基于高鐵裝配的機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

王熙杰

摘 要 工業(yè)機(jī)器人因具有柔性化、自動化水平高、定位精度高、承載質(zhì)量大等優(yōu)點(diǎn)，成為我國未來智能制造轉(zhuǎn)型升級的重點(diǎn)研究方向，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于以汽車制造為代表的自動化生產(chǎn)現(xiàn)場，大大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、效率和可靠性。然而高鐵部件產(chǎn)品具有小批量、多樣化、工位不固定等生產(chǎn)特點(diǎn)，如何在高鐵生產(chǎn)裝配過程中充分發(fā)揮機(jī)器人技術(shù)優(yōu)勢是重點(diǎn)突破方向。研究中心突破了機(jī)器人柔性控制、機(jī)器人高精度自動化姿態(tài)測量等關(guān)鍵技術(shù)，形成了面向高鐵裝配測試的機(jī)器人系列產(chǎn)品并在各型號平臺應(yīng)用，有效解決了高鐵生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)中面臨的大質(zhì)量設(shè)備安裝柔性差精度低、裝配測試自動化水平及效率低等難題。

關(guān)鍵詞 高鐵裝配 精度測量 機(jī)器人 裝配系統(tǒng)

中圖分類號：TP242;U238 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）10-0001-06

1 前言

高鐵裝配與檢測是將分系統(tǒng)組合裝配成完整高鐵并進(jìn)行性能檢測的過程，是高鐵產(chǎn)品功能和性能實(shí)現(xiàn)的最終階段和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，裝配與檢測的質(zhì)量直接影響高鐵最終研制質(zhì)量和服役性能。高鐵產(chǎn)品通常不是批量生產(chǎn)，總體裝配是典型的離散制造過程，當(dāng)前大多以手工裝配和檢測為主，人工操作的方式柔性程度高，比較適合于高鐵小量研制的特點(diǎn)。

近年來，隨著國家對新型高鐵研制模式逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）產(chǎn)品數(shù)量越來越多，研究任務(wù)不斷加重，研制周期緊張;（2）研制技術(shù)指標(biāo)提升對裝配檢測水平要求不斷提高;（3）高鐵本體構(gòu)型多樣化使得總裝工況復(fù)雜化。傳統(tǒng)裝配及檢測手段存在著裝配和檢測自動化程度不高、缺乏量化標(biāo)準(zhǔn)等問題，已嚴(yán)重影響了高鐵研制質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，通常應(yīng)用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)流水線，具有柔性化、自動化水平高、定位精度高、承載質(zhì)量大等特點(diǎn)，己廣泛應(yīng)用于以汽車制造為代表的自動化生產(chǎn)現(xiàn)場。然而高鐵部件產(chǎn)品通常不成批量，生產(chǎn)裝配檢測工況也不固定，難以做到全自動化生產(chǎn)，如何在該生產(chǎn)條件下充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人優(yōu)勢，解決大質(zhì)量設(shè)備安裝難度大、檢測自動化水平及效率低等難題，提高裝配過程的安全可靠性及效率，是高鐵裝配檢測過程中進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)突破的研究方向。

2 機(jī)器人裝配系統(tǒng)

機(jī)器人通常應(yīng)用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)流水線，面對固定的工況，不斷重復(fù)預(yù)先示教好的動作，生產(chǎn)效率高。對于高鐵的裝配作業(yè)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量部件的穩(wěn)定保持與精確調(diào)整，但由于裝配工作不具有重復(fù)性，傳統(tǒng)意義上的示教重復(fù)型機(jī)器人不再適用。

人與機(jī)器人協(xié)作的作業(yè)方式可以將機(jī)器人載重量大、運(yùn)行穩(wěn)定精度高的特點(diǎn)，與人觀察、操作的靈活性相結(jié)合，適用于高鐵復(fù)雜多變的裝配工況。但已有協(xié)作型機(jī)器人主要面向電子行業(yè)的零部件組裝，另外需考慮人機(jī)協(xié)作的安全性，承載能力均較小。對市場現(xiàn)有協(xié)作機(jī)器人承載能力的統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1可見，在高鐵總裝階段，數(shù)十至數(shù)百公斤部件的安裝工作對機(jī)器人有較大的需求，已有的協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品無法滿足需求，因此研制了“重載”協(xié)作機(jī)器人裝配系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成

