蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)研究*

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術航空科技重點實驗室 姚艷彬 杜兆才 魏志強

目前，飛機中存在大量諸如盒段、進（排）氣道等具有復雜狹窄內腔特征的零部件需要進行裝配作業(yè)。例如，翼盒內腔需要進行涂膠、去毛刺、多余物清除等裝配作業(yè)。飛機復雜狹窄內腔的裝配質量直接影響飛機的安全性、疲勞壽命以及穩(wěn)定性。對于復雜狹窄內腔裝配，人工操作難度高、勞動強度大、效率低。常規(guī)的自動裝配系統(tǒng)由于尺寸的限制也很難完成此類作業(yè)。蛇形臂機器人具有長徑比大、自由度多、運動靈活以及環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，是解決復雜狹窄內腔裝配難題的最佳方案。

目前，國外許多研究機構已經(jīng)對應用于安檢、醫(yī)療以及航空制造等領域的蛇形機械臂機器人進行了比較深入的研究。美國波士頓大學研制了一種用于臨床醫(yī)療手術的蛇形臂機器人Concentric-tube[1-2]，該機器人由3個空心柔性管嵌套組成，共有6個自由度，通過改變每跟管子旋轉的角度和伸出的距離，就可以改變整個機器人的長度和彎曲度實現(xiàn)機器人形狀的控制，進而完成相關的醫(yī)療手術。MICHAEL和IAN[3]設計了一種名為Elephant's Trunk的用于抓取物體的蛇形臂機器人。該機械臂由16個虎克鉸構成，該蛇形臂結構緊湊，變形更加均勻平滑。在后續(xù)工作中，IAN和MICHAEL建立了Elephant's Trunk Manipulator的數(shù)學模型，使用基于圖像的形狀檢測法對該機械臂的性能進行了進一步研究。英國OC Robotics公司為空客英國公司開發(fā)了一類蛇形臂機器人[4]，能夠鉆入機翼內部進行檢測、緊固和密封（見圖1），為蛇形臂機器人在航空制造領域的工程化應用前進了一大步，但其核心技術仍處于技術封鎖狀態(tài)。

圖1 OC Robotics蛇形臂機器人

國內開展蛇形臂機器人的研究起步較晚，因此取得的相關研究成果相對較少。HU 和WANG等[5]研制了一種新型的結腸鏡蛇形臂機器人（見圖2）。該機器人總長600mm，直徑12mm，共分5段，每段具有2個自由度，機器人每段均通過鋼絲繩由直流電機驅動。在航空基金項目“飛機裝配用蛇形臂結構研究”的支持下，北京航空制造工程研究所研制了一套具有8個自由度的蛇形臂機器人原理樣機（見圖3）。

總之，目前面向飛機復雜狹窄內腔裝配的蛇形臂機器人技術，在航空制造發(fā)達國家已處于技術驗證和初期應用階段，但其相關核心技術仍處于技術封鎖狀態(tài)。國內關于蛇形臂機器人的研究已取得了一定的成果，但與國外相比，無論在理論研究還是工程化應用方面都存在很大差距，面向飛機裝配的蛇形臂機器人研究尚未見諸報道?；趪鴥韧庋芯壳闆r，針對飛機復雜狹窄內腔裝配需求，本文針對蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)進行了研究，涉及仿生機器人、飛機數(shù)字化柔性裝配以及視覺導航等技術。

蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)總體架構

根據(jù)復雜狹窄內腔結構、裝配需求以及蛇形臂機器人的特點，總結出面向復雜狹窄內腔的蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)總體架構如圖4所示。

蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)主要包括蛇形臂機器人、視覺導航系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、移動定位系統(tǒng)以及上位機及遠程操控系統(tǒng)5大模塊。蛇形臂機器人是裝配系統(tǒng)的核心，主要作用是根據(jù)裝配任務移動末端執(zhí)行器到目標位置；視覺導航系統(tǒng)一般安裝在蛇形臂末端，用于空間場景識別、檢測障礙物并向上位機反饋空間場景及障礙物位置特征，實現(xiàn)機器人避障運動；末端執(zhí)行器主要用于執(zhí)行涂膠、檢測、去毛刺等裝配作業(yè)；移動定位系統(tǒng)主要用于擴展蛇形臂機器人的運動范圍，可根據(jù)任務需求使用工業(yè)機器人或AGV小車；上位機及遠程操控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)并進行遠程操作，可通過PC、筆記本或多功能操縱桿采用自動、半自動或手動模式操控機器人運動。

