王 楠，葉 敏，賈守波，王鵬飛

（上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109）

飛機艙門機構(gòu)是飛機的主要機構(gòu)系統(tǒng)之一。能夠滿足人員、物質(zhì)的進出和應(yīng)急撤離的要求，同時在飛行過程中，還需承受氣密、飛行等載荷并維持飛機結(jié)構(gòu)的完整性[1]。艙門能否正常打開關(guān)閉將關(guān)系到飛機的安全性和可靠性，因此艙門的試驗驗證是飛機結(jié)構(gòu)試驗驗證的重點。為滿足艙門耐久性評估要求，故需對艙門進行耐久性試驗，試驗要求系統(tǒng)能達到乘務(wù)人員開關(guān)艙門的模擬仿真情況，替代人工試驗完成艙門解鎖、解閂、提升以及外開等動作并有效檢測其耐久性。

目前，通常不同的艙門需要搭建不同的試驗平臺，傳統(tǒng)的艙門耐久性試驗平臺基于液壓作動筒構(gòu)建，試驗平臺成本高，型號通用性差，難以滿足艙門機構(gòu)多樣性的試驗需求。隨著工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展和智能化的不斷提高，工業(yè)機器人技術(shù)不但應(yīng)用于上下料、焊接和噴涂等作業(yè)，而且還可結(jié)合力-位混合控制，對接觸力的期望值跟蹤控制。機器人通過力傳感器與外界環(huán)境進行交互，從而調(diào)整機器人的位置姿態(tài)來滿足要求[2]。

工業(yè)機器人傳統(tǒng)示教方法是通過操作人員的手持示教器手動示教，記錄機器人點位并生成作業(yè)文件存放在機器人控制器中。由于飛機艙門開關(guān)軌跡復(fù)雜，采用傳統(tǒng)示教方法的作業(yè)工作量大且復(fù)雜。工業(yè)機器人的運行方式都采用位置控制模式，即控制器按作業(yè)文件中的作業(yè)指令進行軌跡規(guī)劃，然后通過運動學(xué)逆解解析成一串發(fā)送給電機的角度序列，伺服驅(qū)動器接收到角度序列后控制電機依次運行，在每個控制周期內(nèi)（常為幾毫秒）利用PID 控制將電機運行到相應(yīng)角度值[3]。機器人采用位置控制模式在發(fā)生位置錯誤或部件卡頓時，機器人仍會按固定軌跡運行下去，導(dǎo)致?lián)p壞系統(tǒng)或試驗對象。

為了解決上述難題，本文設(shè)計了一種新型基于六維力控的智能動作系統(tǒng)，具有良好的通用性，能夠滿足多種類型艙門耐久性測試要求，并有效縮短點位示教作業(yè)周期，提高機器人開關(guān)艙門柔順性和可靠性?；谠撓到y(tǒng)完成了飛機艙門耐久性試驗，從試驗結(jié)果分析，本系統(tǒng)完全可以滿足艙門耐久性試驗的需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能動作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由自動化機械裝置、智能傳感系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件三大部分組成。

圖1 智能動作系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture diagram of intelligent action system

