雙機(jī)器人基準(zhǔn)特征識(shí)別與位置補(bǔ)償技術(shù)

摘 要：針對(duì)自動(dòng)化裝配中由于產(chǎn)品制造、裝夾和系統(tǒng)標(biāo)定等多元累計(jì)誤差造成的機(jī)器人加工位置不確定問題，提出基于線掃描儀雙級(jí)模板匹配的基準(zhǔn)特征識(shí)別和雙機(jī)器人定位補(bǔ)償算法。設(shè)計(jì)末端基準(zhǔn)檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)孔點(diǎn)云獲??；通過點(diǎn)云預(yù)處理、模板構(gòu)建和雙級(jí)模板匹配實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)孔特征識(shí)別，確定圓心坐標(biāo)；針對(duì)機(jī)翼中不同加工序列，利用直線式局部基準(zhǔn)和四點(diǎn)式全局基準(zhǔn)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人協(xié)同位置補(bǔ)償。針對(duì)系統(tǒng)基準(zhǔn)檢測(cè)精度和位置補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：系統(tǒng)基準(zhǔn)檢測(cè)精度達(dá)到0.048 mm，基準(zhǔn)補(bǔ)償后加工點(diǎn)位置精度提升了82.79%，滿足機(jī)翼裝配的精度指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：模板匹配；位置補(bǔ)償；雙機(jī)器人；協(xié)同裝配

中圖分類號(hào)：TP242" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0224-05

Dual Robot Datum Feature Detection and Position Compensation Technology

Abstract：To address the issue of uncertain robot processing position due to cumulative errors in manufacturing， clamping and calibration， a method based on template matching for datum feature recognition and dual-robot position compensation is proposed. A benchmark detection module is designed to obtain the reference hole point cloud. The coordinates of the circle's center are determined using point cloud preprocessing， template construction， and two-stage matching. The compensation method of linear local datum and four-point global datum is applied to enable collaborative position compensation of two robots in different wing machining sequences. Verification experiments are conducted to evaluate benchmark detection accuracy and position compensation effect. The results show a benchmark detection accuracy of 0.048 mm and an 82.79% improvement in position accuracy after compensation.

Keywords：template matching；position compensation；dual robots；collaborative assembly

0 引言

隨著新一代航空產(chǎn)品對(duì)機(jī)動(dòng)性、疲勞壽命要求的不斷提高，傳統(tǒng)裝配技術(shù)已經(jīng)不能滿足全部的生產(chǎn)需求［1-2］。飛機(jī)裝配正在向數(shù)字化先進(jìn)制造方向發(fā)展。機(jī)器人裝配生產(chǎn)線憑借其高柔性、高精度、成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)［3-4］。

對(duì)于主要裝配方式為鉚接和螺接的飛機(jī)部件而言，機(jī)器人加工位置精度會(huì)直接影響到裝配孔的孔間距、孔排距、連接件的定位［5］以及骨架與壁板連接載荷和產(chǎn)品的疲勞壽命［6］。由于產(chǎn)品制造的幾何誤差、工裝定位誤差以及設(shè)備標(biāo)定等多元誤差累積，造成機(jī)器人加工位置不確定的問題。即單純依靠理論點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)際點(diǎn)位與理論加工點(diǎn)位之間有較大的位置偏差，無法滿足系統(tǒng)裝配的位置精度要求［7］。

通過測(cè)量相關(guān)基準(zhǔn)孔的位置偏差，建立理論加工點(diǎn)和產(chǎn)品實(shí)際加工點(diǎn)的映射對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而推導(dǎo)出機(jī)器人待加工點(diǎn)實(shí)際位置。首先要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)基準(zhǔn)特征的檢測(cè)。線激光具備精確和穩(wěn)定的光學(xué)特點(diǎn)［8］。系統(tǒng)利用線掃描儀傳感器對(duì)基準(zhǔn)孔進(jìn)行識(shí)別與定位。而對(duì)于圓孔識(shí)別，當(dāng)今現(xiàn)有技術(shù)研究一般是通過最小二乘法擬合圓形特征［9］，生成圓心坐標(biāo)，但此類識(shí)別算法與圓心定位誤差隨采集的點(diǎn)云樣本的質(zhì)量聯(lián)系緊密［10］，并不適用于大干擾且噪點(diǎn)居多的壁板檢測(cè)環(huán)境。

