航空制造領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)研究綜述*

鄭 煒，杜坤鵬，陳 航，林 偉，王 剛，張益銘，王戰(zhàn)璽

（1.中航飛機(jī)股份有限公司制造工程部，西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

近年來，隨著全球制造業(yè)智能化的發(fā)展趨勢(shì)，以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能制造裝備的發(fā)展受到國內(nèi)外自動(dòng)化生產(chǎn)線的廣泛關(guān)注[1]。在航空制造領(lǐng)域，因大型零部件的剛度相對(duì)較低，其自身變形和裝配誤差的累計(jì)不容忽視。一般需要現(xiàn)場切削加工待連接部位以保證裝配精度和質(zhì)量。由于待加工裝配的部件，如飛機(jī)機(jī)翼、端面、翼盒等部件尺寸較大、外形復(fù)雜，裝配過程與方法有別于一般的機(jī)械產(chǎn)品[2]，所以傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床和定點(diǎn)作業(yè)的機(jī)器人無法使用[3]。人工裝配對(duì)工人技術(shù)水平要求高，且效率低、工作強(qiáng)度大、一致性差。為此，移動(dòng)平臺(tái)搭載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成的移動(dòng)裝配系統(tǒng)，效率高、可達(dá)性好、裝配精度穩(wěn)定以及快速重構(gòu)適應(yīng)大型低剛度復(fù)雜構(gòu)件的裝配作業(yè)[4–5]，受到學(xué)術(shù)領(lǐng)域以及制造領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

工業(yè)機(jī)器人相比數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)剛度較低，再加上移動(dòng)平臺(tái)的非固定性，其應(yīng)用于航空領(lǐng)域剛度低、厚度小的大部件加工裝配時(shí)，低頻切削力作為動(dòng)態(tài)激振力極易引起末端刀具嚴(yán)重偏離期望的加工軌跡，進(jìn)一步引發(fā)切削顫振，導(dǎo)致加工精度下降、表面加工質(zhì)量差，甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢、機(jī)器人故障等危險(xiǎn)后果[6]。同時(shí)，大部件裝配的定位精度要求很高（如機(jī)翼兩端發(fā)房距離24m，要求裝配后對(duì)稱軸線位置公差小于0.1mm），這就要求機(jī)器人移動(dòng)加工裝配系統(tǒng)在整個(gè)加工區(qū)域具備高精度定位。大型復(fù)雜部件通常需要采用大量工裝型架來進(jìn)行定位，產(chǎn)品及工裝與機(jī)器人末端執(zhí)行器干涉，影響移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)基準(zhǔn)檢測的可達(dá)性。大部件與移動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置難以實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)于大型復(fù)雜部件的每一個(gè)不同工位，均需要移動(dòng)式機(jī)器人進(jìn)行一次區(qū)域基準(zhǔn)檢測，這樣多工位分步化的基準(zhǔn)檢測嚴(yán)重影響檢測效率和精度。

近年來，移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)在國內(nèi)外航空制造中已經(jīng)有了初步應(yīng)用，并取得了一定的成果和技術(shù)進(jìn)步。本文針對(duì)大型低剛度部件的移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)以及相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，重點(diǎn)研究大尺寸、高精度定位以及加工穩(wěn)定性等問題，并對(duì)尚未解決的問題以及未來的研究方向進(jìn)行討論和展望。

機(jī)器人移動(dòng)加工技術(shù)與應(yīng)用

移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)一般由工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)平臺(tái)以及多功能末端執(zhí)行器組成，末端執(zhí)行器通常會(huì)集成電主軸、壓力腳、測量傳感單元及其他附件[7]。在航空大型低剛度部件加工裝配過程中，機(jī)器人加工系統(tǒng)擁有更高的空間可達(dá)性和更小的安裝空間要求[8]，因此可以更靈活地執(zhí)行自動(dòng)化加工任務(wù)，在鉆、銑、磨等切削加工甚至鉚接等裝配作業(yè)也得到應(yīng)用[9]。

