在具有受限空间的结构上进行同步机器人操作的方法.pdf

一种在具有受限空间的结构上执行的完全自动化的方法。所述结构具有可以从该受限空间内和该受限空间外识别的位置。第一机器人系统在该受限空间内移动第一端部操纵器，以使该第一端部操纵器定位在所述位置上方。产生对应于该位置的第一矢量。第二机器人系统在该受限空间外移动第二端部操纵器，以使该第二端部操纵器定位在所述位置上方。产生对应于所述位置的第二矢量。第一和第二矢量用于将第一和第二端部操纵器移动到新位置，以使该第一和第二端部操纵器位于工作位置。第一和第二端部操纵器在该新位置执行同步操作。

1.  一种在具有受限空间的结构上执行操作的自动化方法，所述结构具有可以从该受限空间内和该受限空间外识别的位置，所述方法包括：
利用第一机器人系统在该受限空间内移动第一端部操纵器，以使该第一端部操纵器定位在所述位置上方，并产生对应于该位置的第一矢量；
利用第二机器人系统在该受限空间外移动第二端部操纵器，以使该第二端部操纵器定位在所述位置上方，并产生对应于所述位置的第二矢量；
利用所述第一和第二矢量将第一和第二端部操纵器移动到新位置，以使该第一和第二端部操纵器位于工作位置；和
利用所述第一和第二端部操纵器在该新位置执行所述操作。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，当实现精确定位时，每个所述机器人系统将其矢量传递到机器人控制器。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作包括同步组装操作。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述同步组装操作包括所述第二机器人系统在所述新位置钻孔，并将紧固件插入该孔，以及所述第一机器人系统终结所述紧固件。

5.  如权利要求4所述的方法，进一步包括在所述第一和第二端部操纵器之间产生磁性吸引，以便执行无毛刺钻孔。

6.  如权利要求1所述的方法，进一步包括：利用所述第一和第二机器人系统将所述第一和第二端部操纵器定位到第二位置，并产生对应于所述第二位置的第一和第二矢量，其中相对于所述第一矢量计算所述第一端部操纵器的新位置，而由所述第二矢量计算所述第二端部操纵器的新位置。

7.  如权利要求6所述的方法，进一步包括：计算所述第一和第二位置之间的多个永久紧固件位置。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用第一机器人系统的柔顺臂将所述第一端部操纵器定位在所述位置上方并将所述第一端部操纵器压靠所述表面，而且利用连接到所述第一端部操纵器的装置沿着所述表面偏移所述第一端部操纵器。

9.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，仪表化紧固件位于所述位置，且从所述仪表化紧固件产生的光标获得所述矢量。

10.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所示结构是飞行器翼盒。

11.  如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二机器人系统将所述第二端部操纵器移动通过进入端口并进入相邻翼盒的受限空间。

12.  一种包括计算机存储器的产品，所述计算机存储器以数据编码，用于指令第一和第二机器人系统执行权利要求1所述的方法。

13.  一种包括第一和第二机器人系统以及机器人控制器的系统，用于让所述第一和第二机器人系统执行权利要求1所述的方法。

14.  一种在结构的受限空间内定位端部操纵器的方法，所述方法包括：
利用柔顺机器人臂移动所述端部操纵器通过所述结构的进入端口并进入所述受限空间；
利用所述机器人臂将所述端部操纵器粗略定位在所述受限空间内一表面位置上方；
利用所述机器人臂将所述端部操纵器压靠所述表面；和
利用连接到所述端部操纵器的装置沿着所述表面偏移所述端部操纵器，从而将所述端部操纵器精确地定位在所述位置。

