基于UR機器人的航空發動機試驗過程遠程監控系統設計

周偉，焦春亭，劉厚德，梁論飛

（1.江淮前沿技術協同創新中心，合肥 230093；2.重慶大學，重慶 400044；3.清華大學 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055；4.哈爾濱工業大學，廣東 深圳 518055）

0 引言

航空發動機在產品研制過程中需要對核心機進行試驗，核心機的試驗是一項高危環節[1]，需要在密閉的空間內進行，為了能夠實時監控試驗過程，并對過程中發生的故障情況及時發現并及時報警，需要建設一套核心機試驗的遠程監控系統[2]。該系統需要滿足以下主要目標：1）通過機械臂搭載攝相機的方式實現發動機試車過程中的慢車檢查，輔助試驗人員解決試驗過程中試車間內環境惡劣、人員難以工作的問題；2）通過智能視覺識別算法，實現對試驗過程中特定異常的智能識別與報警，輔助試驗人員及時發現試驗過程中的特定異常；3）對試驗過程采集的視頻、識別的結果等進行有效的展示，輔助試驗人員決策。

1 詳細設計

1.1 整體功能設計

針對發動機試驗現場監控需求，通過控制機械臂運動帶動攝相機到特定觀測位置，采用圖像識別方式對采集的畫面進行視覺檢測，判斷分析試車過程中的特定異常，數據通過網絡上傳至監控管理平臺，使得操作人員可以在監控室完成對現場的觀察與操作。

1.1.1 機械臂控制

由于整個試驗過程需要對發動機的多個不同部位進行監測，并且可能存在位置的調整[3]，因此需要監控系統具備相對靈活的操作方式，通過使用圖形化界面的示教器對機械臂進行示教操作，簡單易用，路徑也可重復設置，以保證對每次試驗的精準監測。同時在某些特殊情況發生導致機械臂不能繼續按照示教模式運行時（如管路意外阻擋示教路徑），可切換至手動控制模式，控制機械臂移動至安全區域。

機械臂具有示教控制和手動控制兩種工作模式：1）機械臂可按照示教路線進行巡檢操作；2）如遇緊急情況可以一鍵暫停；3）機械臂具備手動控制功能；4）可在巡檢過程中暫停，手動控制進行觀測，復位后可再次進入巡檢模式自動巡檢；5）具備光幕區域限制功能，可實現機械臂防碰撞功能。

1.1.2 視覺檢測算法

采用人工智能算法對試驗過程采集的圖像數據進行模型訓練，使用訓練好的模型對試驗過程中出現的滲漏油、連接器松動、火光異常進行推理與類別判斷，實現對視頻內的疑似上述異常情況的判斷與報警。

1.2 現場布局設計

該場景的現場設備部署示意圖如圖1所示。

圖1 設備部署示意圖

整個系統所有的硬件設備都部署在試驗廠房，其中機械臂組件采用模塊化設計，每組包含1 臺機械臂、1～2個固定攝像頭組件、1～2個光幕激光掃描器組件、POE交換機等。

2 基于UR機器人監控設計

2.1 機械臂選型

本系統使用來自丹麥的優傲協作機械臂，型號為UR3和UR5，如圖2（a）所示，共使用4臺，包括2臺UR3和2臺UR5。UR機械臂因其安全性高、協作性強、編程簡單、安裝快速、部署靈活等特點，被廣泛應用于工業現場[4]。

圖2 UR3/UR5機械臂實物圖及相關參數

UR3是輕型的、可臺面安裝的6軸關節機械臂，適合在緊湊環境中應用，可提供較好的靈活性和定位精度，UR3有效負載3 kg，運動半徑為500 mm；UR5有效負載5 kg，運動半徑為850 mm。機械臂采用模塊化設計，每個關節運動范圍±360°；最大工具端運行速度為3 m/s，重復定位精度為±0.03 mm，機械臂I/O信號包括數字和模擬信號，通信采用滿足TCP/IP MODBUS協議的以太網通信，UR3/UR5機械臂的參數如圖2（b）所示。