機(jī)器人裝配系統(tǒng)組成見圖1，機(jī)器人采用市場現(xiàn)有成熟的工業(yè)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)空間六自由度的位姿調(diào)整。末端執(zhí)行器通過六維力傳感器安裝在機(jī)器人末端，用于工件的抓取。六維力傳感器用于感知作用在機(jī)器人末端的力/力矩信息，反饋給機(jī)器人柔順控制器。機(jī)器人本體及其控制器安裝在移動平臺上，可隨移動平臺移動。機(jī)器人柔順控制器用于實(shí)時(shí)采集機(jī)器人及六維力傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲得的信息，實(shí)時(shí)向機(jī)器人發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人及協(xié)作及柔順裝配控制。

2.2 受力感知

圖1中六維力傳感器安裝在機(jī)器人末端與負(fù)載之間，機(jī)器人腕部六維力傳感器測得的力與力矩?cái)?shù)據(jù)由三部分造成，即：（1）傳感器自身系統(tǒng)誤差;（2）負(fù)載重力作用;（3）負(fù)載所受外部接觸力[1]。若要得到負(fù)載所受外部接觸力，需要消除傳感器系統(tǒng)誤差、負(fù)載重力作用兩方面的影響。

將六維力傳感器直接測得的三個(gè)力分量記為Fx、Fy、Fz，三個(gè)力矩分量記為Mx、My、Mz，分量測量的系統(tǒng)誤差記為Fx0、Fy0、Fz、Mx0、My0、Mz0，負(fù)載重力在各分量的影響分別記為Gx、Gy、Gz、Mgx、Mgv、Mgz，可以得到：

外部力在傳感器3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量為：

外部力矩在傳感器3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量為：

故得到了負(fù)載所受的外部作用力信息，可據(jù)此實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的力反饋控制。

2.3 柔順控制

使用機(jī)器人抓持被安裝對象，并將其準(zhǔn)確運(yùn)送至裝配位置，可實(shí)現(xiàn)大型部件的穩(wěn)定、可靠裝配。由于高鐵裝配工況不具有重復(fù)性，無法通過常規(guī)的示教再現(xiàn)方式保證安裝精度，需要機(jī)器人具有順應(yīng)外界邊界條件的柔性，通過裝配邊界約束結(jié)合力反饋控制將部件安裝到位[2]。

因此針對高鐵大部件裝配需求，給出一套基于力/位控制的機(jī)器人柔順裝配方法。針對自由空間力控制、銷釘導(dǎo)向等典型應(yīng)用需求給出了力/位控制策略。其中，自由空間力控制是對機(jī)器人空間6個(gè)自由度的運(yùn)動均采用力控制。在這種控制方式下，被操作工件完全按照空間受力情況進(jìn)行位姿調(diào)整，按照空間3個(gè)方向的力信息進(jìn)行位置調(diào)整，按照空間3個(gè)方向的力矩信息進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

自由空間力控制可用于大型部件的“人機(jī)協(xié)作”操作，如圖2所示。在這種情況下，機(jī)器人承擔(dān)了工件的重力，操作者只需施加較小的力即可對大重量工件進(jìn)行空間位姿的調(diào)整操作，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)協(xié)作”。

自由空間力控制的另一個(gè)典型應(yīng)用工況為緊固件柔性安裝，如圖3所示。當(dāng)工件基本達(dá)到安裝位置后，此時(shí)安裝面沒有完全貼合，工件安裝孔也沒有與主體結(jié)構(gòu)螺紋孔完全對準(zhǔn)，若不采用力反饋控制而直接安裝緊固件，在緊固件旋入擰緊過程中，會對工件及結(jié)構(gòu)板產(chǎn)生額外牽拉力，存在損壞工件及結(jié)構(gòu)板的隱患。此時(shí)可采用力反饋控制，工件隨緊固件的選入擰緊可自適應(yīng)調(diào)整到位。

