自主移動鉆鉚機器人的基準(zhǔn)檢測與修正方法

張 旋，田 威，袁 磊，李 羊

（1.南京航空航天大學(xué)，機電學(xué)院，江蘇 南京，210016；2.江西洪都航空工業(yè)集團有限責(zé)任公司，江西 南昌330024）

0 引言

孔加工在航空制造中占有重要地位，一架大型飛機上大約有1.5×106～2×106個鉚釘和螺栓，一條機翼的裝配線上每年約要鉆削加工4×107個孔［1］，因此自動化裝配已成為目前飛機裝配中的重要技術(shù)，國內(nèi)外著名的飛機裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了許多大型的面向飛機裝配的自動化設(shè)備。針對飛機大部件機身筒段對接裝配，需要滿足環(huán)向與航向的高精度制孔，因此高柔性、高剛度、輕型自主移動機器人成為當(dāng)前先進(jìn)研究方向。輕型自主移動鉆鉚機器人屬于并聯(lián)機構(gòu)形式，具有高剛度，高柔性、高承載力和運動學(xué)反解較容易實現(xiàn)的優(yōu)點［2－3］。

自主移動鉆鉚機器人是一種新型的輕型自動化裝配系統(tǒng)解決方案，它采用真空吸盤吸附在工件上，可移動至飛機不同部位完成制孔工作，具有柔性好、安裝簡單、實施周期短、對型架的影響和改動很小等優(yōu)點［4］。國內(nèi)外對這種輕型鉆鉚方式已經(jīng)有較多的研究，對其行走方式、制孔時的法向姿態(tài)調(diào)整［5］等研究較多，但基準(zhǔn)檢測研究相對較少。機器人初始由人為放置，其位置存在不確定性，需建立產(chǎn)品與機器人的關(guān)系，另一方面，由于坐標(biāo)系建立的誤差、基準(zhǔn)孔的加工誤差與安裝、制造等誤差的存在，導(dǎo)致基準(zhǔn)孔的實際與理論位置存在偏差，因此需要對機器人進(jìn)行基準(zhǔn)檢測。對于基準(zhǔn)孔的非接觸檢測方法，主要有基于CCD的視覺檢測系統(tǒng)和基于激光測距傳感器的非接觸檢測方法。激光測距傳感器只有二維數(shù)據(jù)，需要通過多次掃描，實現(xiàn)基準(zhǔn)孔邊緣的三維信息的測量；利用相機識別基準(zhǔn)孔邊緣的二維圖像信息，可直接在圖像平面進(jìn)行孔參數(shù)估計［6－7］，簡化測量操作工作，且相機視野較為開闊，使同一視野下基準(zhǔn)孔數(shù)量較多，減少相機移動，提高效率，故采用相機視覺系統(tǒng)進(jìn)行基準(zhǔn)檢測。

1 自主移動鉆鉚機器人

1.1 機器人結(jié)構(gòu)及工作原理

研究的自主移動鉆鉚機器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。機器人由自主移動平臺和末端執(zhí)行器組成；自主移動平臺由框架本體與腿部構(gòu)成，框架分為內(nèi)外結(jié)構(gòu)，兩側(cè)外部為外框架，內(nèi)部整體為內(nèi)框架，內(nèi)外框架由直線導(dǎo)軌連接，可實現(xiàn)相對運動。末端執(zhí)行器包括制孔模塊、壓力腳模塊、排屑模塊和鉚接模塊等，完成制孔鉚接工作。一側(cè)框架上安裝有換刀裝置，由2個旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動實現(xiàn)2把刀的轉(zhuǎn)換工作。

圖1 自主移動鉆鉚機器人

腿部結(jié)構(gòu)共有8支，分為內(nèi)（Z5～Z8）、外（Z1～Z4）2組，每條腿均由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠完成伸縮。機器人由內(nèi)外2組交替吸附運動實現(xiàn)機器人的自主移動：初始全吸附狀態(tài)，先抬起外四足，由兩側(cè)電機驅(qū)動到達(dá)既定位置，放下外四足并吸附；抬起內(nèi)四足，由兩側(cè)電機驅(qū)動到達(dá)相應(yīng)位置，放下并穩(wěn)定吸附，完成一次行走。末端執(zhí)行器安裝在移動框架的內(nèi)部滑臺上，一側(cè)框架上安裝有X向電機，可驅(qū)動內(nèi)部滑臺帶動末端執(zhí)行器X向移動；同時，內(nèi)部滑臺上安裝有Y向電機，可實現(xiàn)末端執(zhí)行器Y向移動。機器人進(jìn)行制孔時，由8條腿同步向下進(jìn)給，完成制孔工作。