在具有受限空间的结构上进行同步机器人操作的方法
技术领域
本发明涉及在具有受限空间的结构上进行同步机器人操作的方法。
背景技术
在飞行器组装期间，在结构的相对两侧同步执行特定操作。设想一下在翼盒上进行紧固操作。翼盒外的机器人系统执行钻孔、扩孔和紧固件插入任务。翼盒内的人员支持这些任务，并且还要在机器人系统保持紧固件的同时，将套筒和螺母置于这些插入的紧固件上。
希望能消除这些手工劳动并且完全自动化地执行这种紧固操作。虽然对于人类来说，将螺母拧在螺栓的螺纹上是一个简单的工作，但是对于机器人系统来说可不简单。螺母在螺栓上精确定位和定向是一件复杂的任务。
由于机器人系统不得不在受限空间内连接螺母，所以该任务变得更为复杂。由于机器人系统不得不经由进入孔进入该受限空间，所以该任务变得更加复杂。由于飞行器公差极其微小，所以该任务更加复杂。由于位于该受限空间内的机器人系统不得不使其任务与该受限空间外的机器人系统同步，所以该任务变得更为复杂。
发明内容
根据文中所述实施方式，提出了一种在具有受限空间的结构上执行的完全自动化的方法。所述结构具有可以从该受限空间内和该受限空间外识别的位置。第一机器人系统移动该受限空间内的第一端部操纵器，以使该第一端部操纵器定位在所述位置上方。产生对应于该位置的第一矢量。第二机器人系统移动该受限空间外的第二端部操纵器，以使该第二端部操纵器定位在所述位置上方。产生对应于所述位置的第二矢量。第一和第二矢量用于将第一和第二端部操纵器移动到新位置，以使该第一和第二端部操纵器位于工作位置。第一和第二端部操纵器在该新位置执行同步操作。
根据文中所述另一种实施方式，提出了在结构的受限空间内定位端部操纵器的方法，包括：使用柔顺机器人臂将所述端部操纵器移动经过所述结构的进入端口并进入所述受限空间；利用所述机器人臂将所述端部操纵器粗略地定位在所述受限空间内的一表面位置上方；利用所述机器人臂将所述端部操纵器压靠所述表面；和利用连接到所述端部操纵器的装置沿着所述表面移动所述端部操纵器，从而将所述端部操纵器精确定位在所述位置。
根据文中所述的另一种实施方式，在飞行器预组装翼盒上执行一种方法。所述预组装翼盒包括多个紧固件。第一机器人系统将该翼盒内的第一端部操纵器移动到第一和第二暂时紧固件上方，并为第一和第二紧固件产生第一矢量。第二机器人系统将翼盒外的第二端部操纵器移动到所述第一和第二紧固件上方，并为第一和第二紧固件产生第二矢量。第一和第二矢量用于计算所述第一和第二紧固件之间的永久紧固件位置。由第一矢量计算用于第一机器人系统的永久紧固件位置，并由第二矢量计算用于第二机器人系统的永久紧固件位置。
一种在飞行器预组装翼盒上执行的方法，所述预组装翼盒利用多个紧固件预组装，所述方法包括：
利用第一机器人系统将该翼盒内的第一端部操纵器移动到第一和第二紧固件上方，并为第一和第二紧固件产生第一矢量；
利用第二机器人系统将翼盒外的第二端部操纵器移动到所述第一和第二紧固件上方，并为第一和第二紧固件产生第二矢量；
利用第一和第二矢量计算所述第一和第二紧固件之间的永久紧固件位置，由第一矢量计算用于第一机器人系统的永久紧固件位置，并由第二矢量计算用于第二机器人系统的永久紧固件位置。
上述方法进一步包括：
利用所述第一机器人系统将所述第一端部操纵器移动到所述翼盒内的永久紧固件位置，利用所述第二机器人系统将所述第二端部操纵器移动到翼盒外对应的永久紧固件位置；和利用所述端部操纵器在它们各自的位置执行同步组装操作。
上述方法进一步包括：在使用第一和第二机器人系统之前，预组装所述翼盒。
上述方法中，所述翼盒利用仪表化紧固件进行预组装，并且通过感知第一和第二紧固件发出的光标的取向来产生所述第一和第二矢量。
