CN102294589B - 使用机器人的用于航空器结构的自动定位和对准方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于航空器结构的自动定位和对准方法及系统使用具有6自由度的拟人形机器人来在定位和对准期间运送航空结构部。部分和支撑部分的结构(如果有的话)视为机器人工具。

Description

使用机器人的用于航空器结构的自动定位和对准方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年12月14日提交的临时申请no.61/286,295的优先权，其全部内容在此引入以供参考。
有关联合发起的研究或开发的声明
N/A
技术领域
在此的技术涉及机器人技术，以及更具体地说，涉及用于例如在使用具有作为定位装置或结构的关节臂的机器人的结构组装期间，定位和对准航空器或彼此有关的其他部分的方法和系统。
背景技术
航空器机身能由需要仔细地组装地一起的若干独立的部分组成。见图1。如果航空器大，一些机身部将太重或太庞大而不能由一个或甚至一组工人来提升或定位。因此，用于定位和对准航空器机身部的示例性手动处理通常传统上由将机身部加载到支座或台车上组成。支座或台车用来将机身部移入到用于组装的位置。
通常，组装包含定位先前创建或定义的(多个)基准点或其他(多个)基准(例如，参见图1A中作为基准点的定位孔H1、H2)。基于加工基准计划，根据所需的对准公差，使用机械设备或用手(见图1A)能将机身部移动到最佳装配条件。只要机身部适当地定位，就通过诸如铆接的适当的紧固技术将它们接合。
使用传统的手动处理，通过诸如手摇把或气动马达的装置，可以驱动、移动或定位机身部，以便对准、定位、接合并由此组装这些机身部-见图1A。这些装置(例如手摇把或气动马达)可以直接附连到机身部或支撑机身部的某种支座上，如台车。
根据定位和对准的手动传统处理的一个例子，其是传统的基于夹具的组装处理，组件能够指向硬设备。硬设备的一个例子是在具有相应孔的末端的一个，环绕每一机身部的外周的环。为对准两个机身部，第一环的孔能够与第二环的相应孔接合。使用硬设备来指向组件的另一例子如下：第一设备(夹具)的尖头插入第一机身部的第一定位孔中，并且第二设备(夹具)的尖头插入第二机身部的第二定位孔中(例如图1A示出了两个定位孔H1、H2)。在该例子中，两个设备是相同的；每一设备在其外部具有孔；然后，为对准两个机身部件，第一设备的孔能通过销与第二设备的孔相连。通常为组装几何结构的专用方面设计和构建这种硬设备。
并非所有的机身组装是手动的。例如，存在用于使用笛卡尔机电促动器(Cartesian mechatronic actuator)以对准航空器机身的航空器结构的传统的自动定位和对准系统(见图2)。由这些系统应用的一种示例性方法由以下组成：
·将机身部加载到支座(或台车)上
·将(在支座上的)机身部放在将移动支座和机身部两者的机电促动器上。图2示出了一种示例性系统，包括四个传统的笛卡尔机电促动器MA1-MA4、一个机身部FP和控制促动器的一个传统的CNC-计算机数字控制控制器。
·通过使用图2中未示出的计量系统MS，测量机身部FP中的一些基准(例子：通过使用激光跟踪仪或激光雷达，测量机身部的形状曲率)
·根据对准公差，使用笛卡尔机电促动器MA，将机身部件FP移动到最佳装配条件，以使一个机身部与另一机身部对准；
·在此之后，通过紧固、铆接等等，接合机身部；
该示例性传统的处理的一些细节是：
·使用专用测量(例如计量)系统MS，用于执行所有机身部中的基准的测量
·通过由测量系统MS或其他方式提供的分析软件，分析测量数据。
通常，用于分析的软件(其例如在CNC-计算机数字控制，PLC-可编程逻辑控制器或另一计算机上运行)使用机身部的3D图(例如存储在数据库中)及其几何公差要求来工作。该软件确定部分的将由机电促动器MA移动的位置(注意：一些部分保持不动，而其他部分被移动)。该软件在对准前确定其笛卡尔坐标[x，y，z]和姿态角[R，P，Y]，以及还确定哪些必须是这些部分的位置，以实现正确的对准，即，什么是表示最佳装配的所期望的笛卡尔坐标[x’，y’，z’]和姿态角[R’，P’，Y’]。测量分析软件为将要移动的每一部分确定两个位置间的差，以及将该信息发送到计算机数字控制(CNC)，用于控制机电促动器MA(见图2)。
然后，位置驱动器(由CNC控制的笛卡尔机电促动器MA)以线性方式在X，Y和Z中平滑地移动部分，以及以滚动、俯仰和摇摆(R，P和Y)旋转部分，由此使用6个自由度执行定位和对准。当执行定位和对准操作时，计量系统MS可以连续地或逐步地监视部分的位置和姿态以及将该信息反馈到在计算机上运行的测量分析软件。
