苗浩原，朱笑笑，周章勇，孫 濤，曹其新

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠航電部，蕪湖 241007；3.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106；4.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院有限公司，上海 200433）

航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)駕駛艙上所有電子系統(tǒng)的總和，一個(gè)最基本的航空電子系統(tǒng)由操控、通信、導(dǎo)航和顯示管理等多個(gè)系統(tǒng)和部件組成。經(jīng)過(guò)定期保養(yǎng)和維修后航電系統(tǒng)部件在裝機(jī)前必須經(jīng)歷航電聯(lián)調(diào)聯(lián)試，為的是驗(yàn)證各系統(tǒng)之間通訊接口及功能的正確性。航電系統(tǒng)作為現(xiàn)代飛機(jī)中的控制核心，其聯(lián)調(diào)聯(lián)試的重要性不言而喻。航電聯(lián)調(diào)聯(lián)試往往在另外搭建的航電聯(lián)試環(huán)境，即模擬座艙中進(jìn)行。環(huán)境中的各類設(shè)備按照實(shí)際裝機(jī)方式連接，加以仿真的外部動(dòng)態(tài)激勵(lì)，以完成航電系統(tǒng)接口及功能的全面考察。艙內(nèi)放置各類航電控制和顯示面板，用于人工操作面板上的開關(guān)和觀察顯示屏上的圖像變化。

當(dāng)前航電聯(lián)試任務(wù)需要人工完成所有測(cè)試流程，操作固定、步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)。若能夠開發(fā)自動(dòng)化航電檢測(cè)系統(tǒng)，則可以使測(cè)試人員擺脫繁重的檢測(cè)任務(wù)，并解決由于疲勞、疏忽等人為因素造成的誤檢測(cè)和漏檢測(cè)，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。另外，航電系統(tǒng)不斷提高的集成化程度，使得自動(dòng)化測(cè)試成為了航電性能測(cè)試的重要趨勢(shì)［1］。國(guó)內(nèi)外已有較多對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的研究，但往往都集中在軟件設(shè)計(jì)或檢測(cè)系統(tǒng)本身的自動(dòng)化設(shè)計(jì)層面，很少有研究關(guān)注目前仍需人為進(jìn)行大部分檢測(cè)操作這一問(wèn)題。

有一些國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)嘗試使用機(jī)器人代替人，完成航電系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)。國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)在2017 年開發(fā)了一套檢測(cè)系統(tǒng)和軟件框架［2］，使用ABB 六軸機(jī)械手臂完成按鈕的點(diǎn)擊等操作。國(guó)外的德國(guó)漢莎技術(shù)（Lufthansa Technik，LHT）公司于2019 年開發(fā)了基于工業(yè)機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)RoC?CET［3］，通過(guò)多攝像頭和精密末端力傳感器完成機(jī)艙檢測(cè)任務(wù)，主要用于民航客機(jī)的空客、波音等機(jī)型的檢測(cè)。上述檢測(cè)系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：使用示教的方法控制工業(yè)機(jī)器人完成開關(guān)的檢測(cè)，較為繁瑣，且系統(tǒng)無(wú)法快速部署至新機(jī)型；機(jī)器人為工業(yè)機(jī)械臂，體積較大，需要安裝在護(hù)欄內(nèi)，即需要搭建另外的檢測(cè)艙，實(shí)用性較低。

本文使用配備關(guān)節(jié)力矩傳感器的協(xié)作型輕量化機(jī)械臂KUKA LBR iiwa 加裝RGBD 相機(jī)對(duì)航電開關(guān)進(jìn)行快速定位和安全檢測(cè)。主要關(guān)注機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)中的核心問(wèn)題，即如何設(shè)計(jì)機(jī)械臂的操作算法，通過(guò)協(xié)作臂本體的力感知能力，實(shí)現(xiàn)更加安全、柔順的開關(guān)操作。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外較少有使用協(xié)作臂力感知能力對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作的相關(guān)研究，大多通過(guò)示教的方法［2?3］進(jìn)行檢測(cè)，或設(shè)計(jì)柔性?shī)A具［4］，通過(guò)夾具的柔性完成對(duì)開關(guān)的安全操作。但上述方法均存在部署時(shí)間長(zhǎng)及缺乏可擴(kuò)展性等問(wèn)題。

