基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法技术

本发明专利技术公开了基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，利用协作机器人代替人进入驾驶室进行操作，并使用机器人自身传感器测得其操纵曲线的方法。测试装置包括协作机器人、二指抓手、垫高平台、飞机驾驶舱，二指抓手安装在协作机器人末端，垫高平台固连在飞机主驾驶舱的驾驶员座位处,协作机器人固连在垫高平台上，调整其工作空间对于驾驶舱内的各项操作的可达性；机器人在操作人员的指令下，通过自动化测试软件完成协作机器人舱内坐标系的标定、协作机器人的编程运动、方向盘操纵力和位移数据的采集，最终完成外部机器人操纵曲线的绘制，通过曲线的换算关系、阻抗模式系数的选取及与内部传感器曲线图对比，得到方向盘的安装偏差。安装偏差。安装偏差。

【技术实现步骤摘要】
基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法


[0001]本专利技术属于协作机器人应用领域，具体涉及一种利用机器人完成飞机驾驶室操作，并通过机器人内部的力矩传感器和角度传感器实现飞机驾驶舱方向盘操纵测试的方法。

技术介绍

[0002]飞机总装测试阶段需要对飞机驾驶操纵部件(如方向盘、驾驶柱和脚蹬等)进行位移和力特性测试，测试方法是内部数据通过飞控地面维护设备读取机载飞控计算机上测得的飞机驾驶操纵部件上的位移与力传感器数据，外部操纵的数据理论上也应通过外部的带位移与力传感器的测量装置测量获取数据，然后比对其是否在允差范围内。但目前国内的测试现状是测试人员通过经验感知，或用弹簧秤和规尺等工具进行极限位置值检测，也尝试开发过外部测量装置，因使用不便没有推广应用。
[0003]随着机器人技术的进步和制造模式的变革，近年来协作机器人越来越受到世界各国的重视。根据ISO 10218
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2中的定义，协作机器人是指能够在指定的协作区域内与人进行直接交互的机器人。目前，典型的协作机器人有KUKA iiwa、ABB Yumi、Sawyer、Baxter、Franka等。与传统的工业机器人相比，协作机器人具有安全性高、通用性好、灵敏、精准、易于使用和便于人机协作等优点。上述优点使得协作机器人不仅在制造领域中得到应用，而且在家庭服务和康复医疗等领域也具有潜在的应用价值。
[0004]协作机器人由于各关节上安装有力矩传感器，能够感知外界情况，因此可以基于关节力矩的测量值进行反馈控制，可以实时探测与外界的接触受力，从而做到危险情况急停。协作机器人的使用，其高精度能够保证测试的可靠性，实现对于不同飞机测试的一致性。7关节冗余可以根据飞机舱内的实际障碍物，调整自身姿态，从而完成狭小空间路径规划。
[0005]因此，本专利技术利用协作机器人代替测试人员进行飞机驾驶操纵，以驾驶方向盘为例，利用机器人本身的位移与力传感器生成驾驶操纵部件的外部位移与力操纵曲线的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决飞机总装测试过程中，人工从外部获得飞机驾驶操纵位移/力曲线难的问题，提出了一种利用协作机器人代替人进入驾驶室进行操作，并使用机器人自身传感器测得其操纵曲线的方法。
[0007]本专利技术采用如下的技术方案，基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，包括协作机器人、二指抓手、垫高平台、飞机驾驶舱，二指抓手安装在协作机器人末端，垫高平台固连在飞机主驾驶舱的驾驶员座位处，总装阶段不安装座位，利用驾驶舱地板上安装座位的孔位固定垫高平台，协作机器人底座固连在垫高平台上，调整其工作空间对于驾驶舱内的各项操作的可达性。
[0008]进一步，所述的协作机器人为7轴机器人，阻抗模式可以在末端产生一个虚拟弹簧，用以解决机器人转动方向盘的刚性轨迹出现憋死问题。
[0009]进一步，所述的协作机器人7个轴上都安装有力矩传感器，可以检测出各轴的力矩，并通过雅可比矩阵计算出末端的受力。
[0010]进一步，为了不损伤飞机驾驶舱的地面，垫高平台的安装孔应配合座椅安装孔来设计。
[0011]进一步，为了保证抓手夹持方向盘的稳定性，将抓手的夹指设计成包裹方向盘延长杆的弧形结构。
[0012]本专利技术提供了上述飞机自动化测试的协作机器人测试装置的标定方法，其步骤依次为：舱内坐标系的标定；协作机器人的编程运动；方向盘操纵曲线的换算关系；阻抗模式系数的选取及外部机器人、内部传感器曲线图对比。
[0013]所述的舱内坐标系的标定，是指以机器人的底座中心为原点，飞机前进方向为x轴，机翼方向为y轴，竖直方向为z轴建立基座标系，然后以方向盘旋转中心建立局部坐标系。标定的具体方式是在机舱的横梁上安装1台工业3D相机，通过拍摄驾驶舱内环境得到其3D点云，从而实现空间距离的测量。
[0014]所述的协作机器人编程运动是指：通过之前建立的基座标系、局部坐标系，以及设置的操作方向盘的位置坐标，就可以通过PTP(Point
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To