一般来说，每一位置驱动器有效地是三轴机器，其精确运动经由具有分解器反馈的伺服马达控制来实现。对于正在移动的每一机身部，存在与其他位置驱动器以同步方式工作的位置驱动器。
尽管过去使用了一些自动化，但期望使用机器人技术来提供用于定位航空器机身和其他部分的更自动以及更精确地技术。
在此的示例性非限制技术提供了，在结构组件期间，通过使用由诸如光学设备、激光投影、激光跟踪仪、无线电或激光的室内GPS、摄影测量等等的测量系统辅助的六自由度(6DOF)机器人，彼此关联地定位和对准航空器机身和其他部分(例如机翼，尾翼等等)的处理、系统、技术和存储介质。在一个示例性非限制实现中，6DOF机器人不具有附连到其臂的、作为效应器的传统工具，而是具有包括附连到臂的支座的非传统的工具，其中支座支撑机身段。由机器人运送的机身部包括机器人的工具。通过使用示例性非限制计量系统，测量了由机器人驱动的机身部的点或结构以及该系统建立了用于机身部的坐标系统并且建立了几何中心点-GCP。然后通过在6DOF机器人的控制器中通常可获得的传统的功能，将该几何中心点转换成机器人的传统工具中心点(TCP)。转换成机器人TCP的GCP可被看作6DOF机器人用来定位和对准机身部的加工对准点。使用闭环控制系统，6DOF机器人能将由机器人驱动的部分的TCP与不由机器人驱动的部分的GPC相匹配，以达到最佳装配条件。
一些示例性非限制实现使用拟人形机器人。
附图说明
通过结合附图参考示例性非限制例示的实施例的下述详细描述，将更好和更全面地理解这些和其他特征和优点：
图1示出了由需要组装在一起的多个部分组成的示例性传统航空器机身；
图1A示出了对准航空器机身部的示例性传统手动处理；
图2示出了对准航空器机身部的示例性传统笛卡尔机电促动器；
图3和3-1示出了用于对准航空器机身和其他部分的示例性非限制自动拟人形机器人臂定位和对准系统；
图3A、4A和4B示出了示例性非限制处理；以及
图4是示例性非限制机器人TCP。
具体实施方式
在示例性非限制实现中，用于航空器结构的自动定位和对准方法和系统使用具有6自由度的拟人形机器人，以在定位和对准期间运送航空结构部。图3和3-1示出了一个这种示例性非限制系统。例如，图3是具有拟人形机器人100的自动定位和对准系统50中的航空器机身FP1、FP2的原理例示。如例示所示，由拟人形机器人100支撑机身前部FP1。
根据图3和3-1，正在移动的机身部FP1放置于支座(例如台车)D上，支座转而附连到机器人100的机器人臂102并与之啮合。机器人臂102由传统设计的机器人臂控制器150以6DOF自动控制。机器人臂控制器150从(能在相同或不同的计算机上运行的)分析软件152接收输入，分析软件转而可以从计量测量系统156接收输入。分析软件152可以访问数据库154中的数据，以及执行程序控制步骤以使控制器150控制机器人臂102。根据该示例性非限制系统，仅需要一个机器人100来移动每一机身部FP1。
在所示的例子中，传统的机器人100包括基座106，其能旋转以提供例如摇摆运动，以及可能还能够平移。附连到基座106的是肩108，其允许更大的自由度的臂102的旋转，而且另外的铰接结合允许以第三自由度的机器人臂102的旋转。由此，臂102的足够多关节允许臂102绕三个正交轴旋转，而且机器人臂还被装配为以三个自由度提供平移。由此，能够自动地控制臂102以6DOF移动和定位。在该示例性实现中，使用臂102来支撑和保持台车D和/或机身部FP1，由此允许机器人臂102以6DOF移动和精确地定位机身部FP1。
用于航空器机身部(或其他航空结构部，诸如机翼、尾翼、整流装置等等部分)的一个示例性非限制自动定位和对准处理由以下组成：
1)将机身部FP1加载到附连到机器人臂102的支座或台车上-见图3A(框202)；
2)由一个或多个计量系统156测量机身部中的一些基准(包括正在由机器人移动的部分“FP1”和未由机器人移动的部分“FP2”-见图3A(框204))(例子：由激光雷达测量一些关键特征(多个)，诸如每一部分的主要几何基准)；
3)根据对准公差，使用拟人形机器人100将机身部FP1到最佳装配条件(见图3A，框206)；
在此之后，通过紧固或铆接，能够执行机身部的接合(见图3A，框208)。
在执行定位和对准操作的同时，测量系统可以连续地或逐步地监视部分FP1的、由机器人100所改变的位置和姿态。将该位置和姿态信息反馈到分析软件152和/或机器人臂控制器150，以提供闭环反馈控制。
