言是不明显。

探针可以在远端处携带末端受动器。将通常基于探针的期望的（多个）功能选择末端受动器。末端受动器可以是可互换的。

例如，末端受动器可以包括诸如视觉***的检测器（例如，相机），并且还可以包括可以照亮空间内部的照明源（诸如灯），以便允许检测器获得反射照明。尽管视觉***大部分将在可见光谱中操作，但应理解，取决于探针所***的空间以及使用探针的目的，可以使用在其他光谱（例如，热感相机）或电磁光谱（例如x-射线）的其他范围中操作的相机/记录设备和其他检测器。末端受动器可以包括不具有任何直接对应源的检测器。因为该源可以位于空间的外部，或者可以将检测器布置为检测来自空间自身的壁的辐射。

如本领域中已知的，末端受动器可以替代地或附加地包括夹具、机械手、空气喷嘴、高速主轴等。这样的末端受动器可以用于与空间的壁或与空间内部的其他对象相互作用。

受限空间可以是环形的，使得其具有旋转轴线。在这种情况下，曲线可以是围绕环形空间的旋转轴线的圆或部分圆。

受限空间可以是引擎（诸如燃气涡轮引擎）的一部分。例如，受限空间可以是燃气涡轮引擎的燃烧室。

曲线可以限定空间的中点。例如，在空间是环形的情况下，曲线可以等距定位在环形的内表面和环形的外表面之间。在探针旨在用于空间的一般检查的情况下，这可能是有用的。可替代地，曲线可以紧密地跟随空间的表面之一。在期望细致检查空间的表面或期望或可能期望与该表面进行物理相互作用的情况下，这可能是有用的。例如，在空间是环形的情况下，可以将曲线选择为距空间的内表面或外表面预定的距离。

进入点可以是探针进入受限空间处的点。例如，进入点可以是进入舱口或孔口。进入点可以在限定受限空间的任何表面上。

探针可以进一步包括用于使探针前进的馈入机构。可以提供馈入机构用于使探针沿朝向或穿过进入点的限定的路径的线性前进。

尽管探针可以在每个段上具有单独的致动器，但是其优选地具有主致动机构，该主致动机构位于近端处或在近端附近，并且该主致动机构或者联接到每个段上的致动器或者直接驱动每个段的运动。这减轻了探针本身的重量，因此需要较少的力来操作它。

本领域技术人员将理解，除了相互排斥的情况以外，关于以上方面中的任何一个方面描述的特征可以加上必要的变更应用于任何其他方面。此外，除了相互排斥的情况以外，本文中描述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式来描述实施例，其中：

图1是诸如可以使用本发明的实施例进行检查的燃气涡轮引擎的剖面侧视图；

图2示出了根据本发明的实施例的探针；

图3是燃气涡轮引擎的燃烧室的示意性剖视图，其示出了如何可以使用根据本发明的实施例的探针；

图4示出了如何可以确定图3的燃烧室中的探针的期望路径；

图5示出了根据本发明的实施例的探针的布置；

图6是示出如何使根据本发明的实施例的探针前进穿过空间的一系列图像；以及

图7是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，燃气涡轮引擎总体以10指示，其具有主和旋转轴线11。引擎10包括沿轴流系列的进气口12、推进风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、中压涡轮机18、低压涡轮机19和排气喷嘴20。机舱21通常围绕引擎10并限定进气口12和排气喷嘴20两者。

燃气涡轮引擎10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气由风扇13加速以产生两个空气流：进入中压压缩机14的第一空气流以及穿过旁路管道22的第二空气流，以提供推进力。在将该空气递送到高压压缩机15之前，中压压缩机14压缩被引导到其中的空气流，在高压压缩机15处发生进一步的压缩。

从高压压缩机15排出的压缩空气被引导到燃烧设备16中，在燃烧设备16中压缩空气与燃料混合并且混合物燃烧。然后所产生的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前膨胀通过并由此驱动高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19，以提供附加的推进力。高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19各自由合适的互连轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

本公开可以应用于的其他燃气涡轮引擎可以具有替代配置。举例来说，这种引擎可以具有替代数量的互连轴（例如，两个）和/或替代数量的压缩机和/或涡轮机。此外，引擎可以包括变速箱，该变速箱被提供在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动链中。

诸如图1中所示的燃气涡轮引擎的燃气涡轮引擎通常具有多个空间，这些空间是人类操作者或机械师无法进入的，或者其进入非常受限制。特别地，除了通过“拆下”引擎和移除各种组件以便准许进入之外，由机械师进入燃气涡轮引擎10的（多个）燃烧室16可能是不具有可行性的。这样的“拆下”（以及随后的重建）是一个漫长且复杂的过程，并且不适合例行检查或维护任务。然而，重要的是要定期检查引擎的区域（诸如（多个）燃烧室）的任何磨损或不规则性。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的形成探针***的一部分的超冗余机械手30。超冗余机械手30具有四个主部件：臂32、末端受动器34、致动机构36和馈入机构38。

