機(jī)器人系統(tǒng)在立式混合機(jī)清理中的設(shè)計(jì)

辛 鋒 曹 妮 蒙 波 姜萬(wàn)生 姚卓晨 霍志杰 魏文飛

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機(jī)器人系統(tǒng)在立式混合機(jī)清理中的設(shè)計(jì)

辛 鋒1曹 妮2蒙 波1姜萬(wàn)生2姚卓晨1霍志杰2魏文飛1

（1. 西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司，西安 719000；2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 719000）

針對(duì)固體火箭推進(jìn)劑混合工序中的混合機(jī)槳葉清理作業(yè)，提出采用機(jī)器人系統(tǒng)代替人工完成槳葉表面附著物的清理。參照人工清理流程，完成了機(jī)器人系統(tǒng)清理流程設(shè)計(jì)；采用單目相機(jī)與激光測(cè)距傳感器共同組成了槳葉位姿檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用機(jī)器人末端執(zhí)行器及移動(dòng)平臺(tái)，建立了一套基于PC的控制系統(tǒng)，最后，提出采用基于DELMIA的離線編程方式進(jìn)行機(jī)器人路徑編程。該機(jī)器人系統(tǒng)可提高槳葉清理效率，實(shí)現(xiàn)槳葉的自動(dòng)化清理，將工人從高危工作環(huán)境中解放出來(lái)。

機(jī)器人；槳葉清理；單目視覺(jué)；末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)；PC控制系統(tǒng)

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)外固體火箭推進(jìn)劑制造廠普遍采用立式混合機(jī)批次混合生產(chǎn)工藝[1]。在推進(jìn)劑批次混合過(guò)程中，部分組分會(huì)附著于立式混合機(jī)槳葉之上，無(wú)法充分參與混合，影響成品推進(jìn)劑性能。因此，混合過(guò)程中要暫?；旌瞎ば?，將槳葉表面附著物清理至混合鍋內(nèi)，其清理效率直接影響固體推進(jìn)劑生產(chǎn)效率。

當(dāng)前立式混合機(jī)槳葉清理作業(yè)普遍由人工手動(dòng)完成。清理時(shí)需要工人從遠(yuǎn)程控制室進(jìn)入暫停混合的車(chē)間內(nèi)，作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境高危，槳葉清理時(shí)間占據(jù)混合工序總時(shí)長(zhǎng)30%，清理效率低下。為了提高清理效率，將工人從高危環(huán)境中解放出來(lái)，迫切需要找到一種新的可自動(dòng)化完成立式混合機(jī)槳葉清理的方法。

近年來(lái)，制造工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程勢(shì)不可擋，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，以推動(dòng)國(guó)防制造業(yè)的自動(dòng)化。針對(duì)不同作業(yè)任務(wù)需求，為機(jī)器人配以不同的末端執(zhí)行器、測(cè)量等子系統(tǒng)，可以使其在合理規(guī)劃下，代替人工完成各項(xiàng)復(fù)雜操作，如采用機(jī)器人完成飛機(jī)蒙皮制孔、焊接、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削、衛(wèi)星部件裝配以及輔助上下料等作業(yè)[2～8]。提出采用工業(yè)機(jī)器人完成立式混合機(jī)槳葉清理作業(yè)，提高清理效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)槳葉的自動(dòng)化清理，同時(shí)設(shè)計(jì)了機(jī)器人槳葉清理系統(tǒng)的組成模塊及工藝流程，分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各組成模塊。

2 系統(tǒng)組成模塊及工藝流程

2.1 系統(tǒng)組成

立式混合機(jī)槳葉機(jī)器人清理系統(tǒng)主要用以實(shí)現(xiàn)混合暫停間隙中立式混合機(jī)槳葉表面附著物的自動(dòng)清理。基于以上槳葉機(jī)器人清理任務(wù)需求，將系統(tǒng)分為槳葉位姿檢測(cè)模塊、機(jī)器人模塊、控制模塊及離線編程與仿真模塊，系統(tǒng)組成圖見(jiàn)圖1，系統(tǒng)三維圖見(jiàn)圖2。