图3-1示出了两个机身部。部分“FP1”由机器人臂102移动，以及部分“FP2”不由机器人臂移动。通常，部分“FP2”附连在可以通过笛卡尔机电促动器MA移动的支座上，如前所述。另外，部分“FP2”连接在可以通过手动装置或通过另一机器人臂102移动的支座，诸如台车D上。可以同时地自动定位和对准两个以上的机身部，例如，如果一个以上的机器人可用的话。
在示例性非限制实现中，为实现定位和对准的过程，存在关于除纵轴外的所有轴固定的机身部(机身段)-见图3-1中的机身部“FP2”。因此，存在如果需要的话关于所有6轴，由机器人100移动的另一机身段-见图3-1中的机身部“FP1”。因此，能将部分FP1定位和对准到部分FP2。
如图4所示，当将传统的机器人100用于制造过程，诸如焊接时，机器人可以将焊接工具162的末端160用作“工具基准点”或“工具中心点(TCP)”。在这种情况下，焊接工具162附连到机器人臂102-见图4。TCP或“工具中心点”通常是在指定过程期间，机器人100需要定位的点。
在示例性非限制实现中，机器人100不具有附连到其臂102的常用工具(如焊接工具、布线工具或其他工具)，而是具有设计成适合被装配的特定机身部FP的几何结构的定制工具(见图3-1)。该示例性实现中的定制工具由附连到机器人臂102的支座或支架构成。在该支座上放置的是机身段(或其他部分，诸如机翼部)-见图3、3-1。示例性非限制实现的一个方面是建立定义用于机器人100的“工具基准点”或TCP的过程。
该示例性非限制实施例将由机器人100运送/加载的机身部视作机器人的末端效应器或加工工具(见图4，与图3-1相比)，由此视作用于机器人的工具基准点(TCP)。在一个示例性非限制实现中，计量测量系统156收集与机器人臂102正运送的特定部分FP的尺寸和几何结构有关的信息，以及该信息连同在数据库154中存储的与部分有关的已知规格信息被用于确定系统用来生成由相对于正在执行的特定接合或定位操作有意义的航空部分FP的结构上的点所定义的机器人工具中心点的空间信息。在一个示例性非限制实现中，对航空部分FP的结构上的不同点，可以用作用于不同接合或定位操作的机器人工具中心点。由此，高精度机器人臂控制器150能够用来基于在航空部分的结构内或相对于航空部分的结构定义的工具中心点，精确地定位航空部分FP。
更详细地说：
初始，将机身部加载到可以抓握、啮合和/或支撑机身部的机器人100上(图4A框402)。
然后，通过使用传统的计量系统156(诸如光学设备、激光投影、激光跟踪仪、激光雷达、无线电或激光的室内GPS和/或摄影测量)，测量侧身部分“FP1”的一些关键特征(多个)(图4A框404)。在一个示例性非限制实现中，传统的计量系统156通过从10-2至10-3mm范围的精度测量。
可以由计量系统156测量的示例性非限制特征可以包括例如：机身圆周、机身顶层(loft)、机身周长和/或其他有意义的几何特性(多个)。
在一个非限制例子中，考虑机身圆周。然后，使用计量系统156，测量机身圆周的点集(例如从10至50个点的范围)。为了将任何最终结构沉降(eventual structural settlement)纳入考虑，在将机身部加载到机器人100上后，执行测量过程。因此，在一个示例性非限制实现中，在测量过程内考虑结构沉降。
由分析软件152，分析由计量系统156生成的几何信息(图4A框406)。典型地，该软件使用存储在数据库154中的这些机身部的3D制图和几何公差要求来工作。然后，通过三角关系，该测量分析软件152建立用于该机身部“FP1”的坐标系，并且确定其GCP-几何中心点。该信息被发送到机器人臂控制器150。
然后，通过通常在工业机器人的控制器150中可用，而通常不相关于放置在机器人臂102的效应器末端的可互换工具(例如焊接工具、旋压工具、抓握工具等等)的已知预定几何结构而使用的传统变换功能，将对应用于机身部FP2上的点的GCP转换成普通工具中心点(TCP)(图4A框408)。转换成机器TCP的GCP能够视作在组装过程中拟人形机器人100能够用来定位和对准机身部FP1的加工对准点-见图3、3-1。
相同或不同的计量系统156可以测量其他(例如不移动)机身部“FP2”的某些关键特征(图4A框410)。在一个非限制例子中，测量机身圆周。计量系统的软件建立部分“FP2”的坐标系，并且确定其GCP-几何中心点。几何分析软件152还将该信息发送到机器人控制器150。
