自主移動鉆鉚機器人的基準檢測與修正方法

張 旋，田 威，袁 磊，李 羊

（1.南京航空航天大學，機電學院，江蘇 南京，210016；2.江西洪都航空工業集團有限責任公司，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，國內外著名的飛機裝配設備制造廠家生產了許多大型的面向飛機裝配的自動化設備。針對飛機大部件機身筒段對接裝配，需要滿足環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前先進研究方向。輕型自主移動鉆鉚機器人屬于并聯機構形式，具有高剛度，高柔性、高承載力和運動學反解較容易實現的優點［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點［4］。國內外對這種輕型鉆鉚方式已經有較多的研究，對其行走方式、制孔時的法向姿態調整［5］等研究較多，但基準檢測研究相對較少。機器人初始由人為放置，其位置存在不確定性，需建立產品與機器人的關系，另一方面，由于坐標系建立的誤差、基準孔的加工誤差與安裝、制造等誤差的存在，導致基準孔的實際與理論位置存在偏差，因此需要對機器人進行基準檢測。對于基準孔的非接觸檢測方法，主要有基于CCD的視覺檢測系統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據，需要通過多次掃描，實現基準孔邊緣的三維信息的測量；利用相機識別基準孔邊緣的二維圖像信息，可直接在圖像平面進行孔參數估計［6－7］，簡化測量操作工作，且相機視野較為開闊，使同一視野下基準孔數量較多，減少相機移動，提高效率，故采用相機視覺系統進行基準檢測。

1 自主移動鉆鉚機器人

1.1 機器人結構及工作原理

研究的自主移動鉆鉚機器人結構如圖1所示。機器人由自主移動平臺和末端執行器組成；自主移動平臺由框架本體與腿部構成，框架分為內外結構，兩側外部為外框架，內部整體為內框架，內外框架由直線導軌連接，可實現相對運動。末端執行器包括制孔模塊、壓力腳模塊、排屑模塊和鉚接模塊等，完成制孔鉚接工作。一側框架上安裝有換刀裝置，由2個旋轉氣缸驅動實現2把刀的轉換工作。

圖1 自主移動鉆鉚機器人

腿部結構共有8支，分為內（Z5～Z8）、外（Z1～Z4）2組，每條腿均由伺服電機驅動滾珠絲杠完成伸縮。機器人由內外2組交替吸附運動實現機器人的自主移動：初始全吸附狀態，先抬起外四足，由兩側電機驅動到達既定位置，放下外四足并吸附；抬起內四足，由兩側電機驅動到達相應位置，放下并穩定吸附，完成一次行走。末端執行器安裝在移動框架的內部滑臺上，一側框架上安裝有X向電機，可驅動內部滑臺帶動末端執行器X向移動；同時，內部滑臺上安裝有Y向電機，可實現末端執行器Y向移動。機器人進行制孔時，由8條腿同步向下進給，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，等待進入工作狀態。根據理論數模信息，控制機器人視覺系統向基準孔移動，識別基準孔，修正待加工孔的理論位置。通過基準檢測與修正方法，進行坐標系修正。依據修正結果定位末端執行器至待加工孔位。啟動激光位移傳感器進行法向檢測，并機器人進行姿態調整。機器人進行制孔與锪窩。移動末端執行器至下一孔位，判斷是否完成該站位工作，若完成，則進行下一站位。若未完成，則繼續進行下一孔位的制孔工作。基準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 基準檢測模塊設計

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

圖3 基準檢測模塊

2 坐標系標定

在機器人自動鉆鉚系統中，存在著多個坐標系，如產品坐標系，機器人坐標系等，自動鉆鉚系統正是以這些坐標系作為裝配的基準。因此，坐標系的精度直接影響到裝配系統的精度［8］。自主移動鉆鉚機器人同樣需要建立坐標系及其相互之間的關聯，實現數據的統一，其基坐標系是產品坐標系，需要將所有數據統一轉換至產品坐標系下，同時建立機器人坐標系，相機坐標系，實現各坐標系的標定與相互轉換是基準檢測修正方法的關鍵。

2.1 產品坐標系建立

系統中，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，使得機器人坐標系相對世界坐標系不斷發生變化，因此不能使用機器人坐標系進行數據統一。提出以產品坐標系為全局坐標系，也是固定的坐標系，是整個坐標系系統的基準。機器人坐標系、激光跟蹤儀坐標系、相機坐標系等都可以通過產品坐標系來描述相互之間的位姿關系，所有數據最終將轉換至產品坐標系下完成數據統一。利用激光跟蹤儀建立產品坐標系，預先在產品上制4～7個特征孔，分散布置于產品表面。選取固定參考點，其位置的選取應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造一個平面，該平面的法向作為產品坐標系的Z向。確定原點，在參考點中選取一點投影至前面構造的平面，作為坐標系的原點。確定X軸，在參考點中選取一點投影至前面構造的平面，投影點與原點的連線為X軸。右手法則確定Y軸，建立坐標系。

2.2 機器人坐標系建立

為建立起機器人與產品的關系，機器人與相機的關系，需要建立機器人坐標系。采用激光跟蹤儀建立機器人坐標系，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造的平面，作為機器人坐標系的原點。確定X軸，在參考點中選取一點投影至前面構造的平面，投影點與原點的連線為X軸。右手法則建立坐標系。

圖4 建立機器人坐標系

2.3 相機坐標系標定

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

相機標定板模型圖如圖5所示。圓圈區域為待測量9點，標定時，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，對應機器人下的孔位信息與像素坐標系下的孔位信息。建立相機坐標系。此時建立的坐標系與機器人坐標系重合。

圖5 相機標定

3 基準檢測與修正方法

基準檢測即識別基準孔位置，誤差修正則實現坐標系的修正。不同類型的基準形式如圖6所示。針對不同的基準形式，提出具體的誤差修正方法。

圖6 基準形式

3.1 四點基準檢測

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

圖7 坐標系變換

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系與理論坐標系的變換矩陣，即需要修正的誤差，表達式為：

3.2 三點基準檢測

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

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

3.3 點－縫基準檢測

基準形式為2個基準孔加一條對縫時，同樣采用公共點轉換法求解理論坐標系與實際坐標系的轉換參數，與三點基準檢測不同的是局部坐標系的建立方法。點－縫建立坐標系如圖9所示，坐標系建立方法是，P1、P2是2個獨立的基準孔，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 三點建立坐標系

圖9 點－縫建立坐標系

4 試驗

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

5 結束語

針對不同的基準形式，提出相應的基準檢測與修正方法，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，為后續進一步的工程實際應用奠定了一定的技術基礎。提出以產品坐標系為全局坐標系，所有位置信息轉換至產品坐標系下，實現數據統一。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行，機器人實際工作狀態是垂直吸附。因此，后續需要繼續進行斜面、垂直面的驗證實驗。

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