機器人的工作流程如圖2所示。初定位，機器人8條腿同時吸附在工件表面，等待進(jìn)入工作狀態(tài)。根據(jù)理論數(shù)模信息，控制機器人視覺系統(tǒng)向基準(zhǔn)孔移動，識別基準(zhǔn)孔，修正待加工孔的理論位置。通過基準(zhǔn)檢測與修正方法，進(jìn)行坐標(biāo)系修正。依據(jù)修正結(jié)果定位末端執(zhí)行器至待加工孔位。啟動激光位移傳感器進(jìn)行法向檢測，并機器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。機器人進(jìn)行制孔與锪窩。移動末端執(zhí)行器至下一孔位，判斷是否完成該站位工作，若完成，則進(jìn)行下一站位。若未完成，則繼續(xù)進(jìn)行下一孔位的制孔工作?；鶞?zhǔn)檢測作為識別機器人與加工孔位置的第一步，其精度直接影響機器人的加工精度。

圖2 機器人工作流程

1.2 基準(zhǔn)檢測模塊設(shè)計

基準(zhǔn)檢測的任務(wù)就是識別實際基準(zhǔn)孔的位置，修正實際的產(chǎn)品坐標(biāo)系與理論產(chǎn)品坐標(biāo)系之間的誤差。如圖3所示，為基準(zhǔn)檢測模塊設(shè)計。相機安裝在末端執(zhí)行器上，與機械主軸同向水平放置，兩側(cè)配備有足夠的光源，為拍照提供更好的光線條件。相機可跟隨末端執(zhí)行器X、Y向移動，完成基準(zhǔn)孔的檢測任務(wù)。任務(wù)流程是，當(dāng)機器人穩(wěn)定吸附時，通過移動內(nèi)部滑臺和末端執(zhí)行器移動相機，找到第1個基準(zhǔn)孔。對基準(zhǔn)孔進(jìn)行拍照。繼續(xù)移動相機，尋找下一個基準(zhǔn)孔。進(jìn)行拍照，完成所有基準(zhǔn)孔的拍照后，在相機軟件中得到各基準(zhǔn)孔的位置信息。

圖3 基準(zhǔn)檢測模塊

2 坐標(biāo)系標(biāo)定

在機器人自動鉆鉚系統(tǒng)中，存在著多個坐標(biāo)系，如產(chǎn)品坐標(biāo)系，機器人坐標(biāo)系等，自動鉆鉚系統(tǒng)正是以這些坐標(biāo)系作為裝配的基準(zhǔn)。因此，坐標(biāo)系的精度直接影響到裝配系統(tǒng)的精度［8］。自主移動鉆鉚機器人同樣需要建立坐標(biāo)系及其相互之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，其基坐標(biāo)系是產(chǎn)品坐標(biāo)系，需要將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至產(chǎn)品坐標(biāo)系下，同時建立機器人坐標(biāo)系，相機坐標(biāo)系，實現(xiàn)各坐標(biāo)系的標(biāo)定與相互轉(zhuǎn)換是基準(zhǔn)檢測修正方法的關(guān)鍵。

2.1 產(chǎn)品坐標(biāo)系建立

系統(tǒng)中，由于機器人有多個站位，且由于機器人行走時因自身重力帶來的方向偏離，使得機器人坐標(biāo)系相對世界坐標(biāo)系不斷發(fā)生變化，因此不能使用機器人坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一。提出以產(chǎn)品坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，也是固定的坐標(biāo)系，是整個坐標(biāo)系系統(tǒng)的基準(zhǔn)。機器人坐標(biāo)系、激光跟蹤儀坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系等都可以通過產(chǎn)品坐標(biāo)系來描述相互之間的位姿關(guān)系，所有數(shù)據(jù)最終將轉(zhuǎn)換至產(chǎn)品坐標(biāo)系下完成數(shù)據(jù)統(tǒng)一。利用激光跟蹤儀建立產(chǎn)品坐標(biāo)系，預(yù)先在產(chǎn)品上制4～7個特征孔，分散布置于產(chǎn)品表面。選取固定參考點，其位置的選取應(yīng)該滿足便于激光跟蹤儀測量。使用激光跟蹤儀測量參考點的位置。在激光跟蹤儀測量軟件中使用所有參考點構(gòu)造一個平面，該平面的法向作為產(chǎn)品坐標(biāo)系的Z向。確定原點，在參考點中選取一點投影至前面構(gòu)造的平面，作為坐標(biāo)系的原點。確定X軸，在參考點中選取一點投影至前面構(gòu)造的平面，投影點與原點的連線為X軸。右手法則確定Y軸，建立坐標(biāo)系。