由于機(jī)械臂需要與開關(guān)發(fā)生接觸，因此本文主要研究帶接觸的機(jī)械臂操作問(wèn)題，這也是機(jī)器人研究領(lǐng)域中熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。在豐富接觸下的機(jī)械臂操作研究領(lǐng)域，學(xué)界主要聚焦于軸孔裝配及打磨等應(yīng)用。主要分為基于模型和基于學(xué)習(xí)的兩大類方法。前者較為傳統(tǒng)，往往通過(guò)3 種方法的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的帶接觸操作：建立接觸模型［5?6］、視覺定位進(jìn)行引導(dǎo)［7］以及使用預(yù)先設(shè)定的控制策略［8］（柔順控制、力位混合控制［9］或自適應(yīng)控制［6］）。后者近年來(lái)較為流行，主要通過(guò)模仿人工示教數(shù)據(jù)，通過(guò)各類模型提取人工示教軌跡中的特征［10］，再讓機(jī)器人進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，或在與環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制讓機(jī)器人自己學(xué)習(xí)和探索動(dòng)作策略，如各類強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法［11?13］。

上述研究往往假設(shè)環(huán)境較為簡(jiǎn)單、理想，機(jī)械臂有較大的運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間。而航電開關(guān)檢測(cè)環(huán)境則較為復(fù)雜、開關(guān)排列緊密，而且開關(guān)本身還具有種類多（共3 類，即按壓型、撥動(dòng)型和旋轉(zhuǎn)型）、體積小、位置固定無(wú)法任意移動(dòng)的特點(diǎn)，這對(duì)機(jī)械臂操作算法提出了兩點(diǎn)要求：算法需要考慮在復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)用性；需要具備對(duì)不同種類開關(guān)和誤差的適應(yīng)性。

因此，本文提出兩種基于力覺的開關(guān)操作算法用來(lái)檢測(cè)不同種類開關(guān)：基于外力閾值檢測(cè)的開關(guān)接觸定位與操作算法，用于處理開關(guān)的二次定位以及安全操作；基于阻抗控制的開關(guān)柔性操作算法，用于處理被夾持開關(guān)的柔性操作。兩種算法在KUKA LBR iiwa 機(jī)械臂上實(shí)現(xiàn)，末端不加裝六維力矩傳感器，僅通過(guò)各軸的關(guān)節(jié)力矩傳感器對(duì)機(jī)械臂與開關(guān)接觸時(shí)受到的外力進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)開關(guān)操作的實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明該算法具備較好的魯棒性和適應(yīng)性，能夠提高開關(guān)檢測(cè)的成功率和安全性。

1 基于外力閾值檢測(cè)的開關(guān)接觸定位與操作算法

1.1 機(jī)械臂末端的接觸外力估計(jì)算法

本文使用KUKA LBR iiwa 工業(yè)協(xié)作機(jī)械臂，使用諧波減速器，在對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，需要考慮其柔性。因此當(dāng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂受到末端外力作用時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程可以簡(jiǎn)化表示為［14］

式中：θ∈Rn為經(jīng)過(guò)減速后的等效電機(jī)位置；q，q?，q?∈Rn為連桿位置、速度和加速度；M(q)∈Rn×n為對(duì)稱、正定的慣性矩陣；B∈Rn×n為電機(jī)慣量矩陣；C(q，q?)q?∈Rn為離心力和科氏力向量；C(q，q?)∈Rn×n為克里斯托弗爾符號(hào)表示的矩陣；g(q)∈Rn表示重力向量；τ∈Rn為連桿側(cè)的彈性力矩向量；τm∈Rn為經(jīng)過(guò)減速器放大后的等效電機(jī)指令力矩向量；τf∈Rn為減速器處摩擦力向量；τext∈Rn為末端外力在關(guān)節(jié)連桿處產(chǎn)生的等效力矩向量，滿足τext=JT(q)Fext；J(q)∈R6×n為末端連桿的雅克比矩陣；Fext∈R6為笛卡爾坐標(biāo)系中的末端外力；K為考慮關(guān)節(jié)柔性時(shí)的關(guān)節(jié)剛度矩陣。另外，KUKA LBR iiwa 的關(guān)節(jié)力矩傳感器安裝在連桿側(cè)，因此其測(cè)量值τJ即為減速器對(duì)連桿施加的力矩τ。

