基于六維力控的智能動作系統設計

王 楠，葉 敏，賈守波，王鵬飛

（上海無線電設備研究所，上海 201109）

飛機艙門機構是飛機的主要機構系統之一。能夠滿足人員、物質的進出和應急撤離的要求，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構的完整性[1]。艙門能否正常打開關閉將關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構試驗驗證的重點。為滿足艙門耐久性評估要求，故需對艙門進行耐久性試驗，試驗要求系統能達到乘務人員開關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，傳統的艙門耐久性試驗平臺基于液壓作動筒構建，試驗平臺成本高，型號通用性差，難以滿足艙門機構多樣性的試驗需求。隨著工業機器人應用領域的不斷擴展和智能化的不斷提高，工業機器人技術不但應用于上下料、焊接和噴涂等作業，而且還可結合力-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境進行交互，從而調整機器人的位置姿態來滿足要求[2]。

工業機器人傳統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文件存放在機器人控制器中。由于飛機艙門開關軌跡復雜，采用傳統示教方法的作業工作量大且復雜。工業機器人的運行方式都采用位置控制模式，即控制器按作業文件中的作業指令進行軌跡規劃，然后通過運動學逆解解析成一串發送給電機的角度序列，伺服驅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（常為幾毫秒）利用PID 控制將電機運行到相應角度值[3]。機器人采用位置控制模式在發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，導致損壞系統或試驗對象。

為了解決上述難題，本文設計了一種新型基于六維力控的智能動作系統，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周期，提高機器人開關艙門柔順性和可靠性。基于該系統完成了飛機艙門耐久性試驗，從試驗結果分析，本系統完全可以滿足艙門耐久性試驗的需求。

1 系統總體結構

智能動作系統架構如圖1所示，由自動化機械裝置、智能傳感系統和系統軟件三大部分組成。

圖1 智能動作系統架構Fig.1 Architecture diagram of intelligent action system

智能動作系統的自動化機械裝置包括：

（1）六軸工業機器人；

（2）AGV；

（3）電動抓手。

智能動作系統的智能傳感系統包括：

（1）力反饋與控制子系統；

（2）視覺定位導航子系統。

系統軟件包括：

（1）自動控制與運動執行優化；

（2）系統安全保護機制；

（3）用戶權限管理。

智能動作系統可實現與其它設備、系統間的通信交互功能。相關的交互數據流包括：

（1）運動模擬子系統的機器人離線程序輸入；

（2）運動測試調校子系統的軌跡控制指令輸入；

（3）輸出機器人實時狀態至運動模擬子系統、運動測試調校子系統。

智能動作系統硬件框圖如圖2所示，系統主要包括ABB 的IRB4600 型號工業機器人、ATI 力控傳感器、AGV、機器人控制柜、電動抓手等設備。正常試驗流程中，運動執行子系統布置于測試工作區域內，位于艙門機構試驗臺架的艙門內側。運動執行子系統的機器人通過安裝底座固定在AGV 的承載平臺上，實現機器人與AGV 的集成，通過AGV 運動實現移站操作。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，適應把手的夾持、推拉、扭轉等動作。視覺定位導航子系統的視覺傳感器通過轉接結構件安裝在艙門臺架上。力反饋與控制子系統的力控傳感器通過轉接結構件安裝在機器人末端法蘭上，實現基于力控的智能傳感與反饋控制功能。運動測試調校子系統的硬件包括激光跟蹤儀、目標靶球。目標靶球分別安裝在艙門上，激光跟蹤儀布置在艙門機構試驗臺架一側的安裝支架上，并確保在艙門開關的完整過程中，對目標靶球的跟隨。

圖2 系統硬件設計架構Fig.2 System hardware design architecture diagram

機器人末端結構設計如圖3所示，空間分布包括機器人、力控傳感器、轉動關節、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要求。

圖3 機器人末端結構設計Fig.3 Structure design drawing of robot end

2 系統軟件設計

系統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。智能動作系統軟件平臺的總體設計分為3 個執行層次實現，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計；業務調度模塊將用戶按鈕觸發事件解析成業務指令，實現業務指令分析調度；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各個設備的運動控制執行或子功能模塊的數據采集傳輸及記錄。

圖4 系統軟件設計架構圖Fig.4 System software design architecture diagram

2.1 拖動示教模塊設計

2.1.1 界面設計

界面開發采用.NET 框架類庫的Winform 窗體相應控件，.NET 框架是一個多語言組件開發和執行環境，它提供了一個跨語言的統一編程環境。

本文采用Visual Studio 開發平臺，基于.NET 開發設計了機器人拖動示教操作顯示界面，實現拖動示教、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）點位記錄延時參數設置：根據操作人員拖動速度，可修改點位記錄延時時間，調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，上位機可根據點位記錄延時參數，按照指定時間間隔記錄當前機器人點位，并自動保存在指定目錄文件中；

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

2.1.3 工作流程設計

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，產生目標軌跡；

（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寫權限，將已記錄點位批量一次性寫入機器人控制系統；

（5）點位修改：根據實際開關艙門要求，將軌跡點位速度等參數進行修改。避免速度不均勻導致艙門沖擊，對艙門產生損壞。

2.2 力-位控制模塊設計

2.2.1 界面設計

力-位控制模塊界面實現實時采集并顯示力/力矩數據等功能。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艙門作業；

（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 工作流程設計

由于艙門正常工作狀態時，艙門開關軌跡固定，且開關門力在已知范圍內，為了使機器人柔順開關艙門，需保持恒定軌跡開關艙門，通過力控系統反饋實時力/力矩，設定機器人開艙門力/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。在開關艙門過程中，為了避免艙門鉸鏈等部件磨損，艙門開關阻力增大，力控模塊需設置最大保護力/力矩，保護艙門及機器人安全。力-位控制開關艙門工作流程如圖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）完成關門動作：機器人啟動力控，完成關門動作。

3 系統驗證

智能動作系統現場布局如圖9所示。主要設備機構包括智能動作系統、艙門及艙門臺架。

圖9 智能動作系統現場布局Fig.9 Field layout of intelligent action system

3.1 拖動示教模塊驗證

當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，其內部半導體硅發生應變，放大器將應變信號放大并轉換成標準的電壓輸出信號，經AD 數據轉換器輸出數字信號，再通過通信接口輸入到機器人控制系統中，經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

機器人在開關艙門過程中，利用機器人力控模塊數據采集功能，實時反饋末端力/力矩數據，智能動作系統采集并記錄顯示當前力/力矩變化狀態，監控開關艙門全過程。

試驗證明，智能動作系統能達到乘務人員開關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。本系統實現了機器人開門時間為7.5 s，開關門頻率大于2 次/min。滿足開門力雙向最大不超過220 N 要求。經過測試，本系統具備完成24 萬次以上開關艙門循環試驗的能力。

4 結語

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。經過了多個型號的飛機艙門耐久性測試的應用，測試結果表明系統滿足飛機艙門耐久性的測試要求。這種結合拖動示教及力-位控制的智能動作系統具有人機交互友好等優點，有效提升了機器人點位示教的效率，提高了自動開關艙門的柔順性和可靠性，能夠推動飛機艙門的研制與應用進程。