2.2 機器人坐標(biāo)系建立

為建立起機器人與產(chǎn)品的關(guān)系，機器人與相機的關(guān)系，需要建立機器人坐標(biāo)系。采用激光跟蹤儀建立機器人坐標(biāo)系，如圖4所示，在機器人框架平面上，選取固定參考點，其位置的選取應(yīng)該滿足便于激光跟蹤儀測量，相互之間位置相對分散，并且盡量分布整個框架平面。使用激光跟蹤儀測量參考點的位置。在激光跟蹤儀測量軟件中使用所有參考點構(gòu)造一個平面，該平面的法向作為機器人的Z向。確定原點，在參考點中選取一點投影至前面構(gòu)造的平面，作為機器人坐標(biāo)系的原點。確定X軸，在參考點中選取一點投影至前面構(gòu)造的平面，投影點與原點的連線為X軸。右手法則建立坐標(biāo)系。

圖4 建立機器人坐標(biāo)系

2.3 相機坐標(biāo)系標(biāo)定

相機作為視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，如果要將二維圖像精確的進(jìn)行三維重建，或者進(jìn)行精密測量以及空間運動分析，就必須準(zhǔn)確標(biāo)定相機［9］。相機的標(biāo)定分為內(nèi)部標(biāo)定和外部標(biāo)定，內(nèi)部標(biāo)定即相機自身參數(shù)的標(biāo)定，如單位像素、焦距等，這些是相機出廠時已確定。因此，標(biāo)定是指相機的外部標(biāo)定，即相機坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系關(guān)系的確定。相機標(biāo)定分為九點法和標(biāo)定板法，九點法是在相機視野范圍內(nèi)對已知位置的9個點進(jìn)行拍照，對比這9個點在機器人下的位置與像素坐標(biāo)系下的位置，從而建立相機坐標(biāo)系，且與機器人坐標(biāo)系重合。標(biāo)定板法是比較常用的相機標(biāo)定方法，制造黑白相間的標(biāo)定板，對標(biāo)定板進(jìn)行拍照，建立相機坐標(biāo)系［10］，此時坐標(biāo)系建立在相機視野范圍內(nèi)。針對自主移動鉆鉚機器人的，其視野范圍較小，要求標(biāo)定板的單元長度很小，對標(biāo)定板的要求很高；同時，九點法建立的坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系重合，簡化了后期的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。因此，采用九點法對相機進(jìn)行標(biāo)定。CCD相機獲得的是基準(zhǔn)孔的二維圖像信息，其第三維信息通過機械結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)定得到。標(biāo)定機器人與相機的位置關(guān)系，獲得機器人腿部長度，從而得到相機與加工表面的垂直距離，即相機的第三維坐標(biāo)信息。

相機標(biāo)定板模型圖如圖5所示。圓圈區(qū)域為待測量9點，標(biāo)定時，保證相機的鏡頭表面與法向激光位移傳感器平行。安裝標(biāo)定板，并利用激光跟蹤儀測量孔位在機器人下的位置。移動相機對孔位拍照，3處均拍照各一次。在相機軟件中，對應(yīng)機器人下的孔位信息與像素坐標(biāo)系下的孔位信息。建立相機坐標(biāo)系。此時建立的坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系重合。

圖5 相機標(biāo)定

3 基準(zhǔn)檢測與修正方法

基準(zhǔn)檢測即識別基準(zhǔn)孔位置，誤差修正則實現(xiàn)坐標(biāo)系的修正。不同類型的基準(zhǔn)形式如圖6所示。針對不同的基準(zhǔn)形式，提出具體的誤差修正方法。