圖2 結腸鏡蛇形臂機器人

圖3 8自由度蛇形臂機器人

圖4 蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)

蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)在飛機裝配中得到應用，需突破蛇形臂結構仿生設計、非結構化環(huán)境視覺導航以及柔索驅動多軸協(xié)同控制3大關鍵技術。以下分別從蛇形臂機器人仿生結構、視覺導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3方面對蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)進行論述和分析。

蛇形臂機器人仿生結構設計

圖5 蛇類脊椎骨結構圖

蛇類是爬行動物無肢進化的頂點,它的肌肉和骨骼組成的關節(jié)比較復雜, 具有多自由度[6]。一條蛇往往有100～400根脊椎骨。但每根脊椎骨的構造十分簡單,每根脊椎骨的突起可以和相鄰脊椎骨的凹陷結合（見圖5）, 形成一個類球鉸結構。通過周圍肌肉的伸縮, 實現(xiàn)關節(jié)間相對的轉動。

圖6 蛇形臂結構示意圖

根據(jù)蛇類脊椎骨結構特征及運動機理， 蛇形臂可采用一系列球鉸或虎克鉸串聯(lián)構成中心脊椎。根據(jù)是否含有欠驅動關節(jié)以及關節(jié)驅動位置，蛇形臂可分為全驅動型和欠驅動型兩類。全驅動型蛇形臂每個鉸鏈均為主動關節(jié)（見圖 6（a）），該類型機器人為超冗余度機器人范疇。欠驅動型蛇形臂由若干節(jié)串聯(lián)構成，每節(jié)由若干段組成，每段包括一個鉸鏈。每節(jié)末端鉸鏈為主動關節(jié)，其余鉸鏈均為被動關節(jié)，外部用彈簧保持剛度和形狀（見圖6（b））。該類型的蛇形臂機器人是一種仿連續(xù)體機器人。

表1 蛇形臂驅動方式對比

適合蛇形臂的驅動方式有電機直驅、電機+柔索驅動和氣液驅動，3種驅動方式的特點比較見表1。

經(jīng)綜合對比分析，電機+柔索的驅動方式適合用于面向飛機裝配的蛇形臂機器人，采用該驅動方式的蛇形臂具有體積小、質量輕、結構相對簡單且驅動與傳動分離等優(yōu)點。

圖7 蛇形臂機器人本體總體結構圖

根據(jù)蛇形臂的結構和驅動特性，可將蛇形臂機器人本體可劃分為蛇形臂模塊以及驅動裝置（見圖7），驅動裝置位于蛇形臂底部。

視覺導航系統(tǒng)

視覺導航系統(tǒng)用于向上位機和控制系統(tǒng)提供未知環(huán)境中的障礙物和目標等位置信息，進而指導蛇形臂機器人實現(xiàn)自主避障，完成狹窄空間內的裝配作業(yè)。

1 硬件設計與實現(xiàn)

圖8 視覺導航系統(tǒng)硬件連接示意圖

視覺導航模塊的硬件系統(tǒng)主要由兩臺微型相機、LD激光器、環(huán)形LED光源、控制盒、工控機以及實時圖像顯示器6部分組成。其中，兩臺微型相機安裝在蛇形臂末端，其光軸為平行分布。圖8為視覺導航系統(tǒng)硬件連接示意圖。

微型相機的主要作用是輔助機器人識別場景中的障礙物和目標物體；LD激光器用于為視覺相機提供前方空間中物體的輪廓信息；LED照明光源主要是在黑暗的環(huán)境中提供照明；控制盒主要是為相機、激光器和光源提供電能，負責控制相機信號的采集與傳輸；工控機負責信息的處理和控制信號的發(fā)送；實時圖像顯示器用于將采集到的圖像以及處理結果顯示給操作用戶。

2 軟件設計與實現(xiàn)

圖9 視覺導航軟件程序流程

視覺導航軟件系統(tǒng)主要用于計算目標和障礙物的位置信息、雙目立體視覺標定、圖像顯示以及光源光強控制等任務。根據(jù)任務和功能需求，視覺導航軟件系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

控制系統(tǒng)設計

蛇形臂機器人采用柔索驅動，電機數(shù)量多，對多軸協(xié)調控制要求高，柔索驅動多軸協(xié)調控制的性能將直接決定蛇形臂的運動能力。

1 硬件設計與實現(xiàn)