德國弗勞恩霍夫研究所開發(fā)出了模塊化、自適應(yīng)、可移動(dòng)機(jī)器人銑削系統(tǒng)（圖1），并在空客A320 飛機(jī)的7m×2m的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料垂直尾翼面上得到應(yīng)用，提高了大型低剛度復(fù)合材料構(gòu)件的加工精度、效率、質(zhì)量[1]。英國BAE 公司開發(fā)了針對(duì)復(fù)合材料的全自動(dòng)精確锪孔加工單元，有效解決了復(fù)合材料锪鉆設(shè)備笨重、效率低和加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題[10]。由于傳統(tǒng)的鉆削加工切削力大，表面質(zhì)量難以控制[11]，近年來，新興的螺旋銑削制孔工藝和超聲波輔助方法成功應(yīng)用在難加工材料的加工中[12]，改變了材料的去除機(jī)理，減小加工切削力，改善了毛刺、撕裂等加工缺陷[13]。劉長毅等[14]以螺旋銑孔工藝時(shí)域解析切削力建模、時(shí)域與頻域切削過程動(dòng)力學(xué)建模、切削顫振及切削穩(wěn)定性建模為基礎(chǔ),研究了螺旋銑孔的切削參數(shù)工藝規(guī)劃模型和方法，并通過試驗(yàn)對(duì)所規(guī)劃的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。高航等[15]采用螺旋銑削與超聲振動(dòng)復(fù)合加工工藝針對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行制孔加工試驗(yàn)，結(jié)果表明增加超聲振動(dòng)幅值、降低刀具每齒材料去除量可有效減少孔出口處的毛刺、撕裂等加工缺陷。圖2和3分別為用于空直公司某型直升機(jī)機(jī)身總裝機(jī)器人自動(dòng)化裝配系統(tǒng)[16]和基于AGV 搭載機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)翼數(shù)字化制孔系統(tǒng)[17]。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)加工A320飛機(jī)復(fù)合 材料垂尾翼面Fig.1 Machining of composite vertical tail airfoil of A320 aircraft with mobile robot system

圖2 某型直升機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)Fig.2 Automatic assembly system of a helicopter

圖3 大飛機(jī)翼盒機(jī)器人制孔系統(tǒng)Fig.3 Robot drilling system for wing box of large aircraft

其他切削加工領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用也在逐步增加，北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了3P3R 構(gòu)型的砂帶機(jī)器人，在對(duì)待加工表面點(diǎn)建模的基礎(chǔ)上，應(yīng)用蒙特卡洛法對(duì)復(fù)雜曲面工件的磨削加工軌跡進(jìn)行仿真，得到了最接近實(shí)際加工時(shí)的機(jī)器人姿態(tài)，驗(yàn)證了待加工工件的可加工性[18]；浙江大學(xué)針對(duì)機(jī)器人精鏜飛機(jī)交點(diǎn)孔的精鏜系統(tǒng)，通過分析顫振發(fā)生時(shí)的壓腳位移信號(hào)，提出基于Hilbert-Huang變換的顫振特征提取方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鏜孔顫振的快速識(shí)別[19]。

綜上，針對(duì)大型低剛度部件的加工和裝配，移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)因其高靈活度、大工作空間而具有極大優(yōu)勢(shì)，正逐步成為航空大型零部件裝配加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。而當(dāng)機(jī)器人加工系統(tǒng)脫離定點(diǎn)作業(yè)模式進(jìn)行移動(dòng)加工時(shí)，必然會(huì)面臨多工位分步化基準(zhǔn)檢測效率低、精度差以及動(dòng)態(tài)低頻切削力誘導(dǎo)的切削顫振等問題，因此，為提高機(jī)器人移動(dòng)加工的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量，就必須研究其所面臨的大部件、高精度定位問題和切削加工穩(wěn)定性問題。

機(jī)器人移動(dòng)加工系統(tǒng)的定位與檢測

目前在航空大型零部件自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)中，移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人得到廣泛的應(yīng)用，然而大部件與移動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置難以實(shí)時(shí)監(jiān)測，其空間定位精度影響到整個(gè)加工裝配的精度，進(jìn)而直接影響飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)外形。為了提高航空零部件的加工裝配精度，移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)的大部件高精度定位與檢測問題亟待解決。