圖1 系統(tǒng)組成圖

圖2 系統(tǒng)三維圖

其中，槳葉位姿檢測(cè)模塊由相機(jī)、配套光源及激光測(cè)距傳感器組成，安裝于機(jī)器人末端，完成立式混合機(jī)槳葉空間位姿檢測(cè)；機(jī)器人模塊由移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)器人本體及末端執(zhí)行器組成，移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同工位間的轉(zhuǎn)換，末端執(zhí)行器安裝于機(jī)器人末端法蘭，在機(jī)器人的帶動(dòng)下，完成槳葉不同部位的清理；控制模塊由中央控制器、機(jī)器人控制器及相關(guān)傳感器、氣缸等元件組成，實(shí)現(xiàn)立式混合機(jī)槳葉機(jī)器人清理系統(tǒng)的控制功能；離線編程與仿真模塊由機(jī)器人軌跡規(guī)劃相關(guān)算法與仿真軟件組成，完成機(jī)器人離線編程工作，仿真、干涉及碰撞檢查機(jī)器人清理作業(yè)過(guò)程。

2.2 工藝流程

混合機(jī)槳葉及混合鍋示意圖見(jiàn)圖3，清理時(shí)要求將槳葉肩部殘余粉料和空心槳葉平臺(tái)及槳葉弧面表面上的附著物清理至混合鍋內(nèi)。參照原有人工清理混合機(jī)槳葉的工藝流程，設(shè)計(jì)了機(jī)器人系統(tǒng)的槳葉清理作業(yè)工藝流程。

混合作業(yè)開(kāi)始前所有設(shè)備自檢，自檢無(wú)誤后，推進(jìn)劑混合工序開(kāi)始；一段時(shí)間后，混合暫停，混合鍋未下落前通過(guò)粉料專(zhuān)用清理裝置將槳葉肩部粉料吹入混合鍋內(nèi)；混合鍋下落，機(jī)器人移至工作零位，末端位姿檢測(cè)模塊檢測(cè)槳葉位姿，將檢測(cè)結(jié)果傳輸至中央控制器；中央控制器判斷該槳葉位姿是否適合空心槳葉平臺(tái)清理，若不適合，控制機(jī)器人完成槳葉弧面清理；工人遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)混合機(jī)，槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，重新檢測(cè)及清理槳葉位姿，直至槳葉表面附著物全部清理完成，具體流程見(jiàn)圖4。

3 槳葉位姿檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人清理槳葉前，要求得到確切的槳葉位姿，后續(xù)才能規(guī)劃路徑。混合機(jī)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)位置反饋，混合工序暫停后，槳葉在空間中的停止位姿隨機(jī)且未知，需要檢測(cè)得到。

現(xiàn)有位姿檢測(cè)方法主要包括單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)及多目視覺(jué)[9～13]，考慮到機(jī)器人工作空間有限、槳葉外形復(fù)雜及三維重建困難等因素，選擇單目視覺(jué)檢測(cè)槳葉空間位姿。

選用康耐視單目相機(jī)、OPT光源及西克激光測(cè)距儀組成槳葉位姿檢測(cè)模塊，安裝于機(jī)器人末端執(zhí)行器，并對(duì)其隔爆處理。位姿檢測(cè)系統(tǒng)工作前，分別標(biāo)定相機(jī)內(nèi)外參數(shù)、激光測(cè)距儀位置[14～16]。位姿檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，首先采集槳葉自轉(zhuǎn)軸圖像并將其傳至中央控制器，中央控制器調(diào)用圖像處理算法提取圖像中槳葉自轉(zhuǎn)軸邊緣像素坐標(biāo)；接著結(jié)合激光測(cè)距儀的數(shù)值，調(diào)用槳葉位置求解算法解出槳葉自轉(zhuǎn)軸軸線在空間中的位置；然后依據(jù)此位置，將機(jī)器人移動(dòng)至槳葉周邊，采集槳葉肩部圖像，中央控制器調(diào)用圖像匹配算法及槳葉姿態(tài)求解算法，解得當(dāng)前槳葉自轉(zhuǎn)角度；至此，槳葉位姿檢測(cè)完成。

4 機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)

綜合分析機(jī)器人最大可達(dá)距離及機(jī)器人末端負(fù)載，選用KUKA KR60機(jī)器人，分別設(shè)計(jì)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)及機(jī)器人末端執(zhí)行器。

