基于UR机器人的航空发动机试验过程远程监控系统设计
2023-12-29周伟焦春亭刘厚德梁论飞
周伟，焦春亭，刘厚德，梁论飞
（1.江淮前沿技术协同创新中心，合肥 230093；2.重庆大学，重庆 400044；3.清华大学 深圳国际研究生院，广东 深圳 518055；4.哈尔滨工业大学，广东 深圳 518055）
0 引言
航空发动机在产品研制过程中需要对核心机进行试验，核心机的试验是一项高危环节[1]，需要在密闭的空间内进行，为了能够实时监控试验过程，并对过程中发生的故障情况及时发现并及时报警，需要建设一套核心机试验的远程监控系统[2]。该系统需要满足以下主要目标：1）通过机械臂搭载摄相机的方式实现发动机试车过程中的慢车检查，辅助试验人员解决试验过程中试车间内环境恶劣、人员难以工作的问题；2）通过智能视觉识别算法，实现对试验过程中特定异常的智能识别与报警，辅助试验人员及时发现试验过程中的特定异常；3）对试验过程采集的视频、识别的结果等进行有效的展示，辅助试验人员决策。
1 详细设计
1.1 整体功能设计
针对发动机试验现场监控需求，通过控制机械臂运动带动摄相机到特定观测位置，采用图像识别方式对采集的画面进行视觉检测，判断分析试车过程中的特定异常，数据通过网络上传至监控管理平台，使得操作人员可以在监控室完成对现场的观察与操作。
1.1.1 机械臂控制
由于整个试验过程需要对发动机的多个不同部位进行监测，并且可能存在位置的调整[3]，因此需要监控系统具备相对灵活的操作方式，通过使用图形化界面的示教器对机械臂进行示教操作，简单易用，路径也可重复设置，以保证对每次试验的精准监测。同时在某些特殊情况发生导致机械臂不能继续按照示教模式运行时（如管路意外阻挡示教路径），可切换至手动控制模式，控制机械臂移动至安全区域。
机械臂具有示教控制和手动控制两种工作模式：1）机械臂可按照示教路线进行巡检操作；2）如遇紧急情况可以一键暂停；3）机械臂具备手动控制功能；4）可在巡检过程中暂停，手动控制进行观测，复位后可再次进入巡检模式自动巡检；5）具备光幕区域限制功能，可实现机械臂防碰撞功能。
1.1.2 视觉检测算法
采用人工智能算法对试验过程采集的图像数据进行模型训练，使用训练好的模型对试验过程中出现的渗漏油、连接器松动、火光异常进行推理与类别判断，实现对视频内的疑似上述异常情况的判断与报警。
1.2 现场布局设计
该场景的现场设备部署示意图如图1所示。
图1 设备部署示意图
整个系统所有的硬件设备都部署在试验厂房，其中机械臂组件采用模块化设计，每组包含1 台机械臂、1～2个固定摄像头组件、1～2个光幕激光扫描器组件、POE交换机等。
2 基于UR机器人监控设计
2.1 机械臂选型
本系统使用来自丹麦的优傲协作机械臂，型号为UR3和UR5，如图2（a）所示，共使用4台，包括2台UR3和2台UR5。UR机械臂因其安全性高、协作性强、编程简单、安装快速、部署灵活等特点，被广泛应用于工业现场[4]。
图2 UR3/UR5机械臂实物图及相关参数
UR3是轻型的、可台面安装的6轴关节机械臂，适合在紧凑环境中应用，可提供较好的灵活性和定位精度，UR3有效负载3 kg，运动半径为500 mm；UR5有效负载5 kg，运动半径为850 mm。机械臂采用模块化设计，每个关节运动范围±360°；最大工具端运行速度为3 m/s，重复定位精度为±0.03 mm，机械臂I/O信号包括数字和模拟信号，通信采用满足TCP/IP MODBUS协议的以太网通信，UR3/UR5机械臂的参数如图2（b）所示。