為滿足大尺寸零部件加工和飛機(jī)裝配對(duì)大尺寸、高精度、多任務(wù)和快速測量的需求，克服大尺寸零部件在加工裝配中多工位分步基準(zhǔn)檢測效率低、柔性差的問題，設(shè)計(jì)了高效、精準(zhǔn)的與飛機(jī)數(shù)字化裝配相匹配的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)標(biāo)定方法，對(duì)多工位的加工裝配坐標(biāo)系的快速轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行研究。目前，數(shù)字化光學(xué)測量在航空裝配中成功應(yīng)用（如F–22、F–35 戰(zhàn)機(jī)、波音787 等），提高了裝配精度、效率及自動(dòng)化水平，針對(duì)航空復(fù)雜構(gòu)件的協(xié)同測量技術(shù)[20]、大尺寸高精度坐標(biāo)控制場的構(gòu)件與誤差評(píng)定[21]、統(tǒng)一坐標(biāo)測量網(wǎng)技術(shù)[22]等，為數(shù)字化測量技術(shù)在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。劉洋[23]基于激光跟蹤儀來標(biāo)定機(jī)器人實(shí)際位置和名義位置的誤差，建立虛擬末端執(zhí)行器坐標(biāo)系，將末端位置誤差作為輸入，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，試驗(yàn)表明該方案不引入新誤差源，能夠提升機(jī)器人絕對(duì)定位精度。浙江大學(xué)艾小祥[24]設(shè)計(jì)了一套包含激光跟蹤儀、掃描儀及自動(dòng)化掃描軟件等的自動(dòng)化掃描測量系統(tǒng)，對(duì)機(jī)翼關(guān)鍵特征采取不同的掃描策略，優(yōu)化掃描路徑，使空行程減少70%，提高掃描效率，輔助協(xié)調(diào)機(jī)翼和壁板姿態(tài)，指導(dǎo)裝配，評(píng)價(jià)裝配質(zhì)量。

移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人在大尺寸零部件加工和裝配中，存在動(dòng)靜態(tài)誤差、機(jī)械加工、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法、人為操作失誤、測量儀器等因素引起的殘留誤差，移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度也難以保證，為提高加工裝配效率，保證加工裝配的精度，需要設(shè)計(jì)基于光學(xué)測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位姿精度補(bǔ)償技術(shù)，研究工裝坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系等加工裝配所需坐標(biāo)系快速建立與相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法，實(shí)時(shí)檢測控制機(jī)器人末端和移動(dòng)平臺(tái)的位置，同時(shí)為光學(xué)測量系統(tǒng)提供精度補(bǔ)償方案。黃希等[25]研制了飛機(jī)裝配裝配系統(tǒng)，著重研究精度補(bǔ)償技術(shù)，解決機(jī)器人絕對(duì)定位精度低的問題，并試驗(yàn)驗(yàn)證了其技術(shù)指標(biāo)能夠滿足飛機(jī)制造的精度、質(zhì)量、效率等要求。