針對(duì)上述問題，本文在機(jī)翼部件雙機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，提出基于模板匹配的基準(zhǔn)孔特征檢測(cè)方法和雙機(jī)器人協(xié)同位置補(bǔ)償技術(shù)，并運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)裝配工作中。

1 雙機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)

1.1 裝配系統(tǒng)組成

針對(duì)某機(jī)型翼面部件的裝配需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了一套雙機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)。該裝配系統(tǒng)以兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人為載體，集成了多功能末端執(zhí)行器、自動(dòng)取送釘子系統(tǒng)、電磁鉚接單元、產(chǎn)品工裝和重載地軌（擴(kuò)展第七軸）等設(shè)備。具體分布如圖1所示。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人換站、基準(zhǔn)檢測(cè)、法向找正、制孔、锪窩、送釘、插釘、電磁鉚接一體式裝配。機(jī)器人系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)［11］，雙側(cè)機(jī)器人可單獨(dú)進(jìn)行制孔任務(wù)，亦可根據(jù)裝配任務(wù)需求和機(jī)器人末端狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)器人主從關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)協(xié)同電磁鉚接任務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)翼部件雙側(cè)制孔和單側(cè)鉚接的裝配任務(wù)，對(duì)雙側(cè)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。末端結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙側(cè)末端執(zhí)行器上均集成基準(zhǔn)檢測(cè)、法向檢測(cè)、制孔、電磁鉚接模塊，可分別實(shí)現(xiàn)雙側(cè)機(jī)器人的加工點(diǎn)位置補(bǔ)償、姿態(tài)修正和自動(dòng)制孔；A機(jī)器人末端加裝插釘模塊配合自動(dòng)送釘子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉚釘選擇、運(yùn)輸和插釘工作；在進(jìn)行鉚接任務(wù)時(shí)，B機(jī)器人末端增加避位頂鐵，此時(shí)B機(jī)器人作為輔助機(jī)器人，配合A機(jī)器人完成協(xié)同鉚接。

1.2 基準(zhǔn)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與工作原理

為了獲取待加工產(chǎn)品上基準(zhǔn)孔位置信息，對(duì)機(jī)器人末端上的基準(zhǔn)檢測(cè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。以線掃描儀為主體，其裝載在伺服電機(jī)和精密絲杠構(gòu)成的移動(dòng)平臺(tái)上，配合長(zhǎng)度計(jì)對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行掃描采集?；鶞?zhǔn)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。線激光儀掃描過程中，采集z方向和x方向的二維位移信息，結(jié)合長(zhǎng)度計(jì)位置信號(hào)確定y方向位移信息。將x、y和z方向數(shù)據(jù)組合，得到一個(gè)M×3的點(diǎn)云矩陣，完成掃描空間點(diǎn)云采集。采集過程需保證線掃描儀與長(zhǎng)度計(jì)兩者的數(shù)據(jù)采集周期相同，且伺服電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)。此套模塊采用米銥scan CONTROL 2900-25系列線掃描儀和HEIDENHAIN ST3078型長(zhǎng)度計(jì)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的數(shù)據(jù)采集。

2 基準(zhǔn)識(shí)別與位置補(bǔ)償方法

2.1 基于模板匹配的孔位識(shí)別定位

完成基準(zhǔn)孔表面點(diǎn)云采集后，需要對(duì)基準(zhǔn)孔進(jìn)行識(shí)別，并獲取基準(zhǔn)孔圓心坐標(biāo)。本文采用模板匹配的方法實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)孔的識(shí)別和定位。基準(zhǔn)孔識(shí)別流程分為：點(diǎn)云預(yù)處理、構(gòu)建基準(zhǔn)孔模板、粗模板匹配與濾波處理、精模板匹配，最終計(jì)算出基準(zhǔn)孔圓心坐標(biāo)。此流程能減少點(diǎn)云處理的數(shù)據(jù)量，可有效提高孔位識(shí)別效率和圓心定位精度。