4.1 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了完成機(jī)器人的工位轉(zhuǎn)換及鎖緊定位，設(shè)計(jì)了機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，如圖5所示。選用CAMOZZI氣缸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低且易滿足防爆需求；通過(guò)THK導(dǎo)軌滑塊完成機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)；在機(jī)器人底座安裝座上設(shè)置兩個(gè)定位銷(xiāo)及兩個(gè)CAMOZZI氣缸，移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)工作零位或安全零位后，定位銷(xiāo)在氣缸的驅(qū)動(dòng)下插入銷(xiāo)孔，完成定位鎖緊，定位精度達(dá)0.1mm；此外，采取移動(dòng)平臺(tái)軌道前端設(shè)置機(jī)械緩沖裝置以及安裝移動(dòng)平臺(tái)防護(hù)罩等防爆措施。

圖5 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)示意圖

4.2 機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

機(jī)器人末端執(zhí)行器為清理作業(yè)的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。參考人工清理工藝，選用接觸式清理方式，設(shè)計(jì)了具備槳葉位姿檢測(cè)、接觸力反饋和槳葉清理于一體的全功能清理末端執(zhí)行器，由清理鏟刀、柔性?shī)A具和槳葉位姿檢測(cè)系統(tǒng)及力傳感器共同組成，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人末端執(zhí)行器示意圖

接觸式清理過(guò)程中，槳葉表面附著物主要依靠清理鏟刀頭部清理。待清理的槳葉表面主要包括復(fù)雜曲面（凹面、凸面）和平面，空心槳葉平臺(tái)及槳葉凹面附著物較多。針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)鏟刀頭部為微凸形狀，令其主要完成空心槳葉平臺(tái)和槳葉凹面的附著物清理，同時(shí)兼顧槳葉凸面清理；在清理鏟刀端部安裝位置設(shè)置氣體彈簧，形成柔性?shī)A具，保證鏟刀與槳葉表面接觸時(shí)有軸向的伸縮空間；此外，安裝六維力傳感器，檢測(cè)末端的接觸力，通過(guò)力傳感器的反饋，中央控制器可調(diào)整機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿。

5 控制模塊設(shè)計(jì)

圖7 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了保證機(jī)器人槳葉清理系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作，檢測(cè)、移動(dòng)及清理等流程有序進(jìn)行，選用倍福工業(yè)控制系統(tǒng)完成基于PC的系統(tǒng)集成控制，其可分為三層，即中央控制層、現(xiàn)場(chǎng)控制層以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層?？刂葡到y(tǒng)以倍福工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，采用EtherCAT和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，并通過(guò)TwinCAT3控制軟件完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖7所示。

中央控制層選用倍福C6930-0050標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)作為中央控制器，選用一系列EtherCAT端子模塊完成系統(tǒng)中傳感器數(shù)字量和模擬量信號(hào)的采集以及電源信號(hào)的控制；Profibus主站端子模塊EL6731與工控機(jī)通過(guò)EtherCAT連接，負(fù)責(zé)與機(jī)器人通訊；數(shù)字量輸入端子模塊EL1018采集多維力傳感器信號(hào)，端子模塊EL6001采集相機(jī)圖像信息，模擬量輸入端子模塊EL3174采集激光測(cè)距傳感器信號(hào)，數(shù)字量輸入輸出端子模塊EL2008完成光源、報(bào)警燈、限位開(kāi)關(guān)及急停按鈕的控制，Profibus主站端子模塊EL6731通過(guò)控制電磁閥完成對(duì)移動(dòng)平臺(tái)氣缸的控制。TwissnCAT3控制軟件在Windows系統(tǒng)中運(yùn)行，可在控制面板上運(yùn)行該軟件，遠(yuǎn)程控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。此外，工人可通過(guò)遠(yuǎn)程人機(jī)界面監(jiān)控機(jī)器人清理過(guò)程及執(zhí)行相應(yīng)操作。

6 離線編程與仿真模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的示教編程繁瑣、效率低，示教精度完全靠示教者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)決定，適用于簡(jiǎn)單機(jī)器人任務(wù)[15]，對(duì)于本文中提到的復(fù)雜槳葉清理任務(wù)并不適用。提出采用基于DELMIA仿真軟件的機(jī)器人離線編程方式，可通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證離線程序的可靠性。

首先將混合車(chē)間三維模型導(dǎo)入DELMIA軟件中，選擇機(jī)器人型號(hào)，建立機(jī)器人清理模型；分別在槳葉平面、凹面及凸面上生成路徑點(diǎn)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人在三種槳葉表面上的清理路徑并仿真，如圖8～圖10所示，三維空間碰撞、干涉檢查；依據(jù)仿真結(jié)果修正機(jī)器人路徑，最終生成機(jī)器人槳葉清理離線程序。