根據(jù)柔性機(jī)械臂的廣義動(dòng)量觀測(cè)器方法［15］，定位廣義動(dòng)量p∈Rn為p=M(q)q?，則其導(dǎo)數(shù)為

式（7）可以看作是以r為變量，τext為輸入的一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為

當(dāng)Ko足夠大時(shí)，r≈τext，r以指數(shù)形式收斂到τext。因此，通過(guò)計(jì)算r即可估計(jì)出末端對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩τext，而末端外力則可以通過(guò)Fext=J-T(q)τext求得，其中包括力和力矩分量?jī)刹糠帧?/p>

從式（6）可以看出，該計(jì)算無(wú)需其他傳感器，只需要系統(tǒng)狀態(tài)q，q?，連桿側(cè)力矩τ。由于加裝了力矩傳感器，連桿側(cè)力矩可以由測(cè)量值τJ代替［16］，而且無(wú)需考慮關(guān)節(jié)摩擦力τf。

需要注意，在式（6）中需要對(duì)CT(q，q?)進(jìn)行計(jì)算。通常的動(dòng)力學(xué)矩陣C(q，q?)，g(q)由迭代牛頓歐拉法（Recursive Newton?Euler，RNE）計(jì)算得到，但無(wú)法得到CT(q，q?)，因此需要使用改進(jìn)牛頓歐拉法（Modified Newton?Euler，MNE）求解［17］。

使用基于動(dòng)量觀測(cè)器的外力估計(jì)方法，無(wú)需計(jì)算加速度，不會(huì)受到加速度估計(jì)的噪聲影響，且無(wú)需計(jì)算慣性矩陣的逆，計(jì)算量小，可用于機(jī)械臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。

1.2 基于力閾值判斷的開關(guān)接觸定位與操作算法

首先定義開關(guān)操作時(shí)的坐標(biāo)系（圖1）。F為法蘭坐標(biāo)系，設(shè)定末端工具的進(jìn)給方向?yàn)閤軸，張開方向?yàn)閥軸，從而工具中心點(diǎn)（Tool center point，TCP）坐標(biāo)系為T，面板坐標(biāo)系為P。

圖1 機(jī)械臂末端坐標(biāo)系定義Fig.1 Coordinates definition of end effector

通過(guò)上述外力估計(jì)算法，各類開關(guān)在操作時(shí)的接觸力Fext，x的曲線變化如圖2 所示。

圖2 示教控制機(jī)械臂操作開關(guān)時(shí)得到的TCP 坐標(biāo)系下的末端笛卡爾外力Fig.2 End?effector Cartesian external force in TCP frame when operating button through demostration

從外力的變化情況可以看出，在接觸發(fā)生的Ⅰ時(shí)刻存在明顯的力突變；而且對(duì)于各種類開關(guān)，都需要接觸力達(dá)到特定大?。á驎r(shí)刻），才能成功觸發(fā)開關(guān)。因此，可以通過(guò)設(shè)定力閾值，判斷機(jī)械臂是否已經(jīng)與環(huán)境發(fā)生了接觸，或判斷機(jī)械臂是否達(dá)到了所需的操作力。具體的力閾值設(shè)定方法如下：

在控制機(jī)械臂向目標(biāo)位置進(jìn)行笛卡爾運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)所受的外力，并設(shè)置所受的末端外力閾值為Fth，x。若實(shí)時(shí)估計(jì)的外力超過(guò)閾值，則觸發(fā)信號(hào)cd(Fext，x)為1，讓機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)

cd(Fext，x)為0 時(shí)，表示機(jī)械臂所受外力未超過(guò)閾值，則繼續(xù)向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。

外力閾值的選取可以通過(guò)開關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明、測(cè)力計(jì)測(cè)量，或通過(guò)示教的方法控制機(jī)械臂操作開關(guān)，同時(shí)記錄實(shí)時(shí)的位置和估計(jì)的外力曲線，選擇合適的力閾值。針對(duì)不同種類開關(guān)，只需設(shè)計(jì)不同的運(yùn)動(dòng)方式并設(shè)置力閾值大小，即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。該方法具有一定的通用性。

