面向航空航天應用的工業(yè)機器人精度補償實踐教學建設研究

李鵬程 田 威 胡俊山 李 波 王長瑞

南京航空航天大學機電學院 江蘇南京 210016

1 概述

以航空航天為代表的高端制造業(yè)在世界各國均占據(jù)著至關重要的戰(zhàn)略性地位，是一個國家綜合國力的象征。航空航天制造業(yè)中其零部件產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復雜、精度要求高、材料征類繁多的工藝特點，且生產(chǎn)批量小、型號更新迭代快，研制轉(zhuǎn)生產(chǎn)的周期逐漸縮短，對制造的精度、質(zhì)量、加工效率及成本均提出了更高的要求[1]，而現(xiàn)有的以機床及人工制造為主的制造方式已逐漸無法滿足生產(chǎn)要求，因此制造技術與裝備向著柔性化及智能化方向發(fā)展是時代發(fā)展的必然選擇。相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸龐大、成本高昂的數(shù)控加工機床相比，工業(yè)機器人憑借其開敞性好、占地空間小、成本低等優(yōu)勢，且搭配不同的末端執(zhí)行器可完成如鉆鉚、銑削、打磨、鋪絲等高精度作業(yè)任務，能夠更好適應作業(yè)狀態(tài)調(diào)整、工藝流程變更的需求，形成設計與制造之間的快速響應[2]，且與人工制造相比，采用工業(yè)機器人將會使加工產(chǎn)品的一致性得到保障，節(jié)約人力資源，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的自動化。由此可見，機器人技術的發(fā)展將會帶動傳統(tǒng)制造技術向著先進現(xiàn)代制造技術的戰(zhàn)略升級，為制造業(yè)帶來新的活力。

目前，工業(yè)機器人在航空航天等高端制造業(yè)中應用范圍越來越廣泛，然而，我國工業(yè)機器人相關專業(yè)知識教學仍在沿用傳統(tǒng)的教學理念，無法將理論教學與項目實踐相結(jié)合，忽視了學生的主體地位，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在高校教學活動中，由于教學條件的限制，學生們接觸工業(yè)機器人實物的機會較少，大多數(shù)教學任務僅局限于機器人本體、機器人運動學等基本理論知識，無法體現(xiàn)工業(yè)機器人在實際航空航天等高精尖領域的應用與痛點。同時，工業(yè)機器人教材中的教學內(nèi)容存在一定滯后性，沒有與當今工業(yè)機器人領域的實際發(fā)展情況相結(jié)合。學生對工業(yè)機器人應用場景與局限性不夠明確，和傳統(tǒng)學科相比，工業(yè)機器人相關課程知識點較為零散，如不能在教學中有效突出教學重點和工業(yè)機器人特點，必然會對教學成效產(chǎn)生直接的影響[3]。因此，在新的教學模式中通過“飛機裝配技術”“航空智能裝備設計”“工業(yè)機器人技術與應用”等課程，開展工業(yè)機器人精度補償技術理論學習與基于工業(yè)機器人實驗平臺的項目實踐活動，提高學生對工業(yè)機器人相關理論知識的掌握能力和實際應用過程中解決問題的綜合能力。工業(yè)機器人精度補償技術與高校工業(yè)機器人教學有著極高的相關性，學生借助工業(yè)機器人實驗平臺等條件，將機器人基礎理論知識與精度補償相關技術相結(jié)合，通過理論知識學習加項目工程實踐的方式，使學生在實際操作過程中體會工業(yè)機器人的魅力，實現(xiàn)理性認知到感性感知的飛躍[4-5]。在工業(yè)機器人精度提升的過程中，有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與鉆研能力，有利于培養(yǎng)學生團隊協(xié)作、善于溝通的潛在能力。