圖6 基準(zhǔn)形式

3.1 四點基準(zhǔn)檢測

四點基準(zhǔn)時，首先建立產(chǎn)品坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系、機器人坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，得到基準(zhǔn)孔在產(chǎn)品坐標(biāo)系下的實際位置。坐標(biāo)系變換如圖7所示，P-XY是產(chǎn)品坐標(biāo)系（PS－XY是實際產(chǎn)品坐標(biāo)系，PL－XY 是理 論 產(chǎn) 品 坐 標(biāo) 系），C-XY 是 相 機 坐 標(biāo)系，P-XY是機器人坐標(biāo)系，A-XY是由基準(zhǔn)建立的局部坐標(biāo)系。

圖7 坐標(biāo)系變換

在已知四點的實際位置與理論位置時，利用最小二乘法求得實際坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系的變換矩陣，即需要修正的誤差，表達(dá)式為：

3.2 三點基準(zhǔn)檢測

對于不同的基準(zhǔn)形式，坐標(biāo)系變換形式相同，最終均得到基準(zhǔn)在實際產(chǎn)品坐標(biāo)系下的位置。不同的是，三點基準(zhǔn)形式不可利用最小二乘法直接求解位置偏差，需構(gòu)建基準(zhǔn)孔的局部坐標(biāo)系，分別建立起局部坐標(biāo)系與理論產(chǎn)品坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系與實際產(chǎn)品坐標(biāo)系之間關(guān)系，從而求解理論與實際坐標(biāo)系之間的偏差，對待加工孔位置進(jìn)行修正。三點建立坐標(biāo)系如圖8所示，P1、P2、P3是相機拍照下的3個基準(zhǔn)孔，坐標(biāo)系P1－X′Y′Z′是由這3個基準(zhǔn)孔建立得到的局部坐標(biāo)系是X′軸方向，是Z′軸，Y′由右手法則確定。

為得到理論坐標(biāo)系與實際坐標(biāo)系的位置偏差，采用公共點轉(zhuǎn)換法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。利用公共點在兩個坐標(biāo)系下的已知位置，分別求出公共點與理論坐標(biāo)系、實際坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，間接求出理論與實際的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.3 點－縫基準(zhǔn)檢測

基準(zhǔn)形式為2個基準(zhǔn)孔加一條對縫時，同樣采用公共點轉(zhuǎn)換法求解理論坐標(biāo)系與實際坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，與三點基準(zhǔn)檢測不同的是局部坐標(biāo)系的建立方法。點－縫建立坐標(biāo)系如圖9所示，坐標(biāo)系建立方法是，P1、P2是2個獨立的基準(zhǔn)孔，l是一條對縫，以P1為原點，兩孔連線的矢量P為X′軸，為Z′軸，Y′軸由右手法則確定。

圖8 三點建立坐標(biāo)系

圖9 點－縫建立坐標(biāo)系

4 試驗

為了驗證基準(zhǔn)檢測與修正方法的可行性，設(shè)計機器人基準(zhǔn)檢測實驗，搭建實驗平臺，設(shè)計制造符合要求的實驗板作為產(chǎn)品對象，通過相機對實驗板上的基準(zhǔn)孔進(jìn)行拍照，獲取基準(zhǔn)孔信息，利用提出的修正方法對待加工孔位進(jìn)行修正，完成實驗驗證。實驗結(jié)果表明，機器人的定位精度為0.08 mm，滿足≤±0.1mm的要求，重復(fù)定位精度為0.03mm，滿足≤±0.05mm要求。因此，提出的基準(zhǔn)檢測與修正方法可行。

5 結(jié)束語

針對不同的基準(zhǔn)形式，提出相應(yīng)的基準(zhǔn)檢測與修正方法，解決了機器人初始定位與待加工孔定位的問題，通過實驗驗證，方法可行，且滿足精度要求，為后續(xù)進(jìn)一步的工程實際應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。提出以產(chǎn)品坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，所有位置信息轉(zhuǎn)換至產(chǎn)品坐標(biāo)系下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一。解決了由于機器人的長距離、多站位的移動，且行走路線逐漸偏離帶來的位置誤差問題。實驗在水平平臺上進(jìn)行，機器人實際工作狀態(tài)是垂直吸附。因此，后續(xù)需要繼續(xù)進(jìn)行斜面、垂直面的驗證實驗。

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