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

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

2、重要的指標之一。以打磨修復噴氣式引擎渦輪葉片上的一處細裂紋為例，為確保修復后的渦輪能在高速旋轉時保持平衡，須精確獲知修復過程中所去除材料的質量。然而在柔性內窺式工具的工作姿態(tài)和受力均未知的情況下，很難準確地計算出加工過程中的材料去除量。同時，柔性內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任務的關鍵因素之一。
　　本文正是針對上述問題，以一款含有微型柔性機械臂結構的內窺式加工工具（在PENTAX ES-38

3、01醫(yī)用內窺鏡基礎上改造而來）為主要研究對象，以假想的噴氣式引擎渦輪葉片裂紋修復作為內窺式（研磨）加工的主要應用場景，在深入分析柔性機械臂的機械結構和運動學特性的基礎上，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、估計和預測做了創(chuàng)新性和探索性的研究。主要內容為：
　　1.為獲取柔性機械臂的工作姿態(tài)，研究了現(xiàn)有的運動姿態(tài)測量技術和系統(tǒng)的特點與不足，提出并搭建了基于機器視覺的可見光非侵入式運動

4、姿態(tài)實時測量系統(tǒng)。針對可見光中的高光干擾，提出了一種改進的色鍵過濾補償算法以提高該系統(tǒng)在非理想光照條件下的測量精度。使用二維相機校準樣本對該測量系統(tǒng)的光路誤差進行了校準并對其測量精度進行了評估。結果表明該系統(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個運動目標時，系統(tǒng)的采樣率可達25～30fps，達到了預期的測量需求。使用該系統(tǒng)測量了機械臂的運動姿態(tài)，并將測量結果作為后續(xù)研究的參照和驗證標準。
　　2.由于受

5、到微型柔性機械臂自身尺寸以及工作環(huán)境的限制，在內窺式加工過程中無法通過現(xiàn)有方法和技術對機械臂的工作姿態(tài)進行直接測量。在詳細研究機械臂的結構和運動學特性對其工作姿態(tài)的影響后，建立了自由條件下和靜力平衡條件下的機械臂運動姿態(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，將確定機械臂運動姿態(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。通過實驗對模型的輸出精度進行了評估。結果顯示在常工作空

6、間內，機械臂位置估計誤差小于2mm，角度估計誤差在±4°以內。在1～6N范圍內，作用力估計誤差小于0.5N。
　　3.研究了微型柔性機械臂的動力學特性。利用再生理論和穩(wěn)定性葉瓣圖對內窺式加工過程中可能出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象進行了分析。提出了一個可用于在線式振動自動檢測的相對能量指標R。利用該指標可以發(fā)現(xiàn)內窺式研磨過程中的早期振動。實驗結果表明，R指標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驗估計模型。通過實驗數(shù)據確定了該模型中的待定系數(shù)。并通過另兩組獨立加工實驗驗證了該模型的可重復性和輸出精度。實驗結果表明該模型輸出的估計值與實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械臂結構的內窺式工具在機械加工過程中的工作姿態(tài)、作用力以及材料去除量進行定量估計的方法，估計