示教器采用12 in觸摸屏，運行PolyScope圖形用戶程序；機械臂控制箱電源為交流220 V，運行典型程序消耗功率只有200 W；機械臂工作環境溫度范圍為0～50 ℃，機械臂控制箱的參數如圖2（c）所示[5]。

2.2 機械臂底座設計

2.2.1 總體設計

按照系統整體靈活架設的設計要求，考慮到實際試驗場地的操作空間相對有限，機械臂不可能始終占用試驗平臺的操作空間，因此機械臂需要滿足便于移動以及在試驗平臺上部署固定的要求，在試驗開始前可將機械臂推行至指定監測位置，在試驗結束后可以推動離開試驗平臺的操作位置。鑒于上述操作要求，設計可移動的機械臂底座，如圖3（a）所示。

圖3 機械臂底座三維圖

如圖3（b）和圖3（c）所示，機械臂底座機械臂底座的設計考慮到對機械臂控制系統的防護，具備一定的防塵防水能力，整個底座的尺寸（長×寬×高）為760 mm ×480 mm ×700 mm，機械臂的控制器、示教板及電氣設備都安裝在底座柜內（柜門可打開），底座內還通過螺釘固定了POE交換機、散熱風扇等元器件，整體具備防噴淋的防水能力。底座上還設計有開關和急停按鈕以及和外部通信的接口。開關和急停按鈕均選用防水型號，外部接口也選用防水航空插頭，從而保證了機械臂底座的防護性能。

2.2.2 攝相機設計

1）移動攝相機的設計。移動攝相機通過夾具固定在機械臂末端，如圖4（a）所示。隨著機械臂的運動，實現攝相機的運動。

圖4 攝相機夾具設計

2）固定攝相機設計。固定攝相機有兩種方案。通過夾具直接固定在試驗平臺上，如圖4（b）所示。

2.2.3 激光光幕掃描器設計

激光光幕掃描器通過夾具固定在移動底座上，如圖5所示。

圖5 激光光幕掃描器夾具

2.2.4 底座固定設計

底座下部有4個腳輪便于操作人員推動，底座上方有便于手扶推動的把手。腳輪選用防震型水平調節腳輪，可通過調節把手調節腳輪底座的高度，使輪子脫離地面，防止移動。另外，腳輪上的支撐底座材質為尼龍或丁腈橡膠，具備一定的防震能力。底座下方提供了2個固定螺栓，在試驗平臺上需要開M8的螺孔以用于螺栓固定，底座細節如圖6（a）所示。

圖6 底座固定設計

底座固定有兩種方式，一種如圖6（a）所示，固定在試驗平臺底面；另一種通過支架固定在試驗平臺踢腳線上，如圖6（b）和圖6（c）所示。

2.3 機械臂控制設計

機械臂共有兩種控制模式：1）示教控制；2）手動控制。根據現場監控系統的使用場合，在正常巡檢過程中使用示教控制模式，在巡檢任務開始之前，先使用機械臂示教器通過手動拖動機械臂移動的方式規劃機械臂的運行路徑，將示教路徑保存在機械臂控制器內以供現場平臺調用，在系統啟動巡檢任務時，機械臂即按照示教的路徑運行，并反饋當前坐標位置給現場平臺；當監控人員發現問題并需要手動控制機械臂時，可以切換至手動控制模式，通過人工判斷機械臂的位置并確定操作路徑，然后再通過現場平臺上的操控界面實現對機械臂在安全區域內的遠程手動控制。2.3.1 示教控制模式

整個示教過程可通過UR提供的示教器完成，在操作現場機械臂完成開機后，使用示教器運行Polyscope軟件對機械臂進行示教操作，示教完成后，現場平臺通過以太網與機械臂控制器連接通信，使用機械臂DashBoard的通信模式來啟動或者停止機械臂，按照示教線路執行巡檢任務。

示教器面板軟件界面如圖7所示。示教器軟件會實時以3D視角形式顯示機械臂的當前位置。按下放大鏡圖標可縮放視角，拖動機械臂三維建模圖像可更改視角。選擇界面上的視角特征并旋轉3D圖的查看角度，可獲得控制機械臂的最佳角度；示教機械臂有兩種方式，一種是通過點擊軟件左側的方向按鈕控制機械臂運動到指定位置，另一種可以點擊自由驅動按鈕，這樣可以人工帶動機械臂運動完成整個示教過程。當機械臂TCP（Tool Central Point，工具中心點）離開極限區域時，3D成像消失。如果TCP違反邊界限制或接近邊界極限，則機械臂成像會變成紅色。