智能動作系統(tǒng)的自動化機械裝置包括：

（1）六軸工業(yè)機器人；

（2）AGV；

（3）電動抓手。

智能動作系統(tǒng)的智能傳感系統(tǒng)包括：

（1）力反饋與控制子系統(tǒng)；

（2）視覺定位導(dǎo)航子系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件包括：

（1）自動控制與運動執(zhí)行優(yōu)化；

（2）系統(tǒng)安全保護機制；

（3）用戶權(quán)限管理。

智能動作系統(tǒng)可實現(xiàn)與其它設(shè)備、系統(tǒng)間的通信交互功能。相關(guān)的交互數(shù)據(jù)流包括：

（1）運動模擬子系統(tǒng)的機器人離線程序輸入；

（2）運動測試調(diào)校子系統(tǒng)的軌跡控制指令輸入；

（3）輸出機器人實時狀態(tài)至運動模擬子系統(tǒng)、運動測試調(diào)校子系統(tǒng)。

智能動作系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括ABB 的IRB4600 型號工業(yè)機器人、ATI 力控傳感器、AGV、機器人控制柜、電動抓手等設(shè)備。正常試驗流程中，運動執(zhí)行子系統(tǒng)布置于測試工作區(qū)域內(nèi)，位于艙門機構(gòu)試驗臺架的艙門內(nèi)側(cè)。運動執(zhí)行子系統(tǒng)的機器人通過安裝底座固定在AGV 的承載平臺上，實現(xiàn)機器人與AGV 的集成，通過AGV 運動實現(xiàn)移站操作。電動抓手集成在機器人末端法蘭上，夾指安裝在電動抓手上，適應(yīng)把手的夾持、推拉、扭轉(zhuǎn)等動作。視覺定位導(dǎo)航子系統(tǒng)的視覺傳感器通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)件安裝在艙門臺架上。力反饋與控制子系統(tǒng)的力控傳感器通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)件安裝在機器人末端法蘭上，實現(xiàn)基于力控的智能傳感與反饋控制功能。運動測試調(diào)校子系統(tǒng)的硬件包括激光跟蹤儀、目標(biāo)靶球。目標(biāo)靶球分別安裝在艙門上，激光跟蹤儀布置在艙門機構(gòu)試驗臺架一側(cè)的安裝支架上，并確保在艙門開關(guān)的完整過程中，對目標(biāo)靶球的跟隨。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計架構(gòu)Fig.2 System hardware design architecture diagram

機器人末端結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，空間分布包括機器人、力控傳感器、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、電動抓手以及末端夾指。機器人通過力控傳感器采集開艙門過程中的相互作用力/力矩，對機器人軌跡及速度實時修正，以達到在各種約束下，完成多自由度柔順開艙門的測試作業(yè)要求。

圖3 機器人末端結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Structure design drawing of robot end

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由上位機的拖動示教模塊及力-位控制模塊等模塊組成。智能動作系統(tǒng)軟件平臺的總體設(shè)計分為3 個執(zhí)行層次實現(xiàn)，如圖4所示。開艙門主控模塊是人機交互層，主要包括各個功能按鈕的設(shè)計；業(yè)務(wù)調(diào)度模塊將用戶按鈕觸發(fā)事件解析成業(yè)務(wù)指令，實現(xiàn)業(yè)務(wù)指令分析調(diào)度；各個子模塊包括機器人模塊、拖動示教模塊、力-位控制模塊等模塊實現(xiàn)各個設(shè)備的運動控制執(zhí)行或子功能模塊的數(shù)據(jù)采集傳輸及記錄。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計架構(gòu)圖Fig.4 System software design architecture diagram

2.1 拖動示教模塊設(shè)計

2.1.1 界面設(shè)計

界面開發(fā)采用.NET 框架類庫的Winform 窗體相應(yīng)控件，.NET 框架是一個多語言組件開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境，它提供了一個跨語言的統(tǒng)一編程環(huán)境。

本文采用Visual Studio 開發(fā)平臺，基于.NET 開發(fā)設(shè)計了機器人拖動示教操作顯示界面，實現(xiàn)拖動示教、修改采集延時以及記錄點位等功能。拖動示教顯示界面如圖5所示。

圖5 拖動示教交互界面Fig.5 Drag and teach interactive interface

2.1.2 功能設(shè)計

拖動示教模塊主要包括以下4 個子功能模塊：

（1）點位記錄延時參數(shù)設(shè)置：根據(jù)操作人員拖動速度，可修改點位記錄延時時間，調(diào)整采集點位時域密度；

（2）力控拖動示教：啟動機器人力控功能，機器人末端的六維力傳感器感知到外力/力矩作用時，可控制機器人沿力/力矩作用方向運動，實現(xiàn)拖動機器人運動功能；

（3）機器人點位記錄存儲：機器人被拖動過程中，上位機可根據(jù)點位記錄延時參數(shù)，按照指定時間間隔記錄當(dāng)前機器人點位，并自動保存在指定目錄文件中；

（4）點位寫入機器人控制器：將已經(jīng)記錄并保存的機器人點位數(shù)據(jù)批量寫入到機器人控制器中。

2.1.3 工作流程設(shè)計

拖動示教工作流程如圖6所示。主要包括以下工作流程：

圖6 拖動示教流程Fig.6 Drag teaching flow chart

（1）啟動拖動示教：開啟機器人力控功能，機器人實時采集外部力/力矩；

（2）拖動機器人：操作人員施加力于力傳感器末端，拖動機器人運動，產(chǎn)生目標(biāo)軌跡；

（3）點位記錄：上位機實時記錄機器人末端軌跡點；

（4）點位批量寫入：獲得機器人控制系統(tǒng)寫權(quán)限，將已記錄點位批量一次性寫入機器人控制系統(tǒng)；

（5）點位修改：根據(jù)實際開關(guān)艙門要求，將軌跡點位速度等參數(shù)進行修改。避免速度不均勻?qū)е屡撻T沖擊，對艙門產(chǎn)生損壞。