一种包括计算机存储器的产品，所述计算机存储器以数据进行编码，用于使第一和第二机器人系统执行上述方法。
一种包括第一和第二机器人系统和机器人控制器的系统，用于使所述第一和第二机器人系统执行上述的方法。
附图说明
图1是包括第一和第二机器人系统以及机器人控制器的系统的示意图；
图2是操作该机器人系统的方法的示意图；
图3a和3b是用于在受限空间内精确定位的设备和方法的示意图；
图4是飞行器翼盒的示意图；
图5a和5b示出了操作机器人系统的方法；
图6是永久紧固件相对于两个预组装紧固件的位置的示意图；
图7是执行紧固操作的方法的示意图；
图8是相邻受限空间内的两条机器人臂的示意图；
图9是飞行器生产和维护方法的流程图。
具体实施方式
现在参照图1，该图示出了在具有受限空间的结构上执行一个或多个操作的第一和第二机器人系统110和120。第一机器人系统110包括定位和定向系统112，用于将第一端部操纵器114移入受限空间并将该第一端部操纵器114在该受限空间内定位和定向。第二机器人系统120包括定位和定向系统122，用于在该受限空间外移动第二端部操纵器124。一旦第一和第二端部操纵器114和124定向和定位，它们将在该结构上执行一个或多个操作(例如，组装操作)。
机器人控制器130包括计算机，该计算机经过编程来操作机器人系统110和120。该计算机包括计算机存储器，所述存储器以数据编码，用于指令第一和第二机器人系统110和120。
现在参照图2，该图示出了操作第一和第二机器人系统110和120在具有受限空间的结构上执行同步操作的方法。该结构具有可以从该受限空间内和该受限空间外识别的位置。该位置可以借助但不限于视觉装置(例如，标记、紧固件，或者该结构的孔或其他特征)、磁性装置(例如，借助内嵌磁体)、或者借助仪表化(instrumented)紧固件(下面详述)进行识别。
在方块210，第一机器人系统110接受指令，将第一端部操纵器114移动到该受限空间内，以使该第一端部操纵器114定位在所述位置上。一旦第一端部操纵器114定位完成，则第一机器人系统110将第一矢量传递给机器人控制器130。第一矢量可以包括位置信息(例如，x-y坐标)和/或角度取向(例如，相对于表面法线)。
第一端部操纵器114的定位精度可以取决于具体应用。例如，用于飞行器组装的精度通常高于其他类别的工业组装。
在方块220，第二机器人系统120接受指令，在该受限空间外移动第二端部操纵器124，以使第二端部操纵器124定位在该位置上。一旦第二端部操纵器124定位完成，则第二机器人系统120将第二矢量传递给机器人控制器130。第二矢量可以包括位置信息和/或角度取向。
因此，两个矢量传递给机器人控制器130。第一矢量将用作第一机器人系统110的基准体系。同样，第二矢量将用作第二机器人系统120的基准体系。
在方块230，第一和第二机器人系统110和120分别使用第一和第二矢量，移动第二和第二端部操纵器114和124到新位置。在该新位置，第一和第二端部操纵器114和124处于工作位置，且第一端部操纵器114位于该受限空间内而第二端部操纵器124位于该受限空间外。
在方块240，第一和第二端部操纵器124接受指令，在该新位置执行同步操作。例如，可以在该新位置执行同步组装操作。
因此，使用图2所示方法，可以在该结构上执行同步操作，即使第一端部操纵器114从该受限空间外部不可见。此外，即使机器人系统110和120不具有单一的固定基准体系，也可以执行该同步操作。
图2所示方法可以自主执行。这种自主操作可以减少或甚至取消手工组装。