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Point)运动到达指定点，考虑到避免碰撞以及机器人与方向盘工装的精确对接，在接近目标点处采用柔顺控制，通过预先设置的阻抗系数实现柔顺对接。
[0015]所述的方向盘操纵曲线的换算关系是指：对于方向盘旋转角度测量首先需要通过各轴转角算出末端的实时笛卡尔位置，然后对于圆心求反三角函数得到方向盘转角；对于方向盘的扭矩，需要结合机器人末端姿态算出当前雅可比矩阵，然后根据各轴扭矩算出末端的受力，最后根据实际位置处的力矩大小和末端受力算出方向盘的扭矩。
[0016]所述的阻抗模式系数的选取是指：对于编程运动的轨迹和方向盘既定圆弧轨迹的对比，算出阻抗模式带来的精度误差和对机构造成损伤的径向力，将精度误差和径向力合成为一个评价指标，通过指标最小求解出最合适的阻抗模式劲度系数k。
[0017]所述的外部机器人、内部传感器曲线图对比是指：通过读取飞机内部传感器测出的方向盘操纵曲线和机器人测出的方向盘扭矩与转角的比值，在matlab里分别作出两者的曲线图，观察两者的区别从而对方向盘进行调整。
[0018]本专利技术具有的有益效果：
[0019]1)相对于传统的需要耗费大量人力的人工测试方法，本专利技术采用机器人进入驾驶舱模拟驾驶，大大提高了测试效率。目前已经实现了飞机数字化制造、数字化装配，而在结构件和成品安装完成后，整机系统的测试还停留在分立式、人工测试为主的状态，本专利技术提供的协作机器人测试方法，不仅能获取系统闭环数据，提高测试效率和准确性，还能增加测试覆盖，精准化数据分析、测试结论。
[0020]2)本专利技术提高了测试的客观性与可重复性。通过机器人编程，可以保证每次的操作力与位移基本不变，相对人工操作，其可重复性更好。机器人转动方向盘实验做出的操纵曲线与内部传感器的曲线对比说明了这一点。
附图说明
[0021]图1：本专利技术的应用环境飞机模拟驾驶舱结构图。
[0022]图2：本专利技术的采用的机器人辅助操作系统。
[0023]图3：本专利技术采用的夹指设计。
[0024]图4：本专利技术通过编程实现节拍运动。
[0025]图5：本专利技术的方向盘操作过程分析。
[0026]图6：本专利技术的阻抗模式受力分析。
[0027]图7：本专利技术采用的机器人辅助检测流程图。
[0028]图8：本专利技术通过内部传感器测出的操纵曲线。
[0029]图9：本专利技术通过机器人测出的空载操纵曲线。
[0030]图10：本专利技术通过机器人测出的负载操纵曲线。
[0031]图11：本专利技术通过机器人测出的纯方向盘操纵曲线。
[0032]图12：本专利技术内部传感器与机器人获得的操纵曲线对比。
[0033]图13：本专利技术的编程曲线与实际位移曲线对比。
[0034]图中编号说明：1
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主方向盘；2
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主驾驶柱；3
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主脚蹬；4...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于使用协作机器人、二指抓手、垫高平台在飞机驾驶舱内进行方向盘操纵曲线测试，二指抓手安装在协作机器人末端，垫高平台固连在飞机主驾驶舱的驾驶员座位处，利用驾驶舱地板上安装座位的孔位固定垫高平台，所述的协作机器人固连在垫高平台上，并留有协作机器人能完成驾驶舱内各项测试操作的空间。2.根据权利要求1所述的基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于所述的协作机器人为7轴机器人，阻抗模式在末端产生一个虚拟弹簧。3.根据权利要求2所述的基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于所述的协作机器人7个轴上都安装有力矩传感器，可以检测出各轴的力矩，并通过雅可比矩阵计算出末端的受力。4.根据权利要求1所述的基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于所述的二指抓手的夹指为包裹方向盘延长杆的弧形结构。5.根据权利要求1所述的基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于其步骤依次为：舱内坐标系的标定；协作机器人的编程运动；方向盘操纵曲线的换算关系；阻抗模式系数的选取；外部协作机器人、内部传感器曲线图对比。6.根据权利要求1所述的基于协作机器人的飞机驾驶舱方向盘操纵测试方法，其特征在于所述的舱内坐标系的标定，是指以协作机器人的底座中心为原点，飞机前进方向为x轴，机翼方向为y轴，竖直方向为z轴建立基座标系，然后以方向盘旋转中心建立局部坐标系，标定的具体方式是在机舱的横梁上安装1台工业3D相机，通过拍摄驾驶舱内环境得到其3D点云，从而...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锋，范军华，刘贡平，穆志国，王萍，方强，魏燕定，胡逸波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：