圖7 示教器面板軟件界面

2.3.2 手動控制模式

機械臂手動控制通過UR 機械臂的Primary &Secondary接口實現，該接口由機械臂控制器內部進程維護和執行。機械臂開機后，會一直通過這兩個接口以10 Hz頻率對外發送機械臂的狀態信息（機械臂位置、I/O、運行狀態等），現場的視覺分析服務器會監聽以上數據。現場平臺界面上機械臂的手動控制面板會向視覺分析服務器發送機械臂的控制指令（上、下、左、右、前、后、左轉、右轉、俯、仰），視覺分析服務器接收到這些指令會通過Primary端口向機械臂發送控制腳本；Primary & Secondary接口在接收到發送的腳本指令字符串后會立即中斷當前執行程序（如果機械臂正在示教模式運行），然后運行接收到的腳本指令。下面是具體發送程序的設計實例，下發控制指令按照圖8（a）所示格式發送。現場平臺中機械臂手動控制的操作界面如圖8（b）所示。

圖8 機械臂控制腳本格式及界面

2.4 機械臂防碰撞

為了保障機械臂運行時不會觸碰到發動機本體，避免接觸后對發動機造成傷害，在機械臂的運動控制上設計了區域防碰撞功能，通過軟件虛擬邊界和激光掃描雷達形成的硬邊界相結合的方式保證在機械臂運動過程中嚴格限定其運動區域，保證在運動過程中不會觸碰到發動機本體，同時相鄰的機械臂也不會相互碰撞，如圖9（a）所示。

圖9 機械臂防碰撞示意圖及激光雷達結構圖

按照圖9（a）所示位置擺放6臺激光掃描雷達，同時在UR控制軟件中設置6個虛擬邊界。通過軟件與硬件相結合的12個安全邊界，形成完整的機械臂防碰撞體系。激光雷達選用BEA的RS305型號，具備IP65防護等級，如圖9（b）所示。

虛擬邊界通過使用UR機械臂自帶的安全邊界控制功能進行設置，使用示教器控制軟件Polyscope在選項卡中對邊界限制進行配置。邊界限制由安全板及機械臂工具方向的最大允許偏離限制組成，可強制機械臂TCP保持在被定義的安全板的正確一側，而不超過這些安全板，通過多個安全板的設定可限制機械臂的允許工作空間。最多可配置8塊安全板。工具方向的限制可用于確保機械臂工具方向與理想方向的偏差不超過某一指定的數值。邊界限制配置界面如圖10所示。

圖10 機械臂虛擬邊界配置

軟件界面中，機械臂三維視圖中會突出顯示配置的安全板，以及與機械臂當前位置相配的機械臂工具的方向邊界限制。所有已配置的邊界記錄，激活的安全板以黃黑色平臺圖像顯示，且有一個小箭頭表示該安全板處于正常狀態，這表明機械臂TCP允許放置在板子的一側。當安全板或者工具方向邊界限制已配置但未被激活，三維可視化區域將顯示為灰色。

激光硬邊界是通過外接的6臺激光掃描雷達形成激光平面，一旦有物體進入激光掃描面導致激光線束被阻隔，相應的激光掃描雷達就會向機械臂控制器發出硬中斷信號，這時機械臂將暫停工作，激光掃描的頻率為50 Hz，理論上20 ms即可以判斷出機械臂越界情況。激光雷達的I/O中斷信號通過屏蔽信號線與機械臂控制箱內的I/O接線端子相連。激光雷達的檢測區域可通過遙控器現場設置，包括盲區、抗干擾設置、最小目標尺寸、檢測范圍等。每次設置好參數后，激光雷達都會自學習，掃描區域內的物體。若出現新的干擾物，則會通過I/O暫停機械臂運動。