末端受动器34位于臂32的远端处，并取决于要使用探针的情况进行选择。例如，末端受动器34可包括视觉***（例如，相机设备或类似设备，以及可选地照明设备）、夹具、高速主轴等中的一个或多个。末端受动器34可以是可互换的，使得同一探针***可用于多种目的。

致动机构36位于臂32的近端处。该机构通过将驱动信号发送到位于每个部分上和/或每个部分之间的单独致动器，或者通过操作物理地连接到每个部分（例如，气动、液压或由线缆）的致动器来驱动臂32的移动。通过将致动机构36安装在近端处，可以使致动机构36（或其至少一部分）保持远离臂32的移动部件，由此减轻了臂的重量并使其运动更容易。

馈入机构38允许臂32的前进（和缩回）。馈入机构38提供了臂沿初始轨迹（图2中所示的臂的定向）的准确线性前进。一系列馈入机构在本领域中是已知的，并且这里将不再进一步讨论。

臂32被分成多个不同的部分33。每个部分具有两个自由度，并且可以形成为与直线轴成直到预定的最大角度（通常受部分33的设计限制，最大约为90^o或π/2）的任何角度（称为θ）的曲线。此外，该部分可以形成该弧，使得该部分的尖端对向与垂直于直线轴的轴成任何期望的角度（称为φ）。

图2中描绘的臂32可以或者是离散设计或者是连续设计。由于臂的具体设计的细节在本领域中是众所周知的，因此在此不进一步描述。

图3示出了诸如图1中所示的燃气涡轮引擎的燃气涡轮引擎的燃烧室16的示意性剖视图。为简单起见，形成燃烧室16的圆环形状的主侧的外壁和内壁被示出为一对成角度的环16a，16b。示出的臂32从外壁16b中的进入口40延伸到燃烧室16中。

为了执行燃烧室16的一般检查，期望使探针的臂（其例如可以具有位于其远端或尖端处的光源和相机，以便执行该检查）围绕在圆形路径C，圆形路径C是内壁16a和外壁16b之间的中路。由于燃烧室16的圆环形状，该路径是良好限定的并且具有恒定的曲率。

因此，如图4中所示，臂32的路径可分为两段。第一段通过外壁16b中的进入口40进入，并弯曲84.4^o的初始角度以到达初始点p₁，在该点它与路径C相交。第二段是臂32的其余部分，其跟随具有恒定的曲率（在这种情况下，与第一段的曲率相反）的路径C，使得每个部分弯曲9.12^o的角度。

初始角度和初始点p₁将取决于多个因素，包括进入口40的位置、进入点与路径C之间的距离以及臂的后续第二部分的方向。然而，对于环形空间的内壁或外壁上的进入口40，它可能会略低于或超过90^o。初始角度可以手动地确定，或者可以根据相关因子的输入来计算。

为了使臂32沿路径C前进，使用尖端跟随方法（“曲线跟随”，因为尖端将始终跟随弯曲的路径C），采用了优化过程，该过程用于驱动致动机构36并使臂32和尖端沿路径C前进。图5示出了用于优化的参数。当臂32前进时，驱动算法的目的在于通过调整部分A和B（即臂32的尚未跟随路径C的部分；已经跟随路径C的远端部分可以保持其现有配置，因为它们将仅沿路径圆周地平移）的弯曲来保持远端部分相对于期望曲率的弯曲。这是通过最小化两个坐标中的误差来实现的：远端部分的起点（p₁–初始点）和终点（p₂）（尽管可以理解的是，由于臂跟随固定曲线，可以选择曲率恒定的区域内的其他点代替终点）。由于路径C的曲率在整个导航中是均一的，因此可能只计算一个部分的长度的前进值，因为该过程可以在整个臂的长度内重复。

图6示出了使用下面更详细描述的优化过程的臂的进程的初始阶段的模拟。粗线是臂的期望路径，而较细的路径是臂的实际路径。臂的部分之间的连接由点描绘。如在先前的附图中，虚线示出了它期望跟随的路径C。

起点是图5的配置，其中臂的两个部分在腔室内部。图6中的附图示出了在臂的下一个完整部分被引入时臂32的进程。可以看出，远端部分（p₂）在其沿路径C前进时紧密跟随路径C，但是随着部分被引入，被引入腔室中的部分与期望的路径存在一些偏差，随着完整部分被引入，该偏差减小。

现在将描述用于确定臂32的定位和定向的示例优化过程。然而，将理解，可以使用其他优化过程。

众所周知，优化过程的有效性在很大程度上由目标函数的限定来确定。为超冗余机械手创建目标函数的主要问题在于，优化函数必须既包括尖端位置的准确性（其通常相对简单），又包括臂的其余部分与期望的路径的偏差（其不是那么简单）。