因此，本文實踐教學建設主要目標為：針對基于高精度工業(yè)機器人裝備的航空航天復雜產(chǎn)品裝配作業(yè)需求，以工業(yè)機器人精度補償技術研究為載體，搭建機器人運動學精度補償技術[6]、機器人非運動學精度補償技術實驗平臺，以航空航天工業(yè)機器人裝備裝配為項目實踐，開展基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位應用[7]、基于增強現(xiàn)實技術的工業(yè)機器人快速精準示教應用[8]等工程項目，實現(xiàn)以航空航天裝備裝配和工業(yè)機器人為背景，以工業(yè)機器人精度補償技術為突破口，以實踐平臺為應用場景，實現(xiàn)理論知識—關鍵技術—項目實踐應用的教學新模式。項目理論基礎知識教學和實踐內(nèi)容教學主要依托“工業(yè)機器人技術與應用”“飛機裝配技術”以及“航空智能裝備設計”三門課程。實踐條件滿足30人以上教學實施，填補當前我國飛行器制造工程專業(yè)在工業(yè)機器人精度補償及應用實踐教學平臺方面的空白。

2 機器人運動學精度補償實驗教學

研究表明幾何誤差引起的位姿誤差占機器人總誤差的80%以上，通過機器人運動學精度補償技術消除幾何誤差是提升工業(yè)機器人精度的重要手段，也是工業(yè)機器人面向航空航天高精度應用需求的關鍵技術。幾何誤差描述了機器人本體結(jié)構(gòu)參數(shù)的準確性及機器人系統(tǒng)與外部系統(tǒng)關聯(lián)參數(shù)的準確性，幾何誤差的標定必須綜合考慮各連桿參數(shù)誤差、基坐標系參數(shù)誤差、工具坐標系參數(shù)誤差等各類誤差因素。因此，筆者基于機器人運動學精度補償理論的教學，并通過實驗準確辨識機器人幾何參數(shù)誤差，提高機器人定位精度，對建立了完整教學閉環(huán)具有重要的意義。以六關節(jié)工業(yè)機器人為實驗對象，針對機器人運動學標定問題，基于剛體微分運動模型和機器人MD-H模型，建立傳統(tǒng)的機器人運動學誤差模型。引入機器人柔度誤差因素，研究耦合柔度誤差的機器人擴展運動學標定方法，以提高機器人誤差模型的完整性。在MATLAB平臺編寫機器人運動學參數(shù)辨識算法，實現(xiàn)機器人參數(shù)誤差的精確標定。針對機器人參數(shù)誤差空間分布不均勻問題，利用空間網(wǎng)格化的誤差采樣算法對機器人位姿誤差數(shù)據(jù)進行采樣，數(shù)據(jù)采樣可通過激光跟蹤儀或者低成本雙目視覺等空間高精度測量設備采集。最后，對機器人誤差標定方法進行試驗驗證，證明其可行性與有效性，如圖1所示。

圖1 機器人運動學精度補償技術實驗

3 基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位實驗教學

基于視覺反饋的機器人控制技術在航空航天制造中具有重要的應用價值，例如自動鉆鉚技術是實現(xiàn)飛機部件高效率、高質(zhì)量裝配的重要手段，而自動送釘系統(tǒng)作為自動鉆鉚裝備的關鍵組成部分[9]，直接影響自動鉆鉚的效率和可靠性，通過基于機器人視覺的鉚釘類目標識別與定位技術對多型號散堆鉚釘?shù)淖R別與定位、鉚釘拾取可有效保障鉚釘輸送的效率及可靠性。因此，作者搭建了基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位實驗課程平臺，如圖2所示。在實驗教學中，首先讓學生明確基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位應用場景，包括試驗安全保障機制、試驗原理講解、試驗步驟設計、試驗算法開發(fā)以及試驗結(jié)果評價機制等，其中試驗算法具有可開發(fā)性。其次，構(gòu)建了視覺系統(tǒng)模型并進行了相機的內(nèi)參數(shù)標定和手眼標定，采用基于異類傳感器數(shù)據(jù)融合的鉚釘定位方法，為機器人拾取提供目標位姿信息，完成機器人運動點位規(guī)劃并最終實現(xiàn)機器人自動送釘過程的視覺控制；基于對散堆鉚釘圖像特征的分析，對鉚釘圖像進行降噪、二值化、霍夫變換等預處理，針對散堆鉚釘識別難的問題，設計了基于模板匹配的鉚釘識別算法和基于特征的鉚釘識別算法，驗證兩種算法對光照變化、鉚釘位姿變化、鉚釘相互遮擋等不良工況的魯棒性。最后，通過在工業(yè)機器人上進行識別及抓取試驗，對上述方法的有效性和可行性進行驗證。