2 基于阻抗控制的開關(guān)柔性操作算法

上述基于力閾值判斷的操作方法能夠解決大部分開關(guān)操作的問(wèn)題，但對(duì)于需要使用工具夾持的開關(guān)操作來(lái)說(shuō)，要求較高的定位精度。當(dāng)定位誤差存在時(shí)，由于在位置控制模式下機(jī)械臂末端剛性大，機(jī)械臂會(huì)對(duì)被夾持開關(guān)施加極大的內(nèi)力。使用阻抗控制則能夠降低機(jī)械臂末端的剛度，使機(jī)械臂順應(yīng)接觸外力，增加操作的柔性和安全性。

2.1 阻抗控制原理與實(shí)現(xiàn)

使用笛卡爾阻抗控制［18］，將機(jī)械臂末端建模為二階質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置所需的質(zhì)量系數(shù)、剛度系數(shù)或阻尼系數(shù)，改變機(jī)械臂關(guān)節(jié)或末端表現(xiàn)出的質(zhì)量、剛度和阻尼特性，達(dá)到期望的與外界交互的動(dòng)力學(xué)特性。其控制目標(biāo)方程為

式中：x?=x-xd表示機(jī)器人末端當(dāng)前笛卡爾位姿與期望笛卡爾位姿的誤差，x，xd∈R6分別為末端當(dāng)前和期望位姿在笛卡爾空間的最小表示法。Md、Dd、Kd分別為期望的笛卡爾空間慣性矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程在笛卡爾空間下可以表示為

式中：Fτ為電機(jī)輸入力矩τ在笛卡爾空間中對(duì)應(yīng)的輸入向量，滿足τ=JT(q)Fτ，J(q)∈R6×n為末端連桿的雅克比矩陣；Fext為笛卡爾空間所受的末端外力；τext=JT(q)Fext。Λ(x)，μ(x，x?)和Fg(x)分別為笛卡爾空間下的慣性矩陣，離心/科氏力矩陣和重力向量

把式（10）代入式（11）中，并令Md=Λ(x)（避免需要使用腕部力傳感器獲得Fext），可以得到簡(jiǎn)化后的阻抗控制方程為

使用簡(jiǎn)化后的控制器無(wú)法人為定義二階系統(tǒng)對(duì)外表現(xiàn)出的質(zhì)量特性，但對(duì)于本文順應(yīng)夾持時(shí)的定位誤差而言，主要關(guān)注阻抗控制的剛度和阻尼特性，質(zhì)量特性可以忽略。

2.2 基于阻抗控制的開關(guān)柔性?shī)A持操作

當(dāng)機(jī)械臂通過(guò)力閾值檢測(cè)接觸面板并上抬后，將控制方法切換為上述阻抗控制，然后夾爪閉合，繼續(xù)完成對(duì)開關(guān)的旋轉(zhuǎn)操作。xd設(shè)置為期望的末端位置，即切換阻抗控制前末端的實(shí)際位置，也是開關(guān)定位模塊給出的開關(guān)位置。夾爪夾持開關(guān)受力圖如圖3 所示。假設(shè)夾爪和末端法蘭為剛性連接，夾爪視作機(jī)械臂末端連桿的一部分，且環(huán)境中開關(guān)的剛性足夠。在操作前（圖3（a）），機(jī)械臂已經(jīng)到達(dá)了目標(biāo)位置（指令下發(fā)的位置，該目標(biāo)位置存在定位誤差），此時(shí)夾爪中心位置為xd。當(dāng)夾爪閉合時(shí)，受到環(huán)境中的開關(guān)的阻礙，開關(guān)對(duì)末端施加作用力Fext，使末端實(shí)際位置偏移至x。機(jī)械臂為了修正當(dāng)前與目標(biāo)位置間的誤差x?，會(huì)對(duì)開關(guān)施加反作用力為F′ext（圖3（b））。

圖3 夾持開關(guān)時(shí)的夾爪受力分析Fig.3 Gripper force analysis when the switch is clamped

