中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點實驗室 姚艷彬 杜兆才 魏志強(qiáng)

目前，飛機(jī)中存在大量諸如盒段、進(jìn)（排）氣道等具有復(fù)雜狹窄內(nèi)腔特征的零部件需要進(jìn)行裝配作業(yè)。例如，翼盒內(nèi)腔需要進(jìn)行涂膠、去毛刺、多余物清除等裝配作業(yè)。飛機(jī)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔的裝配質(zhì)量直接影響飛機(jī)的安全性、疲勞壽命以及穩(wěn)定性。對于復(fù)雜狹窄內(nèi)腔裝配，人工操作難度高、勞動強(qiáng)度大、效率低。常規(guī)的自動裝配系統(tǒng)由于尺寸的限制也很難完成此類作業(yè)。蛇形臂機(jī)器人具有長徑比大、自由度多、運(yùn)動靈活以及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點，是解決復(fù)雜狹窄內(nèi)腔裝配難題的最佳方案。

目前，國外許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對應(yīng)用于安檢、醫(yī)療以及航空制造等領(lǐng)域的蛇形機(jī)械臂機(jī)器人進(jìn)行了比較深入的研究。美國波士頓大學(xué)研制了一種用于臨床醫(yī)療手術(shù)的蛇形臂機(jī)器人Concentric-tube[1-2]，該機(jī)器人由3個空心柔性管嵌套組成，共有6個自由度，通過改變每跟管子旋轉(zhuǎn)的角度和伸出的距離，就可以改變整個機(jī)器人的長度和彎曲度實現(xiàn)機(jī)器人形狀的控制，進(jìn)而完成相關(guān)的醫(yī)療手術(shù)。MICHAEL和IAN[3]設(shè)計了一種名為Elephant's Trunk的用于抓取物體的蛇形臂機(jī)器人。該機(jī)械臂由16個虎克鉸構(gòu)成，該蛇形臂結(jié)構(gòu)緊湊，變形更加均勻平滑。在后續(xù)工作中，IAN和MICHAEL建立了Elephant's Trunk Manipulator的數(shù)學(xué)模型，使用基于圖像的形狀檢測法對該機(jī)械臂的性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究。英國OC Robotics公司為空客英國公司開發(fā)了一類蛇形臂機(jī)器人[4]，能夠鉆入機(jī)翼內(nèi)部進(jìn)行檢測、緊固和密封（見圖1），為蛇形臂機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的工程化應(yīng)用前進(jìn)了一大步，但其核心技術(shù)仍處于技術(shù)封鎖狀態(tài)。

圖1 OC Robotics蛇形臂機(jī)器人

國內(nèi)開展蛇形臂機(jī)器人的研究起步較晚，因此取得的相關(guān)研究成果相對較少。HU 和WANG等[5]研制了一種新型的結(jié)腸鏡蛇形臂機(jī)器人（見圖2）。該機(jī)器人總長600mm，直徑12mm，共分5段，每段具有2個自由度，機(jī)器人每段均通過鋼絲繩由直流電機(jī)驅(qū)動。在航空基金項目“飛機(jī)裝配用蛇形臂結(jié)構(gòu)研究”的支持下，北京航空制造工程研究所研制了一套具有8個自由度的蛇形臂機(jī)器人原理樣機(jī)（見圖3）。

總之，目前面向飛機(jī)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔裝配的蛇形臂機(jī)器人技術(shù)，在航空制造發(fā)達(dá)國家已處于技術(shù)驗證和初期應(yīng)用階段，但其相關(guān)核心技術(shù)仍處于技術(shù)封鎖狀態(tài)。國內(nèi)關(guān)于蛇形臂機(jī)器人的研究已取得了一定的成果，但與國外相比，無論在理論研究還是工程化應(yīng)用方面都存在很大差距，面向飛機(jī)裝配的蛇形臂機(jī)器人研究尚未見諸報道。基于國內(nèi)外研究情況，針對飛機(jī)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔裝配需求，本文針對蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)進(jìn)行了研究，涉及仿生機(jī)器人、飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配以及視覺導(dǎo)航等技術(shù)。

蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、裝配需求以及蛇形臂機(jī)器人的特點，總結(jié)出面向復(fù)雜狹窄內(nèi)腔的蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)主要包括蛇形臂機(jī)器人、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、移動定位系統(tǒng)以及上位機(jī)及遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)5大模塊。蛇形臂機(jī)器人是裝配系統(tǒng)的核心，主要作用是根據(jù)裝配任務(wù)移動末端執(zhí)行器到目標(biāo)位置；視覺導(dǎo)航系統(tǒng)一般安裝在蛇形臂末端，用于空間場景識別、檢測障礙物并向上位機(jī)反饋空間場景及障礙物位置特征，實現(xiàn)機(jī)器人避障運(yùn)動；末端執(zhí)行器主要用于執(zhí)行涂膠、檢測、去毛刺等裝配作業(yè)；移動定位系統(tǒng)主要用于擴(kuò)展蛇形臂機(jī)器人的運(yùn)動范圍，可根據(jù)任務(wù)需求使用工業(yè)機(jī)器人或AGV小車；上位機(jī)及遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可通過PC、筆記本或多功能操縱桿采用自動、半自動或手動模式操控機(jī)器人運(yùn)動。

圖2 結(jié)腸鏡蛇形臂機(jī)器人

圖3 8自由度蛇形臂機(jī)器人

圖4 蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)

蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)在飛機(jī)裝配中得到應(yīng)用，需突破蛇形臂結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境視覺導(dǎo)航以及柔索驅(qū)動多軸協(xié)同控制3大關(guān)鍵技術(shù)。以下分別從蛇形臂機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3方面對蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)進(jìn)行論述和分析。

蛇形臂機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 蛇類脊椎骨結(jié)構(gòu)圖

蛇類是爬行動物無肢進(jìn)化的頂點,它的肌肉和骨骼組成的關(guān)節(jié)比較復(fù)雜, 具有多自由度[6]。一條蛇往往有100～400根脊椎骨。但每根脊椎骨的構(gòu)造十分簡單,每根脊椎骨的突起可以和相鄰脊椎骨的凹陷結(jié)合（見圖5）, 形成一個類球鉸結(jié)構(gòu)。通過周圍肌肉的伸縮, 實現(xiàn)關(guān)節(jié)間相對的轉(zhuǎn)動。

圖6 蛇形臂結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)蛇類脊椎骨結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動機(jī)理， 蛇形臂可采用一系列球鉸或虎克鉸串聯(lián)構(gòu)成中心脊椎。根據(jù)是否含有欠驅(qū)動關(guān)節(jié)以及關(guān)節(jié)驅(qū)動位置，蛇形臂可分為全驅(qū)動型和欠驅(qū)動型兩類。全驅(qū)動型蛇形臂每個鉸鏈均為主動關(guān)節(jié)（見圖 6（a）），該類型機(jī)器人為超冗余度機(jī)器人范疇。欠驅(qū)動型蛇形臂由若干節(jié)串聯(lián)構(gòu)成，每節(jié)由若干段組成，每段包括一個鉸鏈。每節(jié)末端鉸鏈為主動關(guān)節(jié)，其余鉸鏈均為被動關(guān)節(jié)，外部用彈簧保持剛度和形狀（見圖6（b））。該類型的蛇形臂機(jī)器人是一種仿連續(xù)體機(jī)器人。

表1 蛇形臂驅(qū)動方式對比

適合蛇形臂的驅(qū)動方式有電機(jī)直驅(qū)、電機(jī)+柔索驅(qū)動和氣液驅(qū)動，3種驅(qū)動方式的特點比較見表1。

經(jīng)綜合對比分析，電機(jī)+柔索的驅(qū)動方式適合用于面向飛機(jī)裝配的蛇形臂機(jī)器人，采用該驅(qū)動方式的蛇形臂具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)相對簡單且驅(qū)動與傳動分離等優(yōu)點。

圖7 蛇形臂機(jī)器人本體總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)蛇形臂的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動特性，可將蛇形臂機(jī)器人本體可劃分為蛇形臂模塊以及驅(qū)動裝置（見圖7），驅(qū)動裝置位于蛇形臂底部。

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)用于向上位機(jī)和控制系統(tǒng)提供未知環(huán)境中的障礙物和目標(biāo)等位置信息，進(jìn)而指導(dǎo)蛇形臂機(jī)器人實現(xiàn)自主避障，完成狹窄空間內(nèi)的裝配作業(yè)。

1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

圖8 視覺導(dǎo)航系統(tǒng)硬件連接示意圖

視覺導(dǎo)航模塊的硬件系統(tǒng)主要由兩臺微型相機(jī)、LD激光器、環(huán)形LED光源、控制盒、工控機(jī)以及實時圖像顯示器6部分組成。其中，兩臺微型相機(jī)安裝在蛇形臂末端，其光軸為平行分布。圖8為視覺導(dǎo)航系統(tǒng)硬件連接示意圖。

