基于高鐵裝配的機器人關鍵技術研究

王熙杰

摘 要 工業機器人因具有柔性化、自動化水平高、定位精度高、承載質量大等優點，成為我國未來智能制造轉型升級的重點研究方向，當前已廣泛應用于以汽車制造為代表的自動化生產現場，大大提高了產品的生產質量、效率和可靠性。然而高鐵部件產品具有小批量、多樣化、工位不固定等生產特點，如何在高鐵生產裝配過程中充分發揮機器人技術優勢是重點突破方向。研究中心突破了機器人柔性控制、機器人高精度自動化姿態測量等關鍵技術，形成了面向高鐵裝配測試的機器人系列產品并在各型號平臺應用，有效解決了高鐵生產裝配環節中面臨的大質量設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。

關鍵詞 高鐵裝配 精度測量 機器人 裝配系統

中圖分類號：TP242;U238 文獻標識碼：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組合裝配成完整高鐵并進行性能檢測的過程，是高鐵產品功能和性能實現的最終階段和關鍵環節，裝配與檢測的質量直接影響高鐵最終研制質量和服役性能。高鐵產品通常不是批量生產，總體裝配是典型的離散制造過程，當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。

近年來，隨著國家對新型高鐵研制模式逐漸發生轉變，主要體現在如下幾個方面：（1）產品數量越來越多，研究任務不斷加重，研制周期緊張;（2）研制技術指標提升對裝配檢測水平要求不斷提高;（3）高鐵本體構型多樣化使得總裝工況復雜化。傳統裝配及檢測手段存在著裝配和檢測自動化程度不高、缺乏量化標準等問題，已嚴重影響了高鐵研制質量及生產效率。

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，通常應用于批量產品的生產流水線，具有柔性化、自動化水平高、定位精度高、承載質量大等特點，己廣泛應用于以汽車制造為代表的自動化生產現場。然而高鐵部件產品通常不成批量，生產裝配檢測工況也不固定，難以做到全自動化生產，如何在該生產條件下充分發揮工業機器人優勢，解決大質量設備安裝難度大、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行機器人技術應用時需要重點突破的研究方向。

2 機器人裝配系統

機器人通常應用于批量產品的生產流水線，面對固定的工況，不斷重復預先示教好的動作，生產效率高。對于高鐵的裝配作業，機器人可以實現大質量部件的穩定保持與精確調整，但由于裝配工作不具有重復性，傳統意義上的示教重復型機器人不再適用。

人與機器人協作的作業方式可以將機器人載重量大、運行穩定精度高的特點，與人觀察、操作的靈活性相結合，適用于高鐵復雜多變的裝配工況。但已有協作型機器人主要面向電子行業的零部件組裝，另外需考慮人機協作的安全性，承載能力均較小。對市場現有協作機器人承載能力的統計見表1。

由表1可見，在高鐵總裝階段，數十至數百公斤部件的安裝工作對機器人有較大的需求，已有的協作機器人產品無法滿足需求，因此研制了“重載”協作機器人裝配系統。

2.1 系統組成

機器人裝配系統組成見圖1，機器人采用市場現有成熟的工業機器人，可實現空間六自由度的位姿調整。末端執行器通過六維力傳感器安裝在機器人末端，用于工件的抓取。六維力傳感器用于感知作用在機器人末端的力/力矩信息，反饋給機器人柔順控制器。機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。機器人柔順控制器用于實時采集機器人及六維力傳感器的數據，并根據所獲得的信息，實時向機器人發送控制指令，實現機器人的人及協作及柔順裝配控制。

2.2 受力感知

圖1中六維力傳感器安裝在機器人末端與負載之間，機器人腕部六維力傳感器測得的力與力矩數據由三部分造成，即：（1）傳感器自身系統誤差;（2）負載重力作用;（3）負載所受外部接觸力[1]。若要得到負載所受外部接觸力，需要消除傳感器系統誤差、負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力分量記為Fx、Fy、Fz，三個力矩分量記為Mx、My、Mz，分量測量的系統誤差記為Fx0、Fy0、Fz、Mx0、My0、Mz0，負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個坐標軸上的分量為：

外部力矩在傳感器3個坐標軸上的分量為：

故得到了負載所受的外部作用力信息，可據此實現對機器人的力反饋控制。

2.3 柔順控制

使用機器人抓持被安裝對象，并將其準確運送至裝配位置，可實現大型部件的穩定、可靠裝配。由于高鐵裝配工況不具有重復性，無法通過常規的示教再現方式保證安裝精度，需要機器人具有順應外界邊界條件的柔性，通過裝配邊界約束結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/位控制的機器人柔順裝配方法。針對自由空間力控制、銷釘導向等典型應用需求給出了力/位控制策略。其中，自由空間力控制是對機器人空間6個自由度的運動均采用力控制。在這種控制方式下，被操作工件完全按照空間受力情況進行位姿調整，按照空間3個方向的力信息進行位置調整，按照空間3個方向的力矩信息進行姿態調整。

自由空間力控制可用于大型部件的“人機協作”操作，如圖2所示。在這種情況下，機器人承擔了工件的重力，操作者只需施加較小的力即可對大重量工件進行空間位姿的調整操作，實現“人機協作”。