蛇形臂機器人的實時性及復雜性對控制系統(tǒng)提出較高要求，為了實現(xiàn)系統(tǒng)精確控制，采用基于工控機IPC與UMAC多軸運動控制器的多軸協(xié)調控制方法。

圖10 控制系統(tǒng)總體方案

圖11 控制系統(tǒng)原理框圖

圖10和圖11分別為蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)控制系統(tǒng)總體方案和控制系統(tǒng)原理框圖。IPC用于實現(xiàn)任務分配、后臺管理調度和人機交互接口等功能，對蛇形臂、控制分系統(tǒng)、視覺分系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調控制、指令發(fā)送、信息采集、狀態(tài)監(jiān)控等。同時，IPC是蛇形臂位姿指令的發(fā)送地和反饋信號的接收地，最終實現(xiàn)蛇形臂位姿伺服控制和反饋信號的存儲；UMAC控制器可通過內部PLC程序實現(xiàn)控制面板操作與管理、功能選擇與控制等，并通過I/O卡采集（或發(fā)送）各類信號，并充分發(fā)揮其內部資源，對信號進行隔離、濾波、調理等處理。

圖12 軟件系統(tǒng)功能模塊及工作流程示意圖

2 軟件設計與實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件設計是整個控制系統(tǒng)核心的部分，蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)功能模塊及工作流程如圖12所示，軟件系統(tǒng)主要包括參數(shù)設置、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)運行以及狀態(tài)監(jiān)控5大模塊。

試驗驗證

圖13 蛇形臂機器人系統(tǒng)

針對飛機復雜狹窄內腔裝配需求，研發(fā)了一套蛇形臂機器人裝配（見圖13）。該系統(tǒng)主要包括蛇形臂機器人、視覺導航系統(tǒng)以及移動定位平臺。蛇形臂的質量為5kg，直徑為90mm，長度為1500mm。

1 蛇形臂運動性能試驗

圖14 蛇形臂運動性能試驗

對蛇形臂的運動性能進行測試，如圖14所示。試驗結果表明，蛇形臂最大轉動角度大于180°，外形可以靈活改變，可以實現(xiàn)預期動作。

2 狹窄空間避障運動試驗

圖15 避障運動試驗系統(tǒng)

搭建如圖15所示的避障運動試驗系統(tǒng)，驗證蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)的視覺導航和避障運動能力。驗證環(huán)境為1000mm×1000mm×1000mm的立方體空間，立方體前板開孔用于穿過蛇形臂，立方體空間布置活動的擋板和圓柱體等障礙物。

圖16為避障試驗現(xiàn)場。試驗結果顯示，蛇形臂機器人系統(tǒng)運動穩(wěn)定， 蛇形臂機器人能夠在視覺系統(tǒng)的導引下實現(xiàn)自主避障運動。

結束語

本文總結出蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)總體架構，提出了一種蛇形臂仿生結構設計方法，設計并分析了蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)的視覺導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。最后研制出一套蛇形臂機器人裝配系統(tǒng)樣機并進行了試驗分析與驗證。試驗結果表明，蛇形臂最大轉動角度大于180°，外形可以靈活改變，能夠檢測出障礙物并實現(xiàn)自主避障，進而驗證了本文所提出的方法及系統(tǒng)合理性。

[1] PIERRE E. Dupont, JESSE Lock.design and control of concentric-tube robots.IEEE Transactions On Robotics, April 2010,26(2):209-225.

[2] JESSE L, GENEVIEVE L. Quasi static modeling of concentric tube robots with external loads. The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,Taipei, China, 2010:2325-2332.

[3] MICHAEL W H, IAN D W. Kinematics and the implementation of an elephant's trunk manipulator and other continuum style robots.Journal of Robotic Systems, 2003, 20(2): 45-63.

[4] OC Robotics company. OC robotics applications & solutions[EB/OL].[2015-10].http://www.ocrobotics.com/applications--solutions/aerospace/.

[5] HU H, WANG P F, ZHAO B, et al.Design of a novel snake-like robotic colonscope.Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Guilin,China. December 2009:1957-1961.

[6] Kousuke Inoue, Kaita Nakamura,Masatoshi Suzuki, et al. Biological system models reproducing snakes' musculoskeletal system.The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, China 2010:2383-2388.