然而，在本实施例中，可以简化目标函数，因为它仅依赖于路径与点p₁和p₂的比较。因此，对于由于臂在基部处线性前进δb而导致的尖端的每次前进δp，目标函数可以写为：

其中P₁（x）和P₂（x）是在臂的基部处前进为x时点p₁和p₂的计算位置。α和β是加权系数，其用于调整目标函数的性能。通常，由于尖端的位置比臂的中间布置重要得多，因此β将选择成比α显著大（例如，大一个数量级），但这可能取决于情况而变化（例如，在特别是在受限的进入情况下，p1的偏差可能是不期望的，以及因此权重可能会更均匀，或者甚至反过来）。

然后可以将目标函数用于诸如跟随的移动算法中，该算法也在图7中进行了示意性描述。在方框“a”中，初始化了相关参数（诸如，臂中的部分的数量和初始角度）。可选地，在方框“b”中，提供了用户输入，该用户输入决定是期望将臂向前移动（进一步进入腔室）还是期望使臂后退和收回以及移动多远。在向前运动的情况下，这确定了δp的值，并且进行优化以找到臂的部分的新布置。可替代地，如果用户希望后退，则从先前布置的存储器（诸如存储设备）中找回先前的定向。一旦通过优化函数已经确定了新布置，就将适当的指令发送到致动机构，并且将位置信息记录在存储设备中以用于将来参考（方框“d”）。然后，***验证另一步骤是否可行，或者是否应该由馈入机构将下一部分添加到臂（方框“e”）。然后从初始移动决定点重复该循环。

作为对依赖于两个导航点可以做出的优化过程的简化的结果，优化步骤（其为速率限制的步骤）的计算负担相比于例如Palmer等人制定的没有这种约束的类似方法获得了显著的性能改进。

控制超冗余机械手的性能改进可以采取两种形式：更快的计算可以允许尖端以相同的准确性更快的移动/进程；或者更快的计算可能意味着通过考虑更大范围的可能配置或通过使用更小的增量前进（以上描述中的δp）来检索更准确的解决方案。

通过比较Palmer等人的尖端跟随方法与本实施例的方法的性能，发现使用相同的增量的本实施例的优化步骤花费了Palmer等人的优化步骤所花费的时间的大约20％。

此外，一旦已经确定了使臂的整个部分前进到目标空间中的移动模式，可以存储特定的前进δp的每个局部步骤的定向并将其用于下一个段的***，而不是重新计算。

将理解，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除相互排斥的情况外，任何特征可单独采用或与任何其他特征组合采用，并且本公开延展至并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (9)

1.一种用于在受限空间内部引导探针的方法，其中所述探针是超冗余机械手(30)，所述超冗余机械手(30)包括在所述受限空间内部可在近端和远端之间延伸的多个可独立定向的连接的段，所述方法包括以下步骤：

确定：所述探针与预定曲线(C)相交的初始点(p₁)，所述预定曲线(C)限定所述空间内的圆或部分圆；以及所述探针在所述受限空间的表面上的进入点与所述初始点之间的初始弯曲；

并重复地：

确定所述段的新定向，其导致所述远端前进到所述曲线上的新位置，确定所述新定向以便使以下a)和b)的加权和最小化：a)所述探针上的所述探针开始跟随所述曲线的点和所述初始点(p₁)之间的偏差，和b)所述探针上的比所述探针开始跟随所述曲线的点更靠近所述远端的点(p₂)和所述曲线之间的偏差；以及

将所述段的定向调整为所述新定向，并使所述探针前进以便使所述远端位于所述新位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述受限空间是环形的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述曲线限定所述空间的中点。

4.一种用于进入受限空间的探针***，所述探针***包括：

超冗余机械手，其具有可在近端和远端之间延伸的多个可独立定向的连接的段(33)；和

控制器，

其中所述控制器被布置为通过以下步骤控制所述段的定向以便将所述远端定位在期望的位置中：

确定：所述探针与预定曲线(C)相交的初始点(p₁)，所述预定曲线(C)限定所述空间内的圆或部分圆；以及探针在所述受限空间的表面上的进入点与所述初始点之间的初始弯曲；并重复地：确定所述段的新定向，其导致所述远端前进到所述曲线上的新位置，确定所述新定向以便使以下a)和b)的加权和最小化：a)所述探针上的所述探针开始跟随所述曲线的点和所述初始点(p₁)之间的偏差，和b)所述探针上的比所述探针开始跟随所述曲线的点更靠近所述远端的点(p₂)和所述曲线之间的偏差；并且

向所述机械手发送致动信号以便使得将所述段的定向调整为所述新定向，并使所述探针前进以便使所述远端位于所述新位置。

5.根据权利要求4所述的探针***，还包括在所述机械手的所述远端处的末端受动器(34)。

6.根据权利要求4所述的探针***，其中所述受限空间是环形的。

7.根据权利要求4所述的探针***，其中所述曲线限定所述空间的中点。

8.根据权利要求4所述的探针***，还包括用于使所述探针前进的馈入机构(38)。

9.根据权利要求4所述的探针***，还包括位于所述近端处或所述近端附近的致动机构，所述致动机构或者联接到每个段上的致动器或者布置成直接驱动每个段的运动。

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