2.2 力-位控制模塊設(shè)計

2.2.1 界面設(shè)計

力-位控制模塊界面實現(xiàn)實時采集并顯示力/力矩數(shù)據(jù)等功能。力-位控制模塊界面如圖7所示。

圖7 力-位控制模塊界面Fig.7 Force-position control module interface

2.2.2 功能設(shè)計

力-位控制模塊主要包括以下4 個子功能模塊：

（1）電爪控制模塊：包括電爪夾緊閉合動作控制以及夾爪推壓力控制，保證一定夾持力，實現(xiàn)抓取艙門把手；

（2）機器人力-位控制模塊：采用速度控制模式，通過力/力矩傳感器反饋信息，控制機器人運動速度，以恒定軌跡及恒定力進行開關(guān)艙門作業(yè)；

（3）外部位置傳感器模塊：包括位置傳感器等外部感知模塊，提供艙門到位反饋信號，對艙門位置進行精確定位；

（4）急停模塊：包括急停光柵及急停按鈕等控制，保證緊急情況對機器人停止操作。

2.2.3 工作流程設(shè)計

由于艙門正常工作狀態(tài)時，艙門開關(guān)軌跡固定，且開關(guān)門力在已知范圍內(nèi)，為了使機器人柔順開關(guān)艙門，需保持恒定軌跡開關(guān)艙門，通過力控系統(tǒng)反饋實時力/力矩，設(shè)定機器人開艙門力/力矩大于參考值時，進行減速運動，直至力/力矩減小到參考值以下。在開關(guān)艙門過程中，為了避免艙門鉸鏈等部件磨損，艙門開關(guān)阻力增大，力控模塊需設(shè)置最大保護力/力矩，保護艙門及機器人安全。力-位控制開關(guān)艙門工作流程如圖8所示。

圖8 力-位控制開艙門流程Fig.8 Flow chart of force-position control to open the door

工作流程主要包括以下步驟：

（1）抓取艙門把手：機器人移動至把手抓取位，電爪抓取艙門把手；

（2）打開艙門：機器人啟動力控，打開艙門到底；

（3）松開艙門把手：電爪松開艙門把手；

（4）重新抓取艙門把手：電爪重新抓取艙門把手；

（5）完成關(guān)門動作：機器人啟動力控，完成關(guān)門動作。

3 系統(tǒng)驗證

智能動作系統(tǒng)現(xiàn)場布局如圖9所示。主要設(shè)備機構(gòu)包括智能動作系統(tǒng)、艙門及艙門臺架。

圖9 智能動作系統(tǒng)現(xiàn)場布局Fig.9 Field layout of intelligent action system

3.1 拖動示教模塊驗證

當(dāng)操作人員牽引機器人末端時，安裝在機器人末端的六維力/力矩傳感器感知到外力作用，其內(nèi)部半導(dǎo)體硅發(fā)生應(yīng)變，放大器將應(yīng)變信號放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出信號，經(jīng)AD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，再通過通信接口輸入到機器人控制系統(tǒng)中，經(jīng)過機器人力控模塊運算處理，就可以得到操作人員實際施加在末端工具的外力/力矩，最終按照相應(yīng)控制邏輯編寫成運動指令，控制機器人進行柔順力覺示教。上位機實時記錄機器人點位，生成開關(guān)艙門軌跡，并寫入到機器人控制器中，完成艙門軌跡拖動示教。

3.2 力-位控制模塊驗證

機器人在開關(guān)艙門過程中，利用機器人力控模塊數(shù)據(jù)采集功能，實時反饋末端力/力矩數(shù)據(jù)，智能動作系統(tǒng)采集并記錄顯示當(dāng)前力/力矩變化狀態(tài)，監(jiān)控開關(guān)艙門全過程。

試驗證明，智能動作系統(tǒng)能達到乘務(wù)人員開關(guān)艙門的模擬仿真情況，替代人工試驗完成艙門解鎖、解閂、提升以及外開等動作并有效檢測其耐久性。本系統(tǒng)實現(xiàn)了機器人開門時間為7.5 s，開關(guān)門頻率大于2 次/min。滿足開門力雙向最大不超過220 N 要求。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)具備完成24 萬次以上開關(guān)艙門循環(huán)試驗的能力。

4 結(jié)語

本文提出了基于六軸力/力矩傳感器控制的智能動作控制系統(tǒng)。經(jīng)過了多個型號的飛機艙門耐久性測試的應(yīng)用，測試結(jié)果表明系統(tǒng)滿足飛機艙門耐久性的測試要求。這種結(jié)合拖動示教及力-位控制的智能動作系統(tǒng)具有人機交互友好等優(yōu)點，有效提升了機器人點位示教的效率，提高了自動開關(guān)艙門的柔順性和可靠性，能夠推動飛機艙門的研制與應(yīng)用進程。