3 算法驗證

3.1 驗證方案

本系統采用現場驗證的方式來對系統進行驗證，測試了系統的整體功能。

3.1.1 驗證工裝設計

驗證工裝如圖11（a）所示，包含1個安裝板、4個模擬連接器、3處模擬滲漏油。安裝板通過螺釘固定在核心機試驗臺架上，試驗過程中能夠跟隨核心機一起振動，更加真實地模擬實際運行情況。

3.1.2 驗證環境搭建

驗證時整體現場布局如圖11（b）所示。固定工裝安裝在固定臺架上，兩臺機械臂分別固定試驗平臺上，部署一臺固定相機于試驗平臺邊緣位置。

3.1.3 缺陷設計

系統對核心機試驗過程中出現的滲漏油、連接器松動、火光異常等3種缺陷進行推理與類別判斷。

1）連接器松動。將連接器擰緊后，畫一根直線，然后通過扳手將其中4處連接器擰松到兩根線錯位間距3～5 mm，將其中4處連接器擰松到兩根線錯位間距5～9 mm，如圖11（c）所示。

2）滲漏油。在工裝上3處模擬滲漏油的區域，先均勻噴顯影劑后滴油；在核心機表面選擇實際不會漏油的區域，均勻噴上顯影劑后滴上2滴潤滑油。漏油面積需大于3 cm×3 cm，如圖11（d）所示。

3）火光。考慮到現場的安全原因，打印模擬的火光圖片，將火光圖片固定在核心機或固定支架上。

3.2 驗證流程

驗證分為靜態驗證和動態驗證，分別驗證系統在靜態和動態下的性能。

3.2.1 靜態驗證

1）工裝件的固定。采用螺栓將工裝件固定在核心機試車臺的藍色底座上，該底座與核心機相連接，具有相似的振動模式，可以模擬實際試驗過程中的核心機狀態。

2）缺陷模擬。按照上述設計模擬缺陷。

3）調整機械臂位置。根據缺陷的位置，調整示教，確保系統監控范圍覆蓋所有模擬缺陷；對于連接器正常的情況，可直接拍攝核心機上的正常連接器。

4）驗證過程記錄。在系統中新建監控任務，記錄各軌跡點位的結果，若系統報警，則系統認為異常，若系統不報警，則認為該軌跡點狀態為正常。

5）算法檢測指標計算。

3.2.2 動態驗證

1）工裝件的固定。采用螺栓將工裝件固定在核心機試車臺的藍色底座上，該底座與核心機相連接，具有相似的振動模式，可以模擬實際試驗過程中的核心機狀態。

2）缺陷模擬。按照上述設計模擬缺陷。

3）調整機械臂位置。根據缺陷的位置，調整示教，確保系統監控范圍覆蓋所有模擬缺陷；對于連接器正常的情況，可直接拍攝核心機上的正常連接器。

4）驗證過程記錄。在系統中新建監控任務，記錄各軌跡點位的結果，若系統報警，則系統認為異常，若系統不報警，則認為該軌跡點狀態為正常。

5）算法檢測指標計算。

3.3 驗證結果

如表1所示，經過多輪次的迭代與優化，算法在靜態測試和動態驗證的準確率>80%。

表1 算法驗證結果

3.4 測試結論

基于UR機器人的航空發動機試驗過程遠程監控系統，經過多個版本優化與測試，系統已實現所有預期功能，并通過在現場多次實測，系統運行穩定，算法模型的準確率和召回率>80%,滿足客戶要求。

4 結語

本文通過設計一套航空發動機核心機試驗的遠程監控系統，對于解決航空發動機核心機試驗過程中人員難以靠近觀察核心機的實時狀態的問題具有重要意義。系統基于UR機械臂組件搭配攝相機實現了對核心機的多角度、多位置的實時觀測，并且通過智能視覺識別算法實現對試驗過程中特定異常的智能識別與報警。算法經過多個版本優化與測試，系統運行穩定，算法模型的準確率和召回率大于80%。但是由于現實中航空發動機在試驗中極少出現螺絲松動、滲漏油、電火花等缺陷，所以本次算法驗證都是通過模擬缺陷完成的，因此結果可能存在一定的失真性，因此本系統的算法模型還需要后期經過長時間的運行后才能得出符合實際的準確率和召回率。