示教器采用12 in触摸屏，运行PolyScope图形用户程序；机械臂控制箱电源为交流220 V，运行典型程序消耗功率只有200 W；机械臂工作环境温度范围为0～50 ℃，机械臂控制箱的参数如图2（c）所示[5]。
2.2 机械臂底座设计
2.2.1 总体设计
按照系统整体灵活架设的设计要求，考虑到实际试验场地的操作空间相对有限，机械臂不可能始终占用试验平台的操作空间，因此机械臂需要满足便于移动以及在试验平台上部署固定的要求，在试验开始前可将机械臂推行至指定监测位置，在试验结束后可以推动离开试验平台的操作位置。鉴于上述操作要求，设计可移动的机械臂底座，如图3（a）所示。
图3 机械臂底座三维图
如图3（b）和图3（c）所示，机械臂底座机械臂底座的设计考虑到对机械臂控制系统的防护，具备一定的防尘防水能力，整个底座的尺寸（长×宽×高）为760 mm ×480 mm ×700 mm，机械臂的控制器、示教板及电气设备都安装在底座柜内（柜门可打开），底座内还通过螺钉固定了POE交换机、散热风扇等元器件，整体具备防喷淋的防水能力。底座上还设计有开关和急停按钮以及和外部通信的接口。开关和急停按钮均选用防水型号，外部接口也选用防水航空插头，从而保证了机械臂底座的防护性能。
2.2.2 摄相机设计
1）移动摄相机的设计。移动摄相机通过夹具固定在机械臂末端，如图4（a）所示。随着机械臂的运动，实现摄相机的运动。
图4 摄相机夹具设计
2）固定摄相机设计。固定摄相机有两种方案。通过夹具直接固定在试验平台上，如图4（b）所示。
2.2.3 激光光幕扫描器设计
激光光幕扫描器通过夹具固定在移动底座上，如图5所示。
图5 激光光幕扫描器夹具
2.2.4 底座固定设计
底座下部有4个脚轮便于操作人员推动，底座上方有便于手扶推动的把手。脚轮选用防震型水平调节脚轮，可通过调节把手调节脚轮底座的高度，使轮子脱离地面，防止移动。另外，脚轮上的支撑底座材质为尼龙或丁腈橡胶，具备一定的防震能力。底座下方提供了2个固定螺栓，在试验平台上需要开M8的螺孔以用于螺栓固定，底座细节如图6（a）所示。
图6 底座固定设计
底座固定有两种方式，一种如图6（a）所示，固定在试验平台底面；另一种通过支架固定在试验平台踢脚线上，如图6（b）和图6（c）所示。
2.3 机械臂控制设计
机械臂共有两种控制模式：1）示教控制；2）手动控制。根据现场监控系统的使用场合，在正常巡检过程中使用示教控制模式，在巡检任务开始之前，先使用机械臂示教器通过手动拖动机械臂移动的方式规划机械臂的运行路径，将示教路径保存在机械臂控制器内以供现场平台调用，在系统启动巡检任务时，机械臂即按照示教的路径运行，并反馈当前坐标位置给现场平台；当监控人员发现问题并需要手动控制机械臂时，可以切换至手动控制模式，通过人工判断机械臂的位置并确定操作路径，然后再通过现场平台上的操控界面实现对机械臂在安全区域内的远程手动控制。2.3.1 示教控制模式
整个示教过程可通过UR提供的示教器完成，在操作现场机械臂完成开机后，使用示教器运行Polyscope软件对机械臂进行示教操作，示教完成后，现场平台通过以太网与机械臂控制器连接通信，使用机械臂DashBoard的通信模式来启动或者停止机械臂，按照示教线路执行巡检任务。