机器人100使用所确定的机身部“FP1”的TPC来建立控制反馈，以及基于闭环，执行将机身部“FP1”TCP定位和对准机身部“FP2”中的相应点(即在该例子中，为机身部“FP2”的GCP)，以便达到最佳装配条件(图4A框412)。
在此之后，通过紧固或铆接，执行机身部的接合(图4A框414)。
在执行定位和对准操作的同时，计量系统156，诸如图3中所示的，可以连续地或逐步地监视正在由机器人100移动的部分的位置和姿态，以及将该信息反馈到分析软件152。例如，如果测量系统156识别到与对准公差范围的偏差(例如在一个示例性实现中，为约0.5mm)已经发生，那么向能够启动恢复动作的操作员提示信号。
可替换地，可以基于支座(台车-D)和机身部FP1，实现关键特征的测量。在这种情况下，例如，使用计量系统156，测量支座D和机身部FP1的点集。然后，软件152为作为一个单一部分的支座D和机身部FP1建立坐标系并建立其GCP。机器人的控制器150将该GCP转换成视作机器人100能够在组装过程中用来定位和对准机身部FP1的加工对准点的普通工具中心点(TCP)。然后，如上所述，使用作为一个单一部分的支座D和机身部FP1的TCP，该顺序过程发生。
可替换地或者另外地，在一个示例性实现中，机身支座或支架可以使用负荷传感器来测量力，以避免在移动期间，或在可能的热膨胀或能产生尺寸改变的其他现象期间，碰撞和应力张力引入到部分上。为此，可以将负荷传感器安装在位于机身部和支座支架间的每一锚点中。只要实现此，能够由软件152监视力分布，并且因此，进行应力分布在四个锚点中是否均匀的检查。如果应力分布不均匀，那么能够向启动恢复动作的操作员发出提示信号。
而且可替换地或者另外地，可以在上述顺序中包括另外的步骤。例如，在已达到最佳装配条件的任何时候，可以移出机器人100。因此，可以在机身部FP1、FP2的接合之前(可以通过紧固或铆接来执行)，移出机器人100。因此，能够释放机器人100来执行其他工作。然而，这可以包含通过允许释放机器人100同时仍然保持两个部分间的对准的装置来提供支座(机身部(多个)附连到其上)。此外，机器人工具变换器可以用于将机身部从机器人腕处分开。这种拆卸操作也可以手动执行。在此之后，能够执行机身部的接合。
当机身部具有较大直径时，可以应用另外的示例性非限制实现。在这种情况下，可遵循下述过程。例如，可以测量为机身圆周或顶层或周长的、比在前一结构中考虑的部分更刚性部分的点集。该“更刚性部分”可以是例如位于机身段内的座椅导轨或其他结构元件。相对于位于工场或其他地方的固定基准，测量这些点(图4B框502)；
为相对于位于工场或其他地方的固定基准，测量机器人支座中的点集(图4B框504)，可以：
-将机身部加载到机器人100上(图4B框506)；
-测量机身圆周中的点集。在这种情况下，点的数量能够小于先前过程(当自开始对准操作机身部已经加载到机器人上时)(图4B框508)
然后，可以建立下述点间的三角关系(见图4B框510)；
-机身圆周中的测量点和座椅导轨上的测量点；
-座椅导轨上的测量点和工场上的固定基准的测量点；
-工场上的固定基准的测量点和机器人支座上的测量点。
上述三角关系间接地产生机身圆周和机器人支座的点间的关系，例如：
-计算机身圆周的CGP并将该CGP转换成机器人TCP(图4B框512)；以及
-在加载到机器人上的机身部与其他机身部间执行调平和对准过程(见图4B框514)。
使用具有拟人形机器人的自动定位和对准系统的示例性非限制优点是：
·有力地降低了加工和夹具的成本；
·产生了更多可重复组装接头；
·改进了接合公差实现及由此改进了整体产品质量；
·降低了部件(机身部)搭载过程所需的时间量。该降低包括工具设置、部件定位和在放置部件的移动迭代(move iteration)中节省的时间；
·减少了实施工作；
·减少了控制和程序开发工作
·能够使用相同的机器人来对准其他航空部分和执行其他操作；
·机器人可以仍然支撑机身部或由根据过程需求的定制设备替换。
尽管结合示例性非限制实施例描述了在此的技术，但本发明不受公开内容限制。本发明意图由权利要求限定并且覆盖所有相应和等效的布置，不管在此是否具体公开。

Claims (10)

1.一种用于通过使用机器人(100)，在结构组装期间，相对于彼此，定位和对准航空器机身或航空部分的方法，所述航空部分(FP1)由支座(D)支撑，所述方法包括：
将所述支座(D)和/或所述航空部分(FP1)构造为机器人(100)的工具；
测量所述支座(D)上和/或由所述支座(D)支撑的所述航空部分(FP1)上的一个或多个点；
响应所述测量，基于所测量的点和关于所述航空部分(FP1)的已知规格信息，建立用于所述支座(D)和/或航空部分(FP1)的坐标系和几何中心点(GCP)；