自由空間力控制的另一個典型應用工況為緊固件柔性安裝，如圖3所示。當工件基本達到安裝位置后，此時安裝面沒有完全貼合，工件安裝孔也沒有與主體結構螺紋孔完全對準，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，會對工件及結構板產生額外牽拉力，存在損壞工件及結構板的隱患。此時可采用力反饋控制，工件隨緊固件的選入擰緊可自適應調整到位。

此外，還針對銷釘導向、分離界面力卸載等環節的力反饋控制研究了相應的控制策略[3]。

3 機器人自動化測量系統

高鐵通常需要安裝大量傳感器、天線為代表的設備，這些設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備進行精確測量并通過裝調及復測以滿足功能設計要求。

在高鐵時間緊、任務重的研制條件下，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。

機器人具有靈活度高、自由度高、成本低的特點，機器人在實現自動化測量方面有巨大優勢。為了在保證高測角精度基礎上，提高測量系統的自動化水平、靈活程度及柔性化水平，研制一套基于機器人與經緯儀相結合的高鐵設備自動化測量系統，提高了現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 系統組成

機器人自動化測量系統及坐標系分布如圖4所示，該系統將實現機器人攜帶經緯儀對高鐵AIT過程中批量設備裝配精度的自動測量，機器人可以借助AGV車實現對原位高鐵所有設備的全向檢測[4]。為了實現高精度測量，該系統利用激光跟蹤儀作為全局引導及精度控制裝置，首先需要對跟蹤儀坐標系與機器人、高鐵坐標系進行標定統一;其次通過標定建立機器人末端經緯儀自身坐標系與機器人工具坐標系、激光跟蹤靶標的相對方位關系;根據被測設備在自身坐標系下的先驗信息，借助激光跟蹤儀的實時跟蹤、定位及引導技術，實現經緯儀對被測設備的自動化精確準直;最后將經緯儀在各位置的準直信息統一到跟蹤儀坐標系下，實現高鐵設備姿態信息的自動化測量。

3.2 基于多目標跟蹤的精密引導及全局精度控制

由于機器人絕對定位精度不高，單純利用機器人提供的關節信息進行全局統一的精度無法滿足測量精度要求。在數據傳遞過程中如何實現準直結果的高精度全局控制及統一是決定該系統最終檢測精度的關鍵技術。

為此，研究并設計一種全局激光跟蹤靶并固定在機器人末端，如圖5所示。機器人末端工具移動過程中，激光跟蹤儀可以實時跟蹤并高精度確定機器人末端跟蹤靶的位姿，再結合標定環節精確建立的其與機器人末端經緯儀的相對位姿關系，便可實現激光跟蹤儀對機器人末端經緯儀的全局精密定位及引導，并可將經緯儀在不同站位的準直結果進行全局精密統一，有效提高系統的高精度自主絕對定位及全局精度控制能力。

3.3 基于模型驅動的高鐵設備自動測量

在完成系統標定后，通過現場測量可建立被測高鐵部件與機器人坐標系之間方位關系，再結合高鐵被測目標的三維模型或先驗測量數據信息，可驅動機器人攜帶經緯儀到達目標位置，實現對被測目標的粗準直，再通過視覺引導準直技術實現被測目標的精確準直，如圖6所示。通過對每個被測目標準直結果的坐標系統一，可實現不同被測目標坐標系間的相對姿態確定，從而實現最終測量。

該技術包含兩個核心環節，一個是利用己知的被測目標在高鐵坐標系下的先驗位置信息，結合系統的標定結果，推算出經緯儀要移動到的目標位置及對應的水平俯仰角，從而實現對被測目標的準直;第二環節是經緯儀完成對被測目標的精確準直后，需要結合各系統間的標定結果將經緯儀在每個位置自身坐標系下的結果統一到全局坐標系下，而且盡可能減少坐標系傳遞誤差，以保證最終高精度測量結果。

4 系統應用

相關技術先后應用于我國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，為新一代時速600km/h重要項目建設提供了重要支持，并由于技術改進，節約大量高鐵研制經費，在支持國家戰略建設的同時，也帶來了可觀的經濟效益。機器人自動測量系統可實現更高姿態測量精度，測量效率得到提高，同時測量人員進一步減少。

5 結論與展望

本研究通過自主攻關突破了機器人柔性控制、機器人高精度自動化姿態測量等關鍵技術，形成了面向高鐵裝配測試的機器人系列產品并在各型號平臺應用，有效解決了高鐵生產裝配環節中面臨的大質量設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，重點突破機器人人機共融協作、仿人雙臂機器人、自動化測量測試器人等關鍵技術，建立起高度自動化、智能化的高鐵總裝測試生產模式。

參考文獻：

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

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

[3] 湯海洋，紀柱，李論.基于力反饋牽引力導引的機器人輔助裝配技術研究[J].制造業自動化，2021，43（03）：9-13.

[4] 黃心漢.微裝配機器人：關鍵技術、發展與應用[J].智能系統學報，2020，15（03）：413-424.