基于六维力控的智能动作系统设计

王 楠，叶 敏，贾守波，王鹏飞

（上海无线电设备研究所，上海 201109）

飞机舱门机构是飞机的主要机构系统之一。能够满足人员、物质的进出和应急撤离的要求，同时在飞行过程中，还需承受气密、飞行等载荷并维持飞机结构的完整性[1]。舱门能否正常打开关闭将关系到飞机的安全性和可靠性，因此舱门的试验验证是飞机结构试验验证的重点。为满足舱门耐久性评估要求，故需对舱门进行耐久性试验，试验要求系统能达到乘务人员开关舱门的模拟仿真情况，替代人工试验完成舱门解锁、解闩、提升以及外开等动作并有效检测其耐久性。

目前，通常不同的舱门需要搭建不同的试验平台，传统的舱门耐久性试验平台基于液压作动筒构建，试验平台成本高，型号通用性差，难以满足舱门机构多样性的试验需求。随着工业机器人应用领域的不断扩展和智能化的不断提高，工业机器人技术不但应用于上下料、焊接和喷涂等作业，而且还可结合力-位混合控制，对接触力的期望值跟踪控制。机器人通过力传感器与外界环境进行交互，从而调整机器人的位置姿态来满足要求[2]。

工业机器人传统示教方法是通过操作人员的手持示教器手动示教，记录机器人点位并生成作业文件存放在机器人控制器中。由于飞机舱门开关轨迹复杂，采用传统示教方法的作业工作量大且复杂。工业机器人的运行方式都采用位置控制模式，即控制器按作业文件中的作业指令进行轨迹规划，然后通过运动学逆解解析成一串发送给电机的角度序列，伺服驱动器接收到角度序列后控制电机依次运行，在每个控制周期内（常为几毫秒）利用PID 控制将电机运行到相应角度值[3]。机器人采用位置控制模式在发生位置错误或部件卡顿时，机器人仍会按固定轨迹运行下去，导致损坏系统或试验对象。

为了解决上述难题，本文设计了一种新型基于六维力控的智能动作系统，具有良好的通用性，能够满足多种类型舱门耐久性测试要求，并有效缩短点位示教作业周期，提高机器人开关舱门柔顺性和可靠性。基于该系统完成了飞机舱门耐久性试验，从试验结果分析，本系统完全可以满足舱门耐久性试验的需求。

1 系统总体结构

智能动作系统架构如图1所示，由自动化机械装置、智能传感系统和系统软件三大部分组成。

图1 智能动作系统架构Fig.1 Architecture diagram of intelligent action system

智能动作系统的自动化机械装置包括：

（1）六轴工业机器人；

（2）AGV；

（3）电动抓手。

智能动作系统的智能传感系统包括：

（1）力反馈与控制子系统；

（2）视觉定位导航子系统。

系统软件包括：

（1）自动控制与运动执行优化；

（2）系统安全保护机制；

（3）用户权限管理。

智能动作系统可实现与其它设备、系统间的通信交互功能。相关的交互数据流包括：

（1）运动模拟子系统的机器人离线程序输入；

（2）运动测试调校子系统的轨迹控制指令输入；

（3）输出机器人实时状态至运动模拟子系统、运动测试调校子系统。

智能动作系统硬件框图如图2所示，系统主要包括ABB 的IRB4600 型号工业机器人、ATI 力控传感器、AGV、机器人控制柜、电动抓手等设备。正常试验流程中，运动执行子系统布置于测试工作区域内，位于舱门机构试验台架的舱门内侧。运动执行子系统的机器人通过安装底座固定在AGV 的承载平台上，实现机器人与AGV 的集成，通过AGV 运动实现移站操作。电动抓手集成在机器人末端法兰上，夹指安装在电动抓手上，适应把手的夹持、推拉、扭转等动作。视觉定位导航子系统的视觉传感器通过转接结构件安装在舱门台架上。力反馈与控制子系统的力控传感器通过转接结构件安装在机器人末端法兰上，实现基于力控的智能传感与反馈控制功能。运动测试调校子系统的硬件包括激光跟踪仪、目标靶球。目标靶球分别安装在舱门上，激光跟踪仪布置在舱门机构试验台架一侧的安装支架上，并确保在舱门开关的完整过程中，对目标靶球的跟随。

图2 系统硬件设计架构Fig.2 System hardware design architecture diagram

机器人末端结构设计如图3所示，空间分布包括机器人、力控传感器、转动关节、电动抓手以及末端夹指。机器人通过力控传感器采集开舱门过程中的相互作用力/力矩，对机器人轨迹及速度实时修正，以达到在各种约束下，完成多自由度柔顺开舱门的测试作业要求。

图3 机器人末端结构设计Fig.3 Structure design drawing of robot end

2 系统软件设计

系统软件主要由上位机的拖动示教模块及力-位控制模块等模块组成。智能动作系统软件平台的总体设计分为3 个执行层次实现，如图4所示。开舱门主控模块是人机交互层，主要包括各个功能按钮的设计；业务调度模块将用户按钮触发事件解析成业务指令，实现业务指令分析调度；各个子模块包括机器人模块、拖动示教模块、力-位控制模块等模块实现各个设备的运动控制执行或子功能模块的数据采集传输及记录。

图4 系统软件设计架构图Fig.4 System software design architecture diagram

2.1 拖动示教模块设计

2.1.1 界面设计

界面开发采用.NET 框架类库的Winform 窗体相应控件，.NET 框架是一个多语言组件开发和执行环境，它提供了一个跨语言的统一编程环境。

本文采用Visual Studio 开发平台，基于.NET 开发设计了机器人拖动示教操作显示界面，实现拖动示教、修改采集延时以及记录点位等功能。拖动示教显示界面如图5所示。