将所述几何中心点(GCP)转换成机器人工具中心点(TCP)；以及
通过控制所述机器人(100)以将由所述机器人(100)驱动的所述航空部分(FP1)的所述机器人工具中心点(TCP)与不由所述机器人驱动的固定部分(FP2)的中心点匹配，来达到最佳装配条件，将所述机器人工具中心点(TCP)用作加工对准点来控制所述机器人(100)自动地对准所述航空部分(FP1)。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用闭环控制来控制所述机器人(100)或控制所述机器人(100)以6DOF移动。
3.如权利要求1所述的方法，包括计量地测量所述固定部分(FP2)的几何结构以及使用闭环控制来控制所述机器人(100)将所述航空部分(FP1)与所述固定部分(FP2)对准。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用从由光学设备、激光投影、激光跟踪仪、和无线电或激光的室内全球定位系统(GPS)、和/或摄影测量组成的组中选择的至少一种，测量所述支座(D)和/或航空部分(FP1)的几何结构。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述构造包括将所述支座(D)与由所述支座(D)支撑的所述航空部分(FP1)固定为用于机器人(100)的唯一工具。
6.一种用于通过使用机器人，在结构组装期间，相对于彼此，定位和对准航空器机身和/或航空部分的系统，所述航空部分(FP1)由支座(D)支撑，所述系统包括：
用于将至少所述支座(D)构造为机器人的工具的装置；
用于测量所述支座(D)上和/或由所述支座(D)支撑的所述航空部分(FP1)上的点的装置；
用于响应所述测量装置建立用于所述支座(D)和/或航空部分(FP1)的坐标系和几何中心点的装置；
用于将所述几何中心点转换成机器人工具中心点(TCP)的装置；以及
用于通过控制所述机器人(100)以将由所述机器人(100)驱动的所述航空部分(FP1)的所述机器人工具中心点(TCP)与不由所述机器人驱动的固定部分(FP2)的中心点匹配，来达到最佳装配条件，控制所述机器人(100)将所述机器人工具中心点(TCP)用作加工对准点来自动地对准所述航空部分(FP1)的装置。
7.一种用于在结构组装期间，相对于彼此，定位和对准航空器机身或航空部分的系统，所述系统包括：
6DOF机器人关节臂(102)；
附连到所述机器人关节臂(102)代替工具的支座(D)，所述支座构造成与所述航空部分(FP1)啮合；
测量所述支座(D)和/或所述航空部分(FP1)上的一个或多个点的测量设备(156)；以及
计算机设备(150，152)，耦合到所述测量设备(156)，所述计算机设备(150，152)至少部分响应测量的点，建立用于所述支座(D)和/或航空部分(FP1)的坐标系和几何中心点，以及将所述几何中心点转换成机器人(100)工具中心点(TCP)；
其中，所述机器人(100)被构造成通过控制所述机器人(100)以将由所述机器人(100)驱动的所述航空部分(FP1)的所述机器人工具中心点(TCP)与不由所述机器人(100)驱动的固定部分(FP2)的中心点匹配，来达到最佳装配条件，将所述机器人工具中心点(TCP)用作加工对准点来自动地对准所述航空部分(FP1)。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述计算机设备进一步被构造成使用闭环控制来控制所述机器人(100)。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述测量设备计量地测量所述固定部分(FP2)的几何结构，并且所述计算设备还被构造成使用闭环控制来控制所述机器人(100)将所述航空部分(FP1)与固定部分(FP2)对准。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述测量设备(156)选自由光学设备、激光投影、激光跟踪仪、和无线电或激光的室内GPS、和/或摄影测量组成的组。
CN201010593006.6A 2009-12-14 2010-12-14 使用机器人的用于航空器结构的自动定位和对准方法和系统 Active CN102294589B (zh)

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