图2所示方法并不限于从单一位置获得基准体系。如果该结构包含多个可以从该受限空间之内以及之外可见的位置，则可以使用两个或多个位置来建立基准体系。下面叙述使用两个位置建立基准体系的示例。
现在参照图3a和3b讨论，它们示出了在受限空间内实现第一端部操纵器精确定位的设备310和方法。设备310包括柔顺长臂312，其具有多个自由度。这种臂的一个示例是蛇形臂。第一端部操纵器位于机器人臂312的自由端。设备310进一步包括连接到该第一端部操纵器的定位装置314。
在方块310，柔顺臂用于粗略地将第一端部操纵器定位在该受限空间内的一表面位置上方。由于该臂的柔顺性，所以该位置为粗略位置。
在方块320，机器人臂312将该第一端部操纵器压靠在该表面上。由于该臂具有柔顺性，所以第一端部操纵器和该表面之间的摩擦将防止第一端部操纵器偏移其x-y位置。
在方块330，定位装置314用于沿着该表面偏移第一端部操纵器的位置。视觉系统316或者其他感知装置可以用来确定第一端部操纵器何时精确地位于所述位置。装置314可以接受指令来重复偏移第一端部操纵器，直到第一端部操纵器的实际位置落入该位置的公差范围之内。定位装置314可以接受机器人控制器130或者第一机器人系统110机载控制器的指令。
同步操作和结构并不限于任何特定内容。但是作为一个示例，可以在具有受限空间的飞行器结构上执行紧固操作。具有至少一个受限空间的飞行器结构包括但不限于机翼、水平和垂直稳定器以及货舱和其他机身舱体。
现在参照图4，该图示出了翼盒的机翼舱410。翼盒包括诸如蒙皮面板420、翼梁430和肋(肋未示出)的部件。每个机翼舱410具有受限内部空间和导向该受限空间的进入端口440。翼盒具有多个机翼舱410。
图2和3b所示方法可以适配地在预组装翼盒上执行永久紧固操作。在预组装过程中，翼盒部件(例如，翼梁、蒙皮面板和肋)的接合(即，重叠)表面被密封剂覆盖并压紧在一起。密封剂消除了接合表面之间的间隙，便于无毛刺(burrless)钻孔。然后，可以利用粘结(tack)紧固件(暂时或永久)紧固翼盒压紧在一起的部件。粘结紧固件可以将翼梁紧固到蒙皮面板、将翼梁紧固到肋，和将肋紧固到蒙皮面板。
在一些实施方式中，翼盒可以利用受让人名下2007年5月31日提交的美国专利申请11/756,447中公开仪表化紧固件进行预组装，该专利申请通过引用方式包含在本文中。在一种实施方式中，仪表化紧固件包括一个或多个光源(例如，发光二极管)，它们配置成发出光标。有关仪表化紧固件的信息(例如，紧固件数字)可以编码在光标中。
这些仪表化紧固件允许第一机器人系统确定贯穿紧固件位置延伸的轴线的取向和位置。光标指向机翼舱外和机翼舱内，因此它们可以被机器人系统110和120感知。
另外参考图5a和5b，它们示出了在飞行器预组装翼盒上执行永久紧固操作的方法。紧固操作包括通过翼盒钻无毛刺孔，将紧固件插入该孔，以使紧固件延伸到翼盒内，并从翼盒内将螺母紧固到螺栓上。
在方块510，第一和第二机器人系统移动到第一机翼舱。在方块512，第一机器人系统的机器人臂将第一端部操纵器移动通过机翼舱的进入端口并移入机翼舱。
在方块514，第二机器人系统在翼盒外移动第二端部操纵器，直到第二端部操纵器位于第一紧固件上方。例如，第二机器人系统可以将第二端部操纵器移动到粗略位置，确定ΔX、ΔY偏移量(例如，利用视觉系统)，判断该偏移量是否落入公差范围，如否，则调节第二端部操纵器的位置，直到该偏移量落入公差范围。在方块514的功能完成之后，第二端部操纵器相对于第二紧固件将具有正确的面内(in-plane)定位。