图5 拖动示教交互界面Fig.5 Drag and teach interactive interface

2.1.2 功能设计

拖动示教模块主要包括以下4 个子功能模块：

（1）点位记录延时参数设置：根据操作人员拖动速度，可修改点位记录延时时间，调整采集点位时域密度；

（2）力控拖动示教：启动机器人力控功能，机器人末端的六维力传感器感知到外力/力矩作用时，可控制机器人沿力/力矩作用方向运动，实现拖动机器人运动功能；

（3）机器人点位记录存储：机器人被拖动过程中，上位机可根据点位记录延时参数，按照指定时间间隔记录当前机器人点位，并自动保存在指定目录文件中；

（4）点位写入机器人控制器：将已经记录并保存的机器人点位数据批量写入到机器人控制器中。

2.1.3 工作流程设计

拖动示教工作流程如图6所示。主要包括以下工作流程：

图6 拖动示教流程Fig.6 Drag teaching flow chart

（1）启动拖动示教：开启机器人力控功能，机器人实时采集外部力/力矩；

（2）拖动机器人：操作人员施加力于力传感器末端，拖动机器人运动，产生目标轨迹；

（3）点位记录：上位机实时记录机器人末端轨迹点；

（4）点位批量写入：获得机器人控制系统写权限，将已记录点位批量一次性写入机器人控制系统；

（5）点位修改：根据实际开关舱门要求，将轨迹点位速度等参数进行修改。避免速度不均匀导致舱门冲击，对舱门产生损坏。

2.2 力-位控制模块设计

2.2.1 界面设计

力-位控制模块界面实现实时采集并显示力/力矩数据等功能。力-位控制模块界面如图7所示。

图7 力-位控制模块界面Fig.7 Force-position control module interface

2.2.2 功能设计

力-位控制模块主要包括以下4 个子功能模块：

（1）电爪控制模块：包括电爪夹紧闭合动作控制以及夹爪推压力控制，保证一定夹持力，实现抓取舱门把手；

（2）机器人力-位控制模块：采用速度控制模式，通过力/力矩传感器反馈信息，控制机器人运动速度，以恒定轨迹及恒定力进行开关舱门作业；

（3）外部位置传感器模块：包括位置传感器等外部感知模块，提供舱门到位反馈信号，对舱门位置进行精确定位；

（4）急停模块：包括急停光栅及急停按钮等控制，保证紧急情况对机器人停止操作。

2.2.3 工作流程设计

由于舱门正常工作状态时，舱门开关轨迹固定，且开关门力在已知范围内，为了使机器人柔顺开关舱门，需保持恒定轨迹开关舱门，通过力控系统反馈实时力/力矩，设定机器人开舱门力/力矩大于参考值时，进行减速运动，直至力/力矩减小到参考值以下。在开关舱门过程中，为了避免舱门铰链等部件磨损，舱门开关阻力增大，力控模块需设置最大保护力/力矩，保护舱门及机器人安全。力-位控制开关舱门工作流程如图8所示。

图8 力-位控制开舱门流程Fig.8 Flow chart of force-position control to open the door

工作流程主要包括以下步骤：

（1）抓取舱门把手：机器人移动至把手抓取位，电爪抓取舱门把手；

（2）打开舱门：机器人启动力控，打开舱门到底；

（3）松开舱门把手：电爪松开舱门把手；

（4）重新抓取舱门把手：电爪重新抓取舱门把手；

（5）完成关门动作：机器人启动力控，完成关门动作。

3 系统验证

智能动作系统现场布局如图9所示。主要设备机构包括智能动作系统、舱门及舱门台架。

图9 智能动作系统现场布局Fig.9 Field layout of intelligent action system

3.1 拖动示教模块验证

当操作人员牵引机器人末端时，安装在机器人末端的六维力/力矩传感器感知到外力作用，其内部半导体硅发生应变，放大器将应变信号放大并转换成标准的电压输出信号，经AD 数据转换器输出数字信号，再通过通信接口输入到机器人控制系统中，经过机器人力控模块运算处理，就可以得到操作人员实际施加在末端工具的外力/力矩，最终按照相应控制逻辑编写成运动指令，控制机器人进行柔顺力觉示教。上位机实时记录机器人点位，生成开关舱门轨迹，并写入到机器人控制器中，完成舱门轨迹拖动示教。

3.2 力-位控制模块验证

机器人在开关舱门过程中，利用机器人力控模块数据采集功能，实时反馈末端力/力矩数据，智能动作系统采集并记录显示当前力/力矩变化状态，监控开关舱门全过程。

试验证明，智能动作系统能达到乘务人员开关舱门的模拟仿真情况，替代人工试验完成舱门解锁、解闩、提升以及外开等动作并有效检测其耐久性。本系统实现了机器人开门时间为7.5 s，开关门频率大于2 次/min。满足开门力双向最大不超过220 N 要求。经过测试，本系统具备完成24 万次以上开关舱门循环试验的能力。

4 结语

本文提出了基于六轴力/力矩传感器控制的智能动作控制系统。经过了多个型号的飞机舱门耐久性测试的应用，测试结果表明系统满足飞机舱门耐久性的测试要求。这种结合拖动示教及力-位控制的智能动作系统具有人机交互友好等优点，有效提升了机器人点位示教的效率，提高了自动开关舱门的柔顺性和可靠性，能够推动飞机舱门的研制与应用进程。