1）點(diǎn)云的預(yù)處理

點(diǎn)云預(yù)處理主要包括無效點(diǎn)和離散點(diǎn)的剔除。首先剔除因超出線掃描儀z方向量程所產(chǎn)生的無效點(diǎn)云。超出掃描量程的z坐標(biāo)默認(rèn)為0，點(diǎn)云中序號(hào)為n的坐標(biāo)為（xn，yn，zn），即有：

式中M為點(diǎn)的總量。

對(duì)點(diǎn)云中空間的離散點(diǎn)進(jìn)行處理。為了后續(xù)模板匹配的構(gòu)建，結(jié)合點(diǎn)云圖像的空間特征，對(duì)點(diǎn)云沿z方向進(jìn)行二值化處理［12］。將空間點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為平面點(diǎn)云。數(shù)學(xué)原理如下：

基準(zhǔn)孔點(diǎn)云預(yù)處理后效果如圖4所示。

2）基準(zhǔn)孔模板的構(gòu)建

為方便后續(xù)的逐行匹配，采用內(nèi)圓外方的平面點(diǎn)云模板。下面對(duì)模板進(jìn)行構(gòu)建。首先分析點(diǎn)云的分辨率，將預(yù)處理后的點(diǎn)云矩陣，對(duì)各軸數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，組合成3個(gè)mrow×mcol的矩陣，分別記為Xc、Yc和Zc。對(duì)二值化后點(diǎn)云的x和y方向上的間距進(jìn)行計(jì)算

式中：M=mrow×mcol；Xc（1，1）、Xc（mrow，1）分別為Xc矩陣1行1列和mrow行1列的值；Yc（1，1）和Yc（1，mcol）分別為Yc矩陣1行1列和1行mcol列的值。

依據(jù)實(shí)際試用情況規(guī)定模板尺寸，確定粗模板和精模板的尺寸分別為：

式中：D為基準(zhǔn)孔實(shí)際直徑；Hrow1和Hcol1為粗模板的行列數(shù)；Hrow2和Hcol2分別為精模板的行列數(shù)。直徑3mm基準(zhǔn)孔模板如圖5所示。

3）模板匹配

所構(gòu)造出來的模板同樣使用3個(gè)mrow×mcol的矩陣來表示，分別記為Xc_m、Yc_m和Zc_m。模板匹配可看做基準(zhǔn)孔模板Zc_m在平面點(diǎn)云矩陣Zc中逐行平移的過程，矩陣元素只有0和1，即灰度值的模板匹配。則模板為Zc_m（m，n），被模板覆蓋的子圖為Zi，jc（m，n），其中i和j用來表示子圖中心在矩陣Zc中的位置，即基準(zhǔn)孔圓心位置。定義匹配的相似度為s（i，j），采用絕對(duì)誤差和的算法進(jìn)行評(píng)估

采用此方法進(jìn)行粗匹配，將粗模板矩陣帶入式（5），SSAD（i，j）取極小值時(shí)，得出Zc上的目標(biāo)中心位置（i1，j1）。針對(duì)中心位周圍的點(diǎn)云范圍進(jìn)行中值濾波處理，去除離散點(diǎn)。具體范圍如下：

式中：rb和re分別表示濾波處理的起始行和終止行；cb和ce分別表示濾波處理的起始列和終止列。

濾波后的目標(biāo)點(diǎn)云z軸矩陣由Zc變?yōu)閆2，c。隨后進(jìn)行精匹配，匹配評(píng)估算法與粗匹配相同。得出Z2，c目標(biāo)中心位（i2，j2），利用子圖上點(diǎn)云的平均值計(jì)算出孔圓心的坐標(biāo)，（xC，yC，zC）。識(shí)別效果以及識(shí)別出的基準(zhǔn)孔圓心位置如圖6所示。