示教器面板软件界面如图7所示。示教器软件会实时以3D视角形式显示机械臂的当前位置。按下放大镜图标可缩放视角，拖动机械臂三维建模图像可更改视角。选择界面上的视角特征并旋转3D图的查看角度，可获得控制机械臂的最佳角度；示教机械臂有两种方式，一种是通过点击软件左侧的方向按钮控制机械臂运动到指定位置，另一种可以点击自由驱动按钮，这样可以人工带动机械臂运动完成整个示教过程。当机械臂TCP（Tool Central Point，工具中心点）离开极限区域时，3D成像消失。如果TCP违反边界限制或接近边界极限，则机械臂成像会变成红色。
图7 示教器面板软件界面
2.3.2 手动控制模式
机械臂手动控制通过UR 机械臂的Primary &Secondary接口实现，该接口由机械臂控制器内部进程维护和执行。机械臂开机后，会一直通过这两个接口以10 Hz频率对外发送机械臂的状态信息（机械臂位置、I/O、运行状态等），现场的视觉分析服务器会监听以上数据。现场平台界面上机械臂的手动控制面板会向视觉分析服务器发送机械臂的控制指令（上、下、左、右、前、后、左转、右转、俯、仰），视觉分析服务器接收到这些指令会通过Primary端口向机械臂发送控制脚本；Primary & Secondary接口在接收到发送的脚本指令字符串后会立即中断当前执行程序（如果机械臂正在示教模式运行），然后运行接收到的脚本指令。下面是具体发送程序的设计实例，下发控制指令按照图8（a）所示格式发送。现场平台中机械臂手动控制的操作界面如图8（b）所示。
图8 机械臂控制脚本格式及界面
2.4 机械臂防碰撞
为了保障机械臂运行时不会触碰到发动机本体，避免接触后对发动机造成伤害，在机械臂的运动控制上设计了区域防碰撞功能，通过软件虚拟边界和激光扫描雷达形成的硬边界相结合的方式保证在机械臂运动过程中严格限定其运动区域，保证在运动过程中不会触碰到发动机本体，同时相邻的机械臂也不会相互碰撞，如图9（a）所示。
图9 机械臂防碰撞示意图及激光雷达结构图
按照图9（a）所示位置摆放6台激光扫描雷达，同时在UR控制软件中设置6个虚拟边界。通过软件与硬件相结合的12个安全边界，形成完整的机械臂防碰撞体系。激光雷达选用BEA的RS305型号，具备IP65防护等级，如图9（b）所示。
虚拟边界通过使用UR机械臂自带的安全边界控制功能进行设置，使用示教器控制软件Polyscope在选项卡中对边界限制进行配置。边界限制由安全板及机械臂工具方向的最大允许偏离限制组成，可强制机械臂TCP保持在被定义的安全板的正确一侧，而不超过这些安全板，通过多个安全板的设定可限制机械臂的允许工作空间。最多可配置8块安全板。工具方向的限制可用于确保机械臂工具方向与理想方向的偏差不超过某一指定的数值。边界限制配置界面如图10所示。
图10 机械臂虚拟边界配置
软件界面中，机械臂三维视图中会突出显示配置的安全板，以及与机械臂当前位置相配的机械臂工具的方向边界限制。所有已配置的边界记录，激活的安全板以黄黑色平台图像显示，且有一个小箭头表示该安全板处于正常状态，这表明机械臂TCP允许放置在板子的一侧。当安全板或者工具方向边界限制已配置但未被激活，三维可视化区域将显示为灰色。
激光硬边界是通过外接的6台激光扫描雷达形成激光平面，一旦有物体进入激光扫描面导致激光线束被阻隔，相应的激光扫描雷达就会向机械臂控制器发出硬中断信号，这时机械臂将暂停工作，激光扫描的频率为50 Hz，理论上20 ms即可以判断出机械臂越界情况。激光雷达的I/O中断信号通过屏蔽信号线与机械臂控制箱内的I/O接线端子相连。激光雷达的检测区域可通过遥控器现场设置，包括盲区、抗干扰设置、最小目标尺寸、检测范围等。每次设置好参数后，激光雷达都会自学习，扫描区域内的物体。若出现新的干扰物，则会通过I/O暂停机械臂运动。
3 算法验证