為確定移動(dòng)平臺(tái)與大部件之間相對(duì)位置關(guān)系，往往需要采用視覺手段對(duì)大部件表面進(jìn)行檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)的定位。然而由于飛機(jī)大型構(gòu)件尺寸較大、待測特征多、測量精度要求高，現(xiàn)有檢測技術(shù)無法支持一次性測量，通常采用多個(gè)區(qū)域分段測量，并將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。拼接的技術(shù)方法可以根據(jù)圖像特征或幾何特征來進(jìn)行，但分段區(qū)域的不合理和大型構(gòu)件復(fù)雜表面特征，往往存在局部遮擋和特征匹配不穩(wěn)定等問題。Nister 等[26]基于Harns 角點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)圖像特征匹配，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位，同時(shí)采用試驗(yàn)，驗(yàn)證雙目視覺系統(tǒng)較單目具有處理速度更快、獲取圖像信息多、定位精度高、效果更好等特點(diǎn)。王瑩[27]將SIFT 算法和Harris 角點(diǎn)檢測算法結(jié)合，使其既具備角點(diǎn)信息又有尺度不變性，試驗(yàn)表明該算法具有一定的精度和很高的穩(wěn)定性。上述特征匹配法雖精度較高，但計(jì)算量大，且可能提取不到足夠的特征點(diǎn)，針對(duì)這一問題，西南交通大學(xué)的張一博[28]將特征點(diǎn)匹配法和光流法融合，規(guī)避了光流法的灰度不變的強(qiáng)假設(shè)，取長補(bǔ)短，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該算法的精度和實(shí)時(shí)性，并且能夠適應(yīng)不同工況。由于定位過程中傳感器自身的誤差和環(huán)境不確定性的誤差等問題，對(duì)機(jī)器人的定位檢測問題還需要進(jìn)一步研究。

機(jī)器人加工的動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)抑制

機(jī)器人加工系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，存在嚴(yán)重的非線性和耦合關(guān)系，例如關(guān)節(jié)力、力矩與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)間可以近似為三角函數(shù)關(guān)系，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互耦合，關(guān)節(jié)作用力和外部作用力也相互耦合，機(jī)器人加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)抑制就必須從剛度模型、動(dòng)力學(xué)分析出發(fā)對(duì)其進(jìn)行深入研究。

1 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)器人機(jī)械臂為多連桿串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)器人整體剛度過低，一般低于1N/μm，而傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的剛度大于50N/μm[29]，剛度辨識(shí)是動(dòng)力學(xué)分析要解決的問題之一。曲巍崴等[30]基于傳統(tǒng)的剛度映射模型，通過變換機(jī)器人姿態(tài)以及改變壓力腳壓力，進(jìn)行剛度辨識(shí)試驗(yàn)，并采用遺傳算法進(jìn)行位姿優(yōu)化，提高機(jī)器人加工系統(tǒng)的精度和加工性。Guo 等[31]提出了一種機(jī)械加工應(yīng)用中機(jī)器人姿態(tài)的優(yōu)化方法，可用于確定在某一刀具中心位置具有最大剛度的機(jī)器人姿態(tài)，通過優(yōu)化加工路徑上不同刀具中心位置的機(jī)器人姿態(tài)，提高機(jī)器人的剛度和顫振穩(wěn)定性。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模過程中，包括末端執(zhí)行器在內(nèi)的各個(gè)關(guān)節(jié)的剛度、阻尼等動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)同樣也是技術(shù)難點(diǎn)。Reinl 等[32]將附加關(guān)節(jié)柔度的機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)模型與提供過程力的材料移除模擬相結(jié)合，通過調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人銑削過程中的路徑偏差的分析、預(yù)測及補(bǔ)償。Cen 等[33]建立了一個(gè)考慮機(jī)器人動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和外力對(duì)機(jī)器人剛度影響的動(dòng)態(tài)銑削力模型，當(dāng)外載荷為周期性切削力時(shí)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)更為復(fù)雜。陳柏等[34]通過Newton-Euler 法建立關(guān)節(jié)型機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)模型，用非線性摩擦模型描述關(guān)節(jié)間摩擦特性，優(yōu)化辨識(shí)所用的激勵(lì)軌跡，采用人工蜂群算法辨識(shí)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并驗(yàn)證基于該模型的前饋控制器能夠提高軌跡跟蹤精度。

上述研究主要集中在固定機(jī)械臂的加工動(dòng)力學(xué)問題，而針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的加工動(dòng)力學(xué)研究還比較缺乏。Tunc 等[35]從剛度、位置相關(guān)動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)鏈引起的柔度耦合方面研究了移動(dòng)并聯(lián)銑削工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性，包括工作臺(tái)的剛度、奇異性以及與位置相關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但只給出了移動(dòng)工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，并沒有考慮加工動(dòng)力學(xué)模型。李浩等[36]基于多體系統(tǒng)離散時(shí)間傳遞矩陣法的機(jī)器人本體和機(jī)械臂的整體動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置邊界條件，定義機(jī)器人各部件基本結(jié)構(gòu)參數(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為后期控制系統(tǒng)的建立提供了重要的理論依據(jù)。由已有的研究可知，機(jī)器人移動(dòng)加工系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)主要解決合理建模以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)兩個(gè)關(guān)鍵問題，以便研究和揭示機(jī)器人加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性規(guī)律和振動(dòng)機(jī)理。