预组装的翼盒通常具有用于每个机翼舱的粘结紧固件。这些紧固件其中之一将标记为“第一”紧固件。作为第一示例，机器人控制器可以进行编程，以使第一端部操纵器移动到特定位置，假设是第一紧固件粗略定位的地方。作为第二示例，使用视觉系统定位第一紧固件。作为第三示例，利用其光标以紧固件数字编码的仪表化紧固件暂时组装翼盒。通过对光标解码，可以确定端部操纵器是否定位在“第一个”仪表化紧固件上。
在方块516，第二机器人系统将第二端部操纵器上的电磁体取向为正交机翼舱的表面。例如，第二机器人系统可以将第二操纵器移动到粗略的旋转取向，确定距离表面法线的ΔA、ΔB角度偏移量，判断所述偏移量是否落入公差范围内，如否，则调节第二端部操纵器的旋转取向，直到该偏移量落入所述公差范围。
相对表面法线的取向可以由触觉或非触觉传感器感知。例如，传感器可以具有布置在圆环上的4个检测器(例如，位于0°、90°、180°和270°)。每个检测器测量光标的密度。第二端部操纵器移动，直到全部密度测量值相等，此时第二端部操纵器定心在第一紧固件上并且与机翼舱表面正交。
在方块518，第二机器人系统产生第二端部操纵器相对于第一紧固件的位置和取向【X1、Y1、A1、B 1】₂，并将该矢量传递给机器人控制器。在方块520，第二机器人系统可以等待来自第一机器人系统的输入。
在方块522，第一机器人系统的机器人臂将第一端部操纵器移动到第一粘结紧固件上方的粗略位置。例如，第一机器人系统可以将第一端部操纵器移动到粗略位置，确定距离第一紧固件的ΔX、ΔY偏移量(例如，利用视觉系统)，判断该偏移量是否落入粗略的位置公差范围内，如否，则调节第一端部操纵器的位置，直到该偏移量落入粗略位置公差范围。
在方块524，第一端部操纵器移动到第一粘结紧固件上方的精确取向。例如，第一端部操纵器移动到旋转取向。内部传感器或者读取编码器用来判断ΔA、ΔB和ΔC取向偏移量。该取向偏移量与公差比较，并且进一步调节该取向，直到该取向偏移量落入公差范围。
在方块526，第一机器人系统将第一端部操纵器压靠翼盒内表面。所述表面之间的摩擦将阻止第一端部操纵器发生位置偏移(因为机器人臂存在柔顺性)。
在方块528，连接到第一端部操纵器的定位装置将第一端部操纵器移动到第一粘结紧固件上方的精确位置。例如，第一机器人系统可以判断距离第一粘结紧固件的ΔX、ΔY偏移量，判断该偏移量是否落入细微位置公差范围，如否，则指令该装置偏移第一端部操纵器的位置，直到该偏移量落入细微位置公差范围。
在方块530，第一机器人系统产生第一端部操纵器相对于第一粘结紧固件的位置和取向【X1、Y1、A1、B 1、C1】₁。该矢量传递给机器人控制器。
在方块532，第一和第二机器人系统精确地定位和定向在相邻(第二)紧固件上方，并且产生第二紧固件的矢量【X2、Y2、A2、B2、C2】₁和【X2、Y2、A2、B2】₂，将之传递到机器人控制器。方块514-530的功能可以重复，只不过是对于第二紧固件执行。
在方块534，机器人控制器计算第一和第二紧固件之间的永久紧固位置。图6示出了第一和第二紧固件TF1和TF2之间共线且等距隔开的永久紧固件位置(以十字表示)。但是，永久紧固件位置也可以在第一和第二紧固件TF1和TF2之间遵循曲线。
在方块536，在每个永久紧固件位置执行紧固操作。紧固操作的示例在图7中示出。但是，图5所示方法并不限于这种紧固操作。其他紧固操作包括但不限于铆接。
在方块538-540，在最后一个永久紧固操作执行完毕之后，第一紧固件的坐标设置为第二紧固件的坐标。就是说：
【X1、Y1、A1、B1、C1】₁＝【X2、Y2、A2、B2、C2】₁；和
【X1、Y1、A1、B1】₂＝【X2、Y2、A2、B2】₂。