為了使機(jī)械臂末端在存在定位誤差x?時(shí)，不產(chǎn)生較大的修正力，而是順應(yīng)定位誤差造成的外力，采用式（13）的阻抗控制方法，控制機(jī)械臂完成開關(guān)夾持，并將剛度矩陣中的位置分量設(shè)置為較小值。由于操作開關(guān)時(shí)，定位誤差不會(huì)引起夾爪姿態(tài)的變化，剛度矩陣中的旋轉(zhuǎn)分量可以設(shè)置為較高值，使末端保持原有姿態(tài)即可。

另外，控制器（13）回代動(dòng)力學(xué)方程后，系統(tǒng)的阻抗特性方程變?yōu)?/p>

式中慣性矩陣Λ(x)存在非對(duì)角元素，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間存在耦合作用力。但對(duì)于開關(guān)夾持這一場(chǎng)景，由于機(jī)械臂切換至阻抗控制后，由工具完成后續(xù)操作動(dòng)作，機(jī)械臂本身的加速度和速度較小，因此此處產(chǎn)生的耦合作用相對(duì)較弱，對(duì)末端阻抗特性的影響十分有限。同樣的，考慮到機(jī)械臂在夾持開關(guān)后，后續(xù)操作動(dòng)作由工具完成，機(jī)械臂本身無(wú)需運(yùn)動(dòng)，即x?d和x?d為0，因此阻抗控制器可以做進(jìn)一步簡(jiǎn)化

2.3 末端偏差的表示方法

在阻抗控制實(shí)現(xiàn)時(shí)還需要考慮機(jī)械臂末端偏差x?的位置和姿態(tài)分量的表示方法。位置誤差參考系的選擇決定了阻抗系數(shù)的意義，即是在哪個(gè)坐標(biāo)系下的阻抗行為。由于使用阻抗控制的意義是為了能夠柔順操作開關(guān)，因此選擇在開關(guān)坐標(biāo)系定義阻抗行為，即末端工具的期望坐標(biāo)系D下表示位置誤差，位置誤差表示為x?t：=pD，如圖4 所示。為了便于標(biāo)注，圖示選為夾爪閉合前，夾爪閉合后末端位置即在T處，期望坐標(biāo)即為D。

圖4 位置誤差參考系定義Fig.4 Coordinate definition of translational error

而姿態(tài)部分的表示法則較為復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)于末端旋轉(zhuǎn)矩陣RST∈SO(3)來(lái)說(shuō)，沒有全局的最小參數(shù)表示法，因此需要選取如歐拉角、軸角法、單位四元數(shù)或李群李代數(shù)來(lái)表達(dá)姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)矩陣。本文使用單位四元數(shù)(s，v)來(lái)表示姿態(tài)誤差［19］，單位四元數(shù)能夠給出旋轉(zhuǎn)矩陣的無(wú)奇異表示。將姿態(tài)誤差表示為對(duì)應(yīng)四元數(shù)誤差的虛部向量，設(shè)v為旋轉(zhuǎn)矩陣RST對(duì)應(yīng)的單位四元數(shù)的虛部向量，則x?r：=v。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了評(píng)價(jià)算法在控制機(jī)械臂檢測(cè)航電開關(guān)時(shí)的有效性、成功率以及魯棒性，搭建了航電檢測(cè)模擬環(huán)境，并設(shè)計(jì)了3 組實(shí)驗(yàn)。前兩組分別對(duì)兩種算法進(jìn)行驗(yàn)證，最后的綜合實(shí)驗(yàn)使用機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，配合顯示屏識(shí)別模塊進(jìn)行實(shí)際的航電檢測(cè)，在實(shí)際進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)，本文算法具備較好的實(shí)用性和較高的開關(guān)操作成功率。

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為仿制的航電檢測(cè)模擬艙，如圖5 所示。各個(gè)航電設(shè)備面板以及顯示屏安裝在艙內(nèi)，需要使用機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)面板上的開關(guān)進(jìn)行操作，并識(shí)別顯示屏上對(duì)應(yīng)的圖像變化，以完成自動(dòng)化航電聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