圖2 基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位實驗

4 基于增強現(xiàn)實技術的工業(yè)機器人快速精準示教實驗教學

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)是指透過攝像機影像的位置及角度計算，并加上圖像分析技術，使得虛擬世界疊加在真實世界之上，允許用戶在真實世界中對虛擬世界進行交互的技術。將增強現(xiàn)實技術與工業(yè)機器人示教結(jié)合在一起，產(chǎn)生基于增強現(xiàn)實技術的示教方式?；谠鰪姮F(xiàn)實技術的示教方式可以大幅度減輕工人學習強度，依靠增強現(xiàn)實技術的強沉浸性與代入感，工人可以輕松地為工業(yè)機器人示教，適用于包括焊接、轉(zhuǎn)運、制孔作業(yè)等航空航天產(chǎn)品制造過程中的常見應用場景。

基于增強現(xiàn)實技術的工業(yè)機器人快速精準示教實驗教學的流程，如圖3所示。首先，構(gòu)建增強現(xiàn)實眼鏡與工業(yè)機器人之間靠TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議連接，在真實機器人本體上合適位置粘貼二維碼，使用增強現(xiàn)實眼鏡觀看真實機器人本體上的二維碼；利用眼鏡觀察到的二維碼位姿，傳入基于標志物的三維跟蹤注冊模塊，在增強現(xiàn)實眼鏡內(nèi)生成與真實機器人重合的虛擬機器人模型；增強現(xiàn)實眼鏡連續(xù)捕捉虛擬機器人模型的末端位姿，并實時將末端位姿數(shù)據(jù)輸入機器人正逆解模塊，求解機器人六個關節(jié)軸的轉(zhuǎn)角，并同步更新機器人虛擬模型；利用TCP/IP通信協(xié)議，將六個關節(jié)轉(zhuǎn)角發(fā)送給機器人控制器，機器人控制器連續(xù)運行關節(jié)運動指令，接受關節(jié)轉(zhuǎn)角后運動。該系統(tǒng)及方法不僅有助于提高機器人的示教速度，由于使用了基于標志物的三維注冊跟蹤模塊，提高了示教精度，對工業(yè)制造加工領域具有較強的借鑒意義。

圖3 基于增強現(xiàn)實技術的工業(yè)機器人快速精準示教實驗教學

結(jié)語

本文考慮航空制造特點和學科建設要求，面向航空制造領域人才需求，針對工業(yè)機器人精度補償技術廣泛應用的特點，建立科學技術研究與工程項目問題解決相結(jié)合的教學方式，基于“飛機裝配技術”“航空智能裝備設計”“工業(yè)機器人技術與應用”的理論課程教學內(nèi)容，建設了工業(yè)機器人精度補償技術實踐教學課程體系，包括機器人運動學精度補償技術實驗、基于視覺檢測的高精度機器人目標識別與定位實驗以及基于增強現(xiàn)實技術的工業(yè)機器人快速精準示教實驗，涉及機器人學理論基礎知識、機械電子、系統(tǒng)控制、機器學習、計算機視覺以及增強現(xiàn)實等相關熱門領域，通過多學科多領域交叉，豐富教學內(nèi)容、拓寬學生視野，有利于培養(yǎng)多層次、寬口徑知識的復合型人才。