微型相機(jī)的主要作用是輔助機(jī)器人識別場景中的障礙物和目標(biāo)物體；LD激光器用于為視覺相機(jī)提供前方空間中物體的輪廓信息；LED照明光源主要是在黑暗的環(huán)境中提供照明；控制盒主要是為相機(jī)、激光器和光源提供電能，負(fù)責(zé)控制相機(jī)信號的采集與傳輸；工控機(jī)負(fù)責(zé)信息的處理和控制信號的發(fā)送；實時圖像顯示器用于將采集到的圖像以及處理結(jié)果顯示給操作用戶。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

圖9 視覺導(dǎo)航軟件程序流程

視覺導(dǎo)航軟件系統(tǒng)主要用于計算目標(biāo)和障礙物的位置信息、雙目立體視覺標(biāo)定、圖像顯示以及光源光強(qiáng)控制等任務(wù)。根據(jù)任務(wù)和功能需求，視覺導(dǎo)航軟件系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

控制系統(tǒng)設(shè)計

蛇形臂機(jī)器人采用柔索驅(qū)動，電機(jī)數(shù)量多，對多軸協(xié)調(diào)控制要求高，柔索驅(qū)動多軸協(xié)調(diào)控制的性能將直接決定蛇形臂的運(yùn)動能力。

1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

蛇形臂機(jī)器人的實時性及復(fù)雜性對控制系統(tǒng)提出較高要求，為了實現(xiàn)系統(tǒng)精確控制，采用基于工控機(jī)IPC與UMAC多軸運(yùn)動控制器的多軸協(xié)調(diào)控制方法。

圖10 控制系統(tǒng)總體方案

圖11 控制系統(tǒng)原理框圖

圖10和圖11分別為蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)控制系統(tǒng)總體方案和控制系統(tǒng)原理框圖。IPC用于實現(xiàn)任務(wù)分配、后臺管理調(diào)度和人機(jī)交互接口等功能，對蛇形臂、控制分系統(tǒng)、視覺分系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制、指令發(fā)送、信息采集、狀態(tài)監(jiān)控等。同時，IPC是蛇形臂位姿指令的發(fā)送地和反饋信號的接收地，最終實現(xiàn)蛇形臂位姿伺服控制和反饋信號的存儲；UMAC控制器可通過內(nèi)部PLC程序?qū)崿F(xiàn)控制面板操作與管理、功能選擇與控制等，并通過I/O卡采集（或發(fā)送）各類信號，并充分發(fā)揮其內(nèi)部資源，對信號進(jìn)行隔離、濾波、調(diào)理等處理。

圖12 軟件系統(tǒng)功能模塊及工作流程示意圖

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)核心的部分，蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)功能模塊及工作流程如圖12所示，軟件系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)運(yùn)行以及狀態(tài)監(jiān)控5大模塊。

試驗驗證

圖13 蛇形臂機(jī)器人系統(tǒng)

針對飛機(jī)復(fù)雜狹窄內(nèi)腔裝配需求，研發(fā)了一套蛇形臂機(jī)器人裝配（見圖13）。該系統(tǒng)主要包括蛇形臂機(jī)器人、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)以及移動定位平臺。蛇形臂的質(zhì)量為5kg，直徑為90mm，長度為1500mm。

1 蛇形臂運(yùn)動性能試驗

圖14 蛇形臂運(yùn)動性能試驗

對蛇形臂的運(yùn)動性能進(jìn)行測試，如圖14所示。試驗結(jié)果表明，蛇形臂最大轉(zhuǎn)動角度大于180°，外形可以靈活改變，可以實現(xiàn)預(yù)期動作。

2 狹窄空間避障運(yùn)動試驗

圖15 避障運(yùn)動試驗系統(tǒng)

搭建如圖15所示的避障運(yùn)動試驗系統(tǒng)，驗證蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)的視覺導(dǎo)航和避障運(yùn)動能力。驗證環(huán)境為1000mm×1000mm×1000mm的立方體空間，立方體前板開孔用于穿過蛇形臂，立方體空間布置活動的擋板和圓柱體等障礙物。

圖16為避障試驗現(xiàn)場。試驗結(jié)果顯示，蛇形臂機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定， 蛇形臂機(jī)器人能夠在視覺系統(tǒng)的導(dǎo)引下實現(xiàn)自主避障運(yùn)動。

結(jié)束語

本文總結(jié)出蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)，提出了一種蛇形臂仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計并分析了蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。最后研制出一套蛇形臂機(jī)器人裝配系統(tǒng)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗分析與驗證。試驗結(jié)果表明，蛇形臂最大轉(zhuǎn)動角度大于180°，外形可以靈活改變，能夠檢測出障礙物并實現(xiàn)自主避障，進(jìn)而驗證了本文所提出的方法及系統(tǒng)合理性。

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