圖5 仿制的航電檢測(cè)模擬艙Fig.5 Replica of avionics detection simulation cockpit

基于2 個(gè)KUKA LBR iiwa 七自由度機(jī)械臂搭建機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，如圖6 所示。機(jī)械臂末端安裝了手眼系統(tǒng)：RealSense 深度相機(jī)及光源用于開關(guān)定位以及開關(guān)狀態(tài)識(shí)別，多功能操作工具用于操作開關(guān)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、夾爪閉合以及機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)全部3 大類開關(guān)的檢測(cè)動(dòng)作。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，兩個(gè)機(jī)械臂安裝的位置能夠使機(jī)械臂工作空間覆蓋艙內(nèi)的全部開關(guān)。實(shí)驗(yàn)所用工控機(jī)CPU 為i7?6700 3.40 GHz，內(nèi)存為16 GB，操作系統(tǒng)為Ubuntu 18.04。

圖6 雙臂機(jī)器人航電檢測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Two-arm robot system for avionics detection

通過(guò)機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot operating sys?tem，ROS）框架，將系統(tǒng)各算法模塊視為“節(jié)點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)分布式通信和調(diào)用。本文提出的算法屬于其中的操作模塊，由C++實(shí)現(xiàn)，通過(guò)KUKA LBR iiwa 提供的開發(fā)接口與機(jī)械臂進(jìn)行通信。另外還有顯示屏圖像識(shí)別模塊，主要基于Halcon 識(shí)別數(shù)量大、種類多的圖像元素，用于檢測(cè)開關(guān)操作后顯示屏上圖像是否發(fā)生了期望的變化，因此能夠在綜合實(shí)驗(yàn)中證明開關(guān)操作的有效性。

3.2 外力閾值檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證外力閾值檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類開關(guān)的檢測(cè)，并能夠順應(yīng)一定的定位誤差，本實(shí)驗(yàn)控制機(jī)械臂和末端工具，對(duì)按鈕和撥桿兩類開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)開始前，首先通過(guò)示教引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至各類開關(guān)附近的固定預(yù)操作位置，然后使用力閾值檢測(cè)算法控制機(jī)械臂對(duì)各類開關(guān)進(jìn)行操作。對(duì)于需要設(shè)置力閾值的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡（即可能接觸開關(guān)或面板的運(yùn)動(dòng)軌跡），根據(jù)預(yù)操作位置距離開關(guān)的大致位置，設(shè)置大于實(shí)際距離的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置。針對(duì)兩類開關(guān)的操作參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 兩類開關(guān)的操作參數(shù)Table 1 Operation parameters of two types of buttons

檢測(cè)按鈕和撥桿開關(guān)時(shí)，估計(jì)的工具末端外力和位置曲線，以及4 個(gè)標(biāo)注時(shí)刻對(duì)應(yīng)的夾爪實(shí)際位置如圖7、8 所示。

可以看到在操作兩類開關(guān)的Ⅰ至Ⅱ時(shí)刻，機(jī)械臂執(zhí)行向下運(yùn)動(dòng)25 mm，正在靠近面板等待接觸。在Ⅱ時(shí)刻，估計(jì)的外力超過(guò)了閾值5 N 限制，因此使機(jī)械臂停止了運(yùn)動(dòng)。此時(shí)機(jī)械臂還未達(dá)到目標(biāo)的25 mm，說(shuō)明使用外力閾值可以對(duì)面板進(jìn)行二次定位。而在操作撥桿時(shí)，與面板的接觸力已遠(yuǎn)大于5 N，這是由于夾爪與面板發(fā)生速度較快的剛性碰撞造成的，使得信號(hào)cd(Fext，x)被觸發(fā)到控制機(jī)械臂停止過(guò)程中（100～200 ms）夾爪依然在對(duì)面板施加力。在實(shí)際檢測(cè)中，該碰撞由于時(shí)間較短，力不是太大，遠(yuǎn)不會(huì)對(duì)面板造成損壞。該問(wèn)題可以通過(guò)減慢末端運(yùn)動(dòng)速度，減緩力的增長(zhǎng)，或在末端加裝軟膠增加一定的緩沖，減小施加的力來(lái)解決。

對(duì)于按鈕開關(guān)，在時(shí)刻Ⅲ，此時(shí)機(jī)械臂剛接觸開關(guān)。在時(shí)刻Ⅳ前，開關(guān)已經(jīng)被充分按下，但外力未到設(shè)定的閾值；而當(dāng)檢測(cè)到外力超過(guò)設(shè)定閾值后（圖7 時(shí)刻Ⅳ），機(jī)械臂即停止運(yùn)動(dòng)，保證了開關(guān)被成功觸發(fā)。