此外，還針對銷釘導(dǎo)向、分離界面力卸載等環(huán)節(jié)的力反饋控制研究了相應(yīng)的控制策略[3]。

3 機(jī)器人自動化測量系統(tǒng)

高鐵通常需要安裝大量傳感器、天線為代表的設(shè)備，這些設(shè)備在高鐵上都有安裝精度要求。裝配過程中，需要對安裝在高鐵上各種設(shè)備進(jìn)行精確測量并通過裝調(diào)及復(fù)測以滿足功能設(shè)計(jì)要求。

在高鐵時(shí)間緊、任務(wù)重的研制條件下，亟待研究提高檢測過程自動化水平的新方法，以縮短測量周期及減少人員占用率，有效滿足高鐵研制需求。

機(jī)器人具有靈活度高、自由度高、成本低的特點(diǎn)，機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)自動化測量方面有巨大優(yōu)勢。為了在保證高測角精度基礎(chǔ)上，提高測量系統(tǒng)的自動化水平、靈活程度及柔性化水平，研制一套基于機(jī)器人與經(jīng)緯儀相結(jié)合的高鐵設(shè)備自動化測量系統(tǒng)，提高了現(xiàn)場測量效率并減小人員占用率，有效滿足了高鐵研制需求。

3.1 系統(tǒng)組成

機(jī)器人自動化測量系統(tǒng)及坐標(biāo)系分布如圖4所示，該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶經(jīng)緯儀對高鐵AIT過程中批量設(shè)備裝配精度的自動測量，機(jī)器人可以借助AGV車實(shí)現(xiàn)對原位高鐵所有設(shè)備的全向檢測[4]。為了實(shí)現(xiàn)高精度測量，該系統(tǒng)利用激光跟蹤儀作為全局引導(dǎo)及精度控制裝置，首先需要對跟蹤儀坐標(biāo)系與機(jī)器人、高鐵坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定統(tǒng)一;其次通過標(biāo)定建立機(jī)器人末端經(jīng)緯儀自身坐標(biāo)系與機(jī)器人工具坐標(biāo)系、激光跟蹤靶標(biāo)的相對方位關(guān)系;根據(jù)被測設(shè)備在自身坐標(biāo)系下的先驗(yàn)信息，借助激光跟蹤儀的實(shí)時(shí)跟蹤、定位及引導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀對被測設(shè)備的自動化精確準(zhǔn)直;最后將經(jīng)緯儀在各位置的準(zhǔn)直信息統(tǒng)一到跟蹤儀坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)高鐵設(shè)備姿態(tài)信息的自動化測量。

3.2 基于多目標(biāo)跟蹤的精密引導(dǎo)及全局精度控制

由于機(jī)器人絕對定位精度不高，單純利用機(jī)器人提供的關(guān)節(jié)信息進(jìn)行全局統(tǒng)一的精度無法滿足測量精度要求。在數(shù)據(jù)傳遞過程中如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直結(jié)果的高精度全局控制及統(tǒng)一是決定該系統(tǒng)最終檢測精度的關(guān)鍵技術(shù)。

為此，研究并設(shè)計(jì)一種全局激光跟蹤靶并固定在機(jī)器人末端，如圖5所示。機(jī)器人末端工具移動過程中，激光跟蹤儀可以實(shí)時(shí)跟蹤并高精度確定機(jī)器人末端跟蹤靶的位姿，再結(jié)合標(biāo)定環(huán)節(jié)精確建立的其與機(jī)器人末端經(jīng)緯儀的相對位姿關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀對機(jī)器人末端經(jīng)緯儀的全局精密定位及引導(dǎo)，并可將經(jīng)緯儀在不同站位的準(zhǔn)直結(jié)果進(jìn)行全局精密統(tǒng)一，有效提高系統(tǒng)的高精度自主絕對定位及全局精度控制能力。