然后，控制流程返回方块532。
在机翼舱内的最后一个紧固操作执行完毕之后，控制流程返回方块510，从而第一和第二机器人系统移动到下一个机翼舱并在其上执行永久紧固操作。该方法持续执行(方块542)，直到翼盒上的每一个机翼舱都执行完紧固操作。
现在参照图7，该图示出了由第一和第二机器人系统执行的紧固操作示例。紧固操作包括将第一和第二端部操纵器夹靠它们各自的表面(方块710)。可以通过例如激活第二端部操纵器上的电磁体，磁性吸引第一端部操纵器上的钢板(来自电磁体的磁通量透过夹持在一起的部件)，来实现上述目的。
该加持力挤出密封剂并消除部件的接合表面之间的间隙。这样有利于进行无毛刺钻孔，第二端部操纵器将在方块720执行该钻孔操作。第二端部操纵器还可以在方块720处执行扩孔。在方块730，第二端部操纵器将紧固件插入该钻孔中。
在方块740，确定第一端部操纵器相对于插入的螺栓的位置。如果偏移量未落入公差范围内(方块750)，则利用第一端部操纵器端部的定位装置偏移第一端部操纵器的位置和/或改变其取向(方块760)。第一和第二端部操纵器之间的夹持力可以释放，以允许进行位置调节。
在方块770，第一端部操纵器终结所述紧固件的端部。例如，第一端部操纵器在该紧固件上安装套筒和螺母。
现在参照图8。在另一种实施方式中，第二机器人系统820可以与第一机器人系统具有相同配置，并且执行相同功能。例如，第一和第二机器人系统810和820可以包括柔顺臂812和822，用于在相邻机翼舱内移动第一和第二端部操纵器814和824，并且在肋或其他结构的上半部和下半部R_U和R_L上执行紧固操作。当然，所述其他实施方式并不限于翼盒，而是可以应用于在其他相邻受限空间执行的同步操作。
文中所述系统并不限于在受限空间内定位端部操纵器的机器人臂。例如，履带车可以替代机器人臂在受限空间内定位端部操纵器。
文中所述方法并不限于紧固操作。文中所述方法可以用于在飞行器上执行其他操作。所述操作的示例包括但不限于在受限空间内涂覆密封剂、清洁、刷漆和检查。
文中所述方法并不限于飞行器上的同步操作。例如，文中所述方法可以应用于在容器、汽车、卡车、船只以及其他具有受限空间的结构上执行同步操作。
对于飞行器而言，文中所述方法并不限于制造。文中所述方法可以应用于飞行器制造和维护的其他阶段。
现在参照图9，该图示出了飞行器制造和维护方法的示例。在预生产阶段，该方法可以包括飞行器规格指定和设计910，以及材料采购920。在生产阶段，发生部件和子组件制造过程930和飞行器系统集成过程940。此后，飞行器通过认证和交付950，以便投入服役960。在客户运营过程中，飞行器安排进行常规维护和保养970(还可以包括改型、重新配置、翻新等等)。
该方法的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实施。为了叙述的目的，系统集成商可以包括但不限于任意数目的制造商和主系统分包商，第三方可以包括但不限于任意数数目的零售商、分包商和供应商，而运营商可以是航空公司、军事团体，服务性组织等。
文中所述实施方式可以用于制造和维护方法的任意一个或多个阶段。例如，对应于生产过程930的部件或子组件可以通过类似于飞行器服役期间制造部件或子组件的方式制作或制造。而且，在生产节段930和940，可以采用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或者它们的组合，从而例如明显加速飞行器组装并降低成本。同样，在飞行器服役期间，例如但不限于在维护和保养过程970中，也可以采用文中所述的一个或多个实施方式。