2 機(jī)器人加工振動(dòng)問題

以往的研究表明，模態(tài)耦合振動(dòng)誘發(fā)的顫振是機(jī)器人加工過程中動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的主要原因[37]。模態(tài)耦合顫振分析表明，如果機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度與切削剛度相當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生模態(tài)耦合顫振。由于關(guān)節(jié)臂工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度略高于切削剛度，模態(tài)耦合顫振是機(jī)器人加工過程中的一種主要?jiǎng)恿κХ€(wěn)模式，這導(dǎo)致工件表面質(zhì)量差甚至失效，如圖4所示[38]。為了提高機(jī)器人的加工精度以及穩(wěn)定性，就必須對(duì)加工過程中的振動(dòng)進(jìn)行有效抑制。Mohamed 等[39]采用輸入整形、低通、帶阻濾波前饋控制研究受限平面單連桿柔性臂振動(dòng)抑制作用，結(jié)果表明輸入整形技術(shù)能提供最大的減振性能，尤其是在對(duì)誤差的魯棒性方面。Jiang 等[40]在雙連桿柔性機(jī)械臂、CCD 攝像機(jī)和視頻跟蹤器組成的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了振動(dòng)抑制控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于視覺傳感器的撓度反饋振動(dòng)控制器的有效性。Chen 等[41]提出了一種用于機(jī)器人銑削過程中顫振抑制的新型渦流阻尼器設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，采用渦流阻尼器可以有效抑制由刀具模態(tài)引起的刀尖頻率響應(yīng)函數(shù)峰值，提高銑削穩(wěn)定深度。因此需要揭示切削機(jī)器人剛度變化與低頻自激振動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系，提出可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的剛度變化條件，研究智能結(jié)構(gòu)控制下機(jī)器人加工系統(tǒng)的剛度和動(dòng)力學(xué)特性變化，分析不同機(jī)器人位姿和工藝參數(shù)下的振動(dòng)抑制效果。

機(jī)器人移動(dòng)加工過程自適應(yīng)控制

工業(yè)機(jī)器人由于機(jī)械臂本身剛度不足，導(dǎo)致其具有低剛性特點(diǎn)，使其系統(tǒng)對(duì)周期性切削力所導(dǎo)致的加工振動(dòng)阻抗能力差。同時(shí)由于在接觸式加工過程（如切削加工）中，不同位置的力不同，因此除了要滿足末端執(zhí)行器的位置精度要求外，還需要對(duì)機(jī)器人與工件的接觸力進(jìn)行控制[42]，傳統(tǒng)的位置控制無法滿足要求，因此需要對(duì)其施加自適應(yīng)控制，即力/位混合控制，主要分為兩種：一種是被動(dòng)自適應(yīng)控制，即通過被動(dòng)結(jié)構(gòu)（如彈簧橡膠盤等）實(shí)現(xiàn)緩沖，使系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境具有一定的順從能力；另一種是主動(dòng)自適應(yīng)控制，是把力準(zhǔn)確地傳遞給控制系統(tǒng)，通過控制算法的調(diào)節(jié)作用，分別對(duì)位置和力進(jìn)行誤差補(bǔ)償，可實(shí)時(shí)響應(yīng)力的變化，跟蹤期望的作用力。

圖4 制孔機(jī)器人加工過程的顫振現(xiàn)象Fig.4 Chatter phenomenon in machining process of drilling robot