3.3 基于模型驅(qū)動的高鐵設(shè)備自動測量

在完成系統(tǒng)標(biāo)定后，通過現(xiàn)場測量可建立被測高鐵部件與機(jī)器人坐標(biāo)系之間方位關(guān)系，再結(jié)合高鐵被測目標(biāo)的三維模型或先驗(yàn)測量數(shù)據(jù)信息，可驅(qū)動機(jī)器人攜帶經(jīng)緯儀到達(dá)目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的粗準(zhǔn)直，再通過視覺引導(dǎo)準(zhǔn)直技術(shù)實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)的精確準(zhǔn)直，如圖6所示。通過對每個(gè)被測目標(biāo)準(zhǔn)直結(jié)果的坐標(biāo)系統(tǒng)一，可實(shí)現(xiàn)不同被測目標(biāo)坐標(biāo)系間的相對姿態(tài)確定，從而實(shí)現(xiàn)最終測量。

該技術(shù)包含兩個(gè)核心環(huán)節(jié)，一個(gè)是利用己知的被測目標(biāo)在高鐵坐標(biāo)系下的先驗(yàn)位置信息，結(jié)合系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果，推算出經(jīng)緯儀要移動到的目標(biāo)位置及對應(yīng)的水平俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的準(zhǔn)直;第二環(huán)節(jié)是經(jīng)緯儀完成對被測目標(biāo)的精確準(zhǔn)直后，需要結(jié)合各系統(tǒng)間的標(biāo)定結(jié)果將經(jīng)緯儀在每個(gè)位置自身坐標(biāo)系下的結(jié)果統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下，而且盡可能減少坐標(biāo)系傳遞誤差，以保證最終高精度測量結(jié)果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

相關(guān)技術(shù)先后應(yīng)用于我國CRH5、CRH2-380、CRH38 0C（L）、CRH380D（L）、CR400AF等高鐵型號中，完成了大重量部件裝配，為新一代時(shí)速600km/h重要項(xiàng)目建設(shè)提供了重要支持，并由于技術(shù)改進(jìn)，節(jié)約大量高鐵研制經(jīng)費(fèi)，在支持國家戰(zhàn)略建設(shè)的同時(shí)，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器人自動測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高姿態(tài)測量精度，測量效率得到提高，同時(shí)測量人員進(jìn)一步減少。

5 結(jié)論與展望

本研究通過自主攻關(guān)突破了機(jī)器人柔性控制、機(jī)器人高精度自動化姿態(tài)測量等關(guān)鍵技術(shù)，形成了面向高鐵裝配測試的機(jī)器人系列產(chǎn)品并在各型號平臺應(yīng)用，有效解決了高鐵生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)中面臨的大質(zhì)量設(shè)備安裝柔性差精度低、裝配測試自動化水平及效率低等難題。

未來將面向新一代高鐵研制量增加的需求，重點(diǎn)突破機(jī)器人人機(jī)共融協(xié)作、仿人雙臂機(jī)器人、自動化測量測試器人等關(guān)鍵技術(shù)，建立起高度自動化、智能化的高鐵總裝測試生產(chǎn)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張立建，胡瑞欽，易旺民.基于六維力傳感器的工業(yè)機(jī)器人末端負(fù)載受力感知研究[J].自動化學(xué)報(bào)，2017，43（03）：439-447.

[2] 喻洋，王耀兵，魏世民，馬如奇，唐玲.基于柔順控制的機(jī)器人裝配技術(shù)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，43（04）：1-6.

[3] 湯海洋，紀(jì)柱，李論.基于力反饋牽引力導(dǎo)引的機(jī)器人輔助裝配技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動化，2021，43（03）：9-13.

[4] 黃心漢.微裝配機(jī)器人：關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展與應(yīng)用[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2020，15（03）：413-424.