圖7 使用力閾值檢測(cè)方法控制機(jī)械臂操作按壓型開關(guān)時(shí)的TCP 笛卡爾外力與TCP 末端位置的對(duì)比圖Fig.7 Comparison of TCP Cartesian external force and position when operating a press button using the proposed algorithm

對(duì)撥桿開關(guān)來(lái)說(shuō)，當(dāng)對(duì)撥桿施加的力大于撥桿檔位的觸發(fā)力時(shí)，撥桿會(huì)在內(nèi)部彈簧的作用下立刻復(fù)位至下一檔位。因此在圖8 中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)力峰值，但由于該峰值均未超過(guò)力閾值11 N，因此撥桿可以執(zhí)行完15 mm 的撥動(dòng)距離。

圖8 使用力閾值檢測(cè)方法控制機(jī)械臂操作撥桿開關(guān)時(shí)的TCP 笛卡爾外力與TCP 末端位置的對(duì)比圖Fig.8 Comparison of TCP Cartesian external force and position when operating a switchbutton using the proposed algorithm

該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了力閾值方法檢測(cè)開關(guān)的有效性，能夠?qū)崿F(xiàn)二次定位，并限制操作力的大小。

3.3 阻抗控制柔性?shī)A持實(shí)驗(yàn)

上述力閾值方法僅對(duì)按鈕、撥桿開關(guān)適用，但對(duì)于需要夾持的旋轉(zhuǎn)開關(guān)而言，若存在開關(guān)中心的定位誤差，則會(huì)在夾爪閉合和后續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)開關(guān)施加極大的內(nèi)力。因此設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證阻抗控制算法，能夠順應(yīng)定位誤差，減小操作內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)操作的柔性。

通過(guò)示教使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至開關(guān)正上方，并打開夾爪，當(dāng)使用機(jī)械臂末端工具夾持并旋轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)，對(duì)比是否使用阻抗控制估計(jì)的外力曲線，如圖9所示。

圖9 對(duì)旋鈕進(jìn)行夾持和旋轉(zhuǎn)操作時(shí)使用阻抗控制前后末端所受的外力對(duì)比圖Fig.9 Comparison of external forces of the end effector before and after using impedance control when clamping and rotating a rotary button

Ⅰ至Ⅱ時(shí)刻，機(jī)械臂執(zhí)行向下運(yùn)動(dòng)25 mm，正在靠近面板等待接觸。在Ⅱ時(shí)刻，估計(jì)的外力超過(guò)了閾值5 N 限制，機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，阻抗控制在時(shí)刻Ⅲ選擇開啟或不開啟。在時(shí)刻Ⅳ，夾爪閉合夾持住旋鈕，并開始旋轉(zhuǎn)250°，直至?xí)r刻Ⅴ。

可以看出，即使在定位較為準(zhǔn)確的情況下，使用純位置控制對(duì)開關(guān)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作會(huì)產(chǎn)生極大的內(nèi)力，yz方向分別為19.74 N 和20.70 N。而使用本文方法，則能夠顯著地減小操作內(nèi)力，yz方向所受的力分別為2.36 N 和2.69 N。

為了證明基于阻抗控制開關(guān)夾持算法的誤差順應(yīng)性，通過(guò)人為引入定位誤差，即讓機(jī)械臂在開關(guān)上方的初始位置發(fā)生小范圍變化，再記錄使用阻抗控制讓夾爪旋轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)，末端yz方向受到的最大外力。結(jié)果如表2 所示，當(dāng)在開關(guān)附近±5 mm內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開關(guān)的夾持和旋轉(zhuǎn)，其最大外力均不超過(guò)10 N，體現(xiàn)了較好的操作柔順性。

表2 在開關(guān)xy 方向±5 mm 內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開關(guān)夾持和旋轉(zhuǎn)時(shí)末端所受yz 方向的最大外力Table 2 The maximum external forces in y and z axes when the end effector clamps and rotates a rota?ry button within 5 mm range in x or y direction