針對(duì)機(jī)器人力/位控制，國內(nèi)學(xué)者提出了很多的控制策略[43]：機(jī)器人阻抗控制和力/位置混合控制[44]。陶波等[3]為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)械臂對(duì)工件的恒力勻速磨拋加工，設(shè)計(jì)了T-S 模糊混合控制器，仿真結(jié)果表明，采用T-S 模糊控制器能夠很好地控制移動(dòng)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的恒力勻速打磨。黃婷等[45]介紹了一種被動(dòng)柔順裝置，并結(jié)合力/位混合控制策略，將柔順裝置的位置偏差反饋給機(jī)器人實(shí)現(xiàn)位移跟蹤和補(bǔ)償，并對(duì)航空葉片進(jìn)行拋磨，獲得了較好的表面工件質(zhì)量。王洪艷等[46]提出了一種自適應(yīng)邊界能量法，解決阻抗控制難以解決環(huán)境參數(shù)變化顯著的情況，通過在線估計(jì)控制參數(shù)提高系統(tǒng)整體性能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常建等[47]在對(duì)機(jī)械臂的力/位混合控制律建模的基礎(chǔ)上，利用位置控制和力控制對(duì)機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。針對(duì)受環(huán)境約束的機(jī)械臂的控制問題，提出冗余自由度機(jī)械臂的適從坐標(biāo)系建立方法，使得末端執(zhí)行器能夠在任意曲面完成作業(yè)任務(wù)。Duan 等[48]針對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的接觸力模型，提出了一種新的自適應(yīng)變阻抗力跟蹤控制方法，它能夠跟蹤動(dòng)態(tài)期望力，并能補(bǔ)償環(huán)境不確定性。

通過目前的研究來看，雖然兩種經(jīng)典控制方法的研究已經(jīng)為力控制打下了基礎(chǔ)，但適用范圍和控制效果還具有一定的局限性，機(jī)器人多自由度、時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)，以及外部環(huán)境的多變性和模糊性，決定了自適應(yīng)控制研究的必然性。因此需要從低剛性構(gòu)件對(duì)合裝配后的回彈量及誤差預(yù)測方法、切削加工工藝參數(shù)的在線預(yù)測與補(bǔ)償、移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)載荷反饋調(diào)控的力位混合自適應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定切削加工。

結(jié)論

綜上對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，機(jī)器人移動(dòng)加工系統(tǒng)在航空大部件裝配領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，為了保證其加工精度、質(zhì)量和穩(wěn)定性，必須要解決機(jī)器人加工過程中的大部件高精度定位和加工穩(wěn)定性控制等問題。目前對(duì)大部件作業(yè)環(huán)境下的高精度定位問題仍在研究階段，由于定位過程中傳感器自身的和環(huán)境不確定性的誤差等問題，需要設(shè)計(jì)更合理的多信息實(shí)時(shí)檢測控制技術(shù)和末端高精度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來補(bǔ)償定位誤差。機(jī)器人周期性動(dòng)態(tài)切削載荷作用下的動(dòng)力學(xué)分析問題可從合理建模和參數(shù)辨識(shí)兩方面入手，用有限元法、最小二乘法、諧波法等方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并考慮加工姿態(tài)和外部載荷的影響。目前，低頻模態(tài)耦合振動(dòng)的主動(dòng)抑制問題以及切削加工過程的自適應(yīng)控制問題還在起步階段，由于機(jī)器人為時(shí)變和強(qiáng)耦合的復(fù)雜體，系統(tǒng)本身的位姿隨時(shí)而變，以及外部環(huán)境極大的模糊性，從移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)載荷反饋調(diào)控的力位混合自適應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定加工就尤為重要。

目前基于機(jī)器人視覺針對(duì)機(jī)器人移動(dòng)加工在復(fù)雜加工裝配環(huán)境下的高精度定位問題的研究鮮見；就加工穩(wěn)定性方面，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的低頻切削應(yīng)力進(jìn)行自適應(yīng)控制，適用的控制技術(shù)還較多地處于理論研究和仿真階段，具體的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。結(jié)合機(jī)器人時(shí)變耦合的特點(diǎn)，機(jī)器人移動(dòng)加工力/位混合自適應(yīng)控制必將具有廣闊的應(yīng)用前景。