圖8 槳葉平面清理仿真

圖9 槳葉凸面清理仿真

圖10 槳葉凹面清理仿真

7 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人槳葉清理系統(tǒng)充分利用了機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)及離線編程等先進(jìn)技術(shù)，代替了立式混合機(jī)槳葉人工清理方式，將人從惡劣工作環(huán)境中解放出來(lái)，提高了清理效率，對(duì)高危環(huán)境中復(fù)雜任務(wù)的自動(dòng)化改造有一定參考意義，對(duì)航天核心制造能力的提升也有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 雷寧，閆大慶. 國(guó)外復(fù)合固體推進(jìn)劑連續(xù)混合裝藥工藝的研發(fā)及應(yīng)用前景[J]. 飛航導(dǎo)彈，2015(9)：90～94

2 黃云，肖貴堅(jiān)，鄒萊. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 航空學(xué)報(bào)，2018(39)：1～21

3 胡瑞欽，隆昌宇，張立建. 視覺(jué)與力覺(jué)結(jié)合的衛(wèi)星部件機(jī)器人裝配[J]. 光學(xué)精密工程，2018，26(10)：2504～2515

4 張?jiān)浦?，蔣倩. 大飛機(jī)翼盒機(jī)器人制孔系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2018，61(7)：16～23

5 劉軍. 機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2014(17)：104～107

7 欒京東，馬琪，郭明儒，等. 機(jī)器人上下料物流系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床加工中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2017(4)：66～70

8 何京文，謝美蓉，代春濤. 焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用研究[J]. 航天制造技術(shù)，2008(2)：14～16

9 宋薇，仇楠楠，沈林勇，等. 面向工業(yè)零件的機(jī)器人單目立體匹配與抓取[J]. 機(jī)器人，2018，40(6)：950～957

10 勞達(dá)寶，張慧娟，熊芝，等. 基于單目視覺(jué)的姿態(tài)自動(dòng)測(cè)量方法[J]. 光子學(xué)報(bào)，2019，48(3)：1～7

11 任秉銀，柴立仁，魏坤，等. 正交雙目視覺(jué)長(zhǎng)軸類(lèi)零件裝配端位姿檢測(cè)方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，49(1)：60～65

12 余莎莎，黃浩，劉泱杰，等. 基于雙目技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主三維定位方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26(9)：223～226，231

13 王辰，鄭順義，朱鋒博，等. 一種基于多目視覺(jué)的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)定位方法[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2018(4)：32～35，82

14 鄭帥超，房立金，徐志剛. 單目視覺(jué)-激光測(cè)距定位系統(tǒng)的標(biāo)定與姿態(tài)校正[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2017，36(12)：1926～1934

15 Zhang Zhengyou. A flexible new technique for camera calibration[J]. IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000, 22(11): 1330～1334

16 Shiu Y C, Ahmad S. Calibration of wrist-mounted robotic sensors by solving homogeneous transform equations of the form AX=XB[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1989, 5(1): 16～29

17 高慧. 工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件現(xiàn)狀研究[J]. 科技資訊，2018，16(12)：28～29

Design of Robotic System in Cleaning Vertical Mixer

Xin Feng1Cao Ni2Meng Bo1Jiang Wansheng2Yao Zhuochen1Huo Zhijie2Wei Wenfei1

(1. Xi’an Aerospace Chemical Propulsion Co., Ltd., Xi’an 719000； 2. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 719000)

To complete thecleaning operation of the vertical mixer blade in the mixing operation of solid rocket propellants, a robotic system is proposed to substitute the labor to complete this operation in this paper. Referring to the manual cleaning procedure, the cleaning procedure of the robotic system is designed; and the monocular-laser system is utilized to detect the position and attitude of the mixer blade; then, the end-effector and the mobile platform of the robot is designed, and the PC-based control system is established; finally, the offline programming method based on DELMIA for robot trajectory planning is proposed. The robotic system can contribute to improving the production efficiency of the cleaning operation and the use of efficient cleaning robots can liberate the workers previously deputed to this operation from high-risk environments.

robot；blades cleaning；monocular vision；obot end-effector design；PC-based control system

裝備發(fā)展部預(yù)研管理中心項(xiàng)目41423041501。

辛鋒（1979），高級(jí)工程師，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥工藝及裝備技術(shù)。

2019-03-11