3.1 验证方案
本系统采用现场验证的方式来对系统进行验证，测试了系统的整体功能。
3.1.1 验证工装设计
验证工装如图11（a）所示，包含1个安装板、4个模拟连接器、3处模拟渗漏油。安装板通过螺钉固定在核心机试验台架上，试验过程中能够跟随核心机一起振动，更加真实地模拟实际运行情况。
3.1.2 验证环境搭建
验证时整体现场布局如图11（b）所示。固定工装安装在固定台架上，两台机械臂分别固定试验平台上，部署一台固定相机于试验平台边缘位置。
3.1.3 缺陷设计
系统对核心机试验过程中出现的渗漏油、连接器松动、火光异常等3种缺陷进行推理与类别判断。
1）连接器松动。将连接器拧紧后，画一根直线，然后通过扳手将其中4处连接器拧松到两根线错位间距3～5 mm，将其中4处连接器拧松到两根线错位间距5～9 mm，如图11（c）所示。
2）渗漏油。在工装上3处模拟渗漏油的区域，先均匀喷显影剂后滴油；在核心机表面选择实际不会漏油的区域，均匀喷上显影剂后滴上2滴润滑油。漏油面积需大于3 cm×3 cm，如图11（d）所示。
3）火光。考虑到现场的安全原因，打印模拟的火光图片，将火光图片固定在核心机或固定支架上。
3.2 验证流程
验证分为静态验证和动态验证，分别验证系统在静态和动态下的性能。
3.2.1 静态验证
1）工装件的固定。采用螺栓将工装件固定在核心机试车台的蓝色底座上，该底座与核心机相连接，具有相似的振动模式，可以模拟实际试验过程中的核心机状态。
2）缺陷模拟。按照上述设计模拟缺陷。
3）调整机械臂位置。根据缺陷的位置，调整示教，确保系统监控范围覆盖所有模拟缺陷；对于连接器正常的情况，可直接拍摄核心机上的正常连接器。
4）验证过程记录。在系统中新建监控任务，记录各轨迹点位的结果，若系统报警，则系统认为异常，若系统不报警，则认为该轨迹点状态为正常。
5）算法检测指标计算。
3.2.2 动态验证
1）工装件的固定。采用螺栓将工装件固定在核心机试车台的蓝色底座上，该底座与核心机相连接，具有相似的振动模式，可以模拟实际试验过程中的核心机状态。
2）缺陷模拟。按照上述设计模拟缺陷。
3）调整机械臂位置。根据缺陷的位置，调整示教，确保系统监控范围覆盖所有模拟缺陷；对于连接器正常的情况，可直接拍摄核心机上的正常连接器。
4）验证过程记录。在系统中新建监控任务，记录各轨迹点位的结果，若系统报警，则系统认为异常，若系统不报警，则认为该轨迹点状态为正常。
5）算法检测指标计算。
3.3 验证结果
如表1所示，经过多轮次的迭代与优化，算法在静态测试和动态验证的准确率>80%。
表1 算法验证结果
3.4 测试结论
基于UR机器人的航空发动机试验过程远程监控系统，经过多个版本优化与测试，系统已实现所有预期功能，并通过在现场多次实测，系统运行稳定，算法模型的准确率和召回率>80%,满足客户要求。
4 结语
本文通过设计一套航空发动机核心机试验的远程监控系统，对于解决航空发动机核心机试验过程中人员难以靠近观察核心机的实时状态的问题具有重要意义。系统基于UR机械臂组件搭配摄相机实现了对核心机的多角度、多位置的实时观测，并且通过智能视觉识别算法实现对试验过程中特定异常的智能识别与报警。算法经过多个版本优化与测试，系统运行稳定，算法模型的准确率和召回率大于80%。但是由于现实中航空发动机在试验中极少出现螺丝松动、渗漏油、电火花等缺陷，所以本次算法验证都是通过模拟缺陷完成的，因此结果可能存在一定的失真性，因此本系统的算法模型还需要后期经过长时间的运行后才能得出符合实际的准确率和召回率。