2.2 機(jī)器人基準(zhǔn)位置補(bǔ)償原理

機(jī)翼部件類主要由梁、肋和壁板構(gòu)成［13］。主要裝配點(diǎn)位呈直線分布，少量為異形件結(jié)構(gòu)。對(duì)上述兩種孔位分布，分別開發(fā)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)補(bǔ)償形式。

1）直線式局部基準(zhǔn)補(bǔ)償

對(duì)于直線分布的裝配序列，兩端預(yù)設(shè)兩個(gè)局部基準(zhǔn)孔，通過線性插值的原理對(duì)待加工孔的位置進(jìn)行補(bǔ)償。兩端基準(zhǔn)孔理論坐標(biāo)值為O1（x1，y1，z1）和O2（x2，y2，z2），加工點(diǎn)位的理論坐標(biāo)為Mn（xn，yn，zn），該點(diǎn)位的幾何分布系數(shù)

基準(zhǔn)孔實(shí)測(cè)坐標(biāo)值分別為（x′1，y′1，z′1）和（x′2，y′2，z′2）。該點(diǎn)補(bǔ)償后的坐標(biāo)M′n（x′n，y′n，z′n）為

2）四點(diǎn)式全局基準(zhǔn)補(bǔ)償

對(duì)于非線性異形分布的裝配孔位，采用全局基準(zhǔn)補(bǔ)償形式，將基準(zhǔn)孔實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，建立產(chǎn)品實(shí)際與理論坐標(biāo)系間的位姿變換。具體補(bǔ)償方法如下。

O′i=S′SR·Oi+S′t （i=1， 2， 3， 4）（9）

式中：Oi和O′i分別為第i個(gè)基準(zhǔn)孔的理論坐標(biāo)值和實(shí)測(cè)坐標(biāo)值；S′SR和S′t分別為產(chǎn)品理論坐標(biāo)系相對(duì)于基準(zhǔn)補(bǔ)償后產(chǎn)品坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。由4組基準(zhǔn)孔的理論和實(shí)測(cè)值即可解出S′SR和S′t。即對(duì)理論加工點(diǎn)Mk（xk，yk，zk）進(jìn)行基準(zhǔn)補(bǔ)償后的坐標(biāo)M′k（x′k，y′k，z′k）為

2.3 雙機(jī)器人位置協(xié)同補(bǔ)償

進(jìn)行雙機(jī)器人協(xié)同鉚接過程中，B機(jī)器人末端加裝頂鐵，無法進(jìn)行獨(dú)立位置補(bǔ)償。此時(shí)需要借助于A機(jī)器人進(jìn)行雙機(jī)器人協(xié)同定位。

首先A機(jī)器人進(jìn)行基準(zhǔn)孔檢測(cè)，識(shí)別出線掃描儀坐標(biāo)系{Sensor}下的基準(zhǔn)孔和圓心坐標(biāo)S1Oi。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置是以基坐標(biāo){Base}為基準(zhǔn)。需將基準(zhǔn)孔位信息轉(zhuǎn)化到A機(jī)器人基坐標(biāo)系下。

B1Oi=B1S1T·S1Oi=B1F1TF1S1T·S1Oi（11）

式中： B1S1T為A機(jī)器人坐標(biāo)系{Sensor}相對(duì)于{Base}的齊次變換矩陣；F1S1T表示A機(jī)器人坐標(biāo)系{Sensor}相對(duì)于法蘭坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，對(duì)線掃描儀進(jìn)行手眼標(biāo)定可得。

利用補(bǔ)償算法在線完成A機(jī)器人加工孔位置補(bǔ)償，確定補(bǔ)償后點(diǎn)位M。利用雙機(jī)器人基坐標(biāo)系間的位姿關(guān)系，將加工點(diǎn)位置信息傳遞給B機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人位置補(bǔ)償。轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