3.4 開關(guān)檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法能夠在實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中完成開關(guān)操作，使用操作算法完成航電檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)。假設(shè)已經(jīng)通過(guò)視覺定位或手動(dòng)測(cè)量的方法估計(jì)出了各類開關(guān)位置，但可能存在1～3 mm 的定位誤差，下一步需要使用兩種開關(guān)操作算法對(duì)各類開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，綜合實(shí)驗(yàn)的流程圖如圖10 所示。圖中W為世界坐標(biāo)系，P為面板坐標(biāo)系，B為開關(guān)坐標(biāo)系，O為預(yù)操作坐標(biāo)系。

圖10 綜合實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.10 Flowchart of the comprehensive experiments

實(shí)驗(yàn)使用機(jī)械臂操作模塊并配合顯示屏圖像識(shí)別模塊，對(duì)某一實(shí)際檢測(cè)流程中的共計(jì)125 個(gè)開關(guān)操作任務(wù)和96 個(gè)圖像識(shí)別任務(wù)進(jìn)行綜合檢測(cè)。開關(guān)操作任務(wù)包含對(duì)4 個(gè)面板上，共計(jì)3 大類、43個(gè)開關(guān)的檢測(cè)，包括40 個(gè)按鈕開關(guān)（存在不同尺寸）、2 個(gè)兩位撥桿開關(guān)以及1 個(gè)旋鈕開關(guān)。通過(guò)圖像識(shí)別模塊可以判斷開關(guān)是否被觸發(fā)，即開關(guān)操作任務(wù)是否成功執(zhí)行。各類開關(guān)的操作成功率見表3。

表3 針對(duì)某一實(shí)際檢測(cè)流程操作各類開關(guān)的成功率Table 3 Success rate statistics of operating various kinds of button in a real testing procedure

結(jié)果表明，開關(guān)操作任務(wù)的成功率較高，122次操作中僅漏檢測(cè)了某一顯示屏按鈕。誤操作原因是顯示屏四周存在凸臺(tái)，在操作位于邊緣位置的按鈕時(shí)夾爪旋轉(zhuǎn)的一部分誤與凸臺(tái)發(fā)生了接觸，導(dǎo)致超過(guò)了按動(dòng)的力閾值，算法誤認(rèn)為已經(jīng)完成了按動(dòng)。后續(xù)可以通過(guò)夾爪旋轉(zhuǎn)至某一不發(fā)生接觸的角度解決此問(wèn)題。

通過(guò)3 組開關(guān)操作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的開關(guān)操作算法能夠配合機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，完成航電開關(guān)的自動(dòng)化檢測(cè)，具備較好的誤差順應(yīng)性以及很好的操作成功率。整體機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)能夠降低部署時(shí)間，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

4 結(jié)論

在開發(fā)基于協(xié)作機(jī)械臂的航電聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)時(shí)，本文針對(duì)機(jī)械臂在檢測(cè)航電開關(guān)時(shí)存在環(huán)境復(fù)雜、需要適應(yīng)不同種類開關(guān)與定位誤差等問(wèn)題，提出了兩種基于關(guān)節(jié)力傳感器的機(jī)械臂柔性控制算法，以檢測(cè)航電聯(lián)試環(huán)境中主要的3 大類開關(guān)，按鈕、撥桿和旋轉(zhuǎn)開關(guān)。第一種算法基于外力閾值檢測(cè)，通過(guò)廣義動(dòng)量觀測(cè)器估計(jì)末端工具所受外力，并在控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)設(shè)置操作力閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鈕和撥桿開關(guān)的二次定位和安全操作。第二種算法基于阻抗控制，在末端工具夾持開關(guān)時(shí)切換機(jī)械臂控制模式為低阻抗模式，使工具順應(yīng)操作內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的柔性?shī)A持操作。

通過(guò)在模擬艙內(nèi)和實(shí)際聯(lián)試環(huán)境下進(jìn)行的開關(guān)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明了該算法能夠在實(shí)際航電聯(lián)試環(huán)境中完成對(duì)不同種類開關(guān)的有效檢測(cè)，且具備較好的誤差適應(yīng)性。另外，第二種算法能夠顯著降低開關(guān)操作開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力，大大提高開關(guān)檢測(cè)的安全性。值得注意的是，針對(duì)同一類型、不同尺寸的開關(guān)，本文算法僅需調(diào)節(jié)不同的行程大小和力閾值大小即可，具備一定的通用性。