B2M′T=B2B1TB1M′T（12）

式中：B1M′T為補(bǔ)償后加工孔在A機(jī)器人基坐標(biāo)系下的位姿關(guān)系；B2B1T表示A機(jī)器人相對(duì)于B機(jī)器人基坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣，由協(xié)同基坐標(biāo)標(biāo)定可得。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 基準(zhǔn)識(shí)別精度試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。設(shè)計(jì)系統(tǒng)基準(zhǔn)識(shí)別精度驗(yàn)證試驗(yàn)，在試驗(yàn)板上間隔12mm制孔徑為3mm的待檢測(cè)圓孔，共計(jì)8個(gè)，表面噴涂DPT-5顯像劑。系統(tǒng)對(duì)各基準(zhǔn)孔進(jìn)行掃描，識(shí)別圓心坐標(biāo)并計(jì)算相鄰孔邊距計(jì)為L(zhǎng)1。采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)孔間距進(jìn)行測(cè)量計(jì)為L(zhǎng)2。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果表明基準(zhǔn)檢測(cè)精度為0.048mm。

3.2 位置補(bǔ)償驗(yàn)證試驗(yàn)

進(jìn)行機(jī)翼油箱段試驗(yàn)件產(chǎn)品制孔試驗(yàn)。試驗(yàn)前根據(jù)加工點(diǎn)位分布，人工制基準(zhǔn)孔。機(jī)器人根據(jù)基準(zhǔn)對(duì)加工位置進(jìn)行位置補(bǔ)償后制孔。梁加工序列采用直線式補(bǔ)償方法；異形肋加工序列采用全局式補(bǔ)償方法。通過測(cè)量骨架上孔邊距，計(jì)算定位誤差，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，直線式位置補(bǔ)償后，機(jī)器人位置偏差小于0.16mm；全局式位置補(bǔ)償后，機(jī)器人位置偏差小于0.37mm，機(jī)器人加工點(diǎn)位置精度分別提升82.79%和60.22%，滿足裝配精度指標(biāo)。

3.3 雙機(jī)器人協(xié)同裝配試驗(yàn)

雙機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)針對(duì)機(jī)翼油箱段下翼面進(jìn)行裝配試驗(yàn)。雙機(jī)器人完成協(xié)同位置補(bǔ)償后，進(jìn)行加工點(diǎn)位的鉆孔和電磁鉚接任務(wù)。采用直徑5.05mm的三尖刀和Q/5A996-5型全冠頭鉚釘完成裝配。其中部分加工序列的裝配效果如圖9所示。裝配點(diǎn)位均勻，裝配后的鉚釘裝配質(zhì)量滿足航空行業(yè)鉚接標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 223.3—2003。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于模板匹配的孔位識(shí)別定位算法，能精確獲取基準(zhǔn)孔圓心坐標(biāo)，為機(jī)器人基準(zhǔn)補(bǔ)償精度提供保障。針對(duì)機(jī)翼部件不同的孔位分布情況，設(shè)計(jì)機(jī)器人定位基準(zhǔn)補(bǔ)償方法。提出了適用于線性孔位分布的直線式局部基準(zhǔn)補(bǔ)償方法以及適用于非線性異形肋孔位分布的四點(diǎn)式全局基準(zhǔn)補(bǔ)償方法。經(jīng)基準(zhǔn)識(shí)別和機(jī)器人基準(zhǔn)補(bǔ)償試驗(yàn)表明，系統(tǒng)基準(zhǔn)檢測(cè)精度為0.048mm；局部基準(zhǔn)補(bǔ)償和全局基準(zhǔn)補(bǔ)償機(jī)器人加工點(diǎn)位置精度分別為0.16mm和0.37mm，精度均滿足系統(tǒng)裝配要求。最后進(jìn)行機(jī)翼油箱段試驗(yàn)件雙機(jī)器人協(xié)同裝配工作。驗(yàn)證了基準(zhǔn)孔特征識(shí)別和雙機(jī)器人協(xié)同位置補(bǔ)償技術(shù)的可行性和有效性。

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