面向航空航天應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償實踐教學(xué)建設(shè)研究

李鵬程 田 威 胡俊山 李 波 王長瑞

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)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(guān)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(fù)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(jī)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(shù)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(jī)床相比，工業(yè)機(jī)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(wù)，能夠更好適應(yīng)作業(yè)狀態(tài)調(diào)整、工藝流程變更的需求，形成設(shè)計與制造之間的快速響應(yīng)[2]，且與人工制造相比，采用工業(yè)機(jī)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展將會帶動傳統(tǒng)制造技術(shù)向著先進(jìn)現(xiàn)代制造技術(shù)的戰(zhàn)略升級，為制造業(yè)帶來新的活力。

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

因此，本文實踐教學(xué)建設(shè)主要目標(biāo)為：針對基于高精度工業(yè)機(jī)器人裝備的航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配作業(yè)需求，以工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)研究為載體，搭建機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償技術(shù)[6]、機(jī)器人非運動學(xué)精度補(bǔ)償技術(shù)實驗平臺，以航空航天工業(yè)機(jī)器人裝備裝配為項目實踐，開展基于視覺檢測的高精度機(jī)器人目標(biāo)識別與定位應(yīng)用[7]、基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人快速精準(zhǔn)示教應(yīng)用[8]等工程項目，實現(xiàn)以航空航天裝備裝配和工業(yè)機(jī)器人為背景，以工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)為突破口，以實踐平臺為應(yīng)用場景，實現(xiàn)理論知識—關(guān)鍵技術(shù)—項目實踐應(yīng)用的教學(xué)新模式。項目理論基礎(chǔ)知識教學(xué)和實踐內(nèi)容教學(xué)主要依托“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”“飛機(jī)裝配技術(shù)”以及“航空智能裝備設(shè)計”三門課程。實踐條件滿足30人以上教學(xué)實施，填補(bǔ)當(dāng)前我國飛行器制造工程專業(yè)在工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償及應(yīng)用實踐教學(xué)平臺方面的空白。

2 機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償實驗教學(xué)

研究表明幾何誤差引起的位姿誤差占機(jī)器人總誤差的80%以上，通過機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償技術(shù)消除幾何誤差是提升工業(yè)機(jī)器人精度的重要手段，也是工業(yè)機(jī)器人面向航空航天高精度應(yīng)用需求的關(guān)鍵技術(shù)。幾何誤差描述了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性及機(jī)器人系統(tǒng)與外部系統(tǒng)關(guān)聯(lián)參數(shù)的準(zhǔn)確性，幾何誤差的標(biāo)定必須綜合考慮各連桿參數(shù)誤差、基坐標(biāo)系參數(shù)誤差、工具坐標(biāo)系參數(shù)誤差等各類誤差因素。因此，筆者基于機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償理論的教學(xué)，并通過實驗準(zhǔn)確辨識機(jī)器人幾何參數(shù)誤差，提高機(jī)器人定位精度，對建立了完整教學(xué)閉環(huán)具有重要的意義。以六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人為實驗對象，針對機(jī)器人運動學(xué)標(biāo)定問題，基于剛體微分運動模型和機(jī)器人MD-H模型，建立傳統(tǒng)的機(jī)器人運動學(xué)誤差模型。引入機(jī)器人柔度誤差因素，研究耦合柔度誤差的機(jī)器人擴(kuò)展運動學(xué)標(biāo)定方法，以提高機(jī)器人誤差模型的完整性。在MATLAB平臺編寫機(jī)器人運動學(xué)參數(shù)辨識算法，實現(xiàn)機(jī)器人參數(shù)誤差的精確標(biāo)定。針對機(jī)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(jī)器人位姿誤差數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備采集。最后，對機(jī)器人誤差標(biāo)定方法進(jìn)行試驗驗證，證明其可行性與有效性，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償技術(shù)實驗

3 基于視覺檢測的高精度機(jī)器人目標(biāo)識別與定位實驗教學(xué)

基于視覺反饋的機(jī)器人控制技術(shù)在航空航天制造中具有重要的應(yīng)用價值，例如自動鉆鉚技術(shù)是實現(xiàn)飛機(jī)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(guān)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(jī)器人視覺的鉚釘類目標(biāo)識別與定位技術(shù)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(jī)器人目標(biāo)識別與定位實驗課程平臺，如圖2所示。在實驗教學(xué)中，首先讓學(xué)生明確基于視覺檢測的高精度機(jī)器人目標(biāo)識別與定位應(yīng)用場景，包括試驗安全保障機(jī)制、試驗原理講解、試驗步驟設(shè)計、試驗算法開發(fā)以及試驗結(jié)果評價機(jī)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(jìn)行了相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和手眼標(biāo)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(jī)器人拾取提供目標(biāo)位姿信息，完成機(jī)器人運動點位規(guī)劃并最終實現(xiàn)機(jī)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(jìn)行降噪、二值化、霍夫變換等預(yù)處理，針對散堆鉚釘識別難的問題，設(shè)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(jī)器人上進(jìn)行識別及抓取試驗，對上述方法的有效性和可行性進(jìn)行驗證。

圖2 基于視覺檢測的高精度機(jī)器人目標(biāo)識別與定位實驗

4 基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人快速精準(zhǔn)示教實驗教學(xué)

增強(qiáng)現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)是指透過攝像機(jī)影像的位置及角度計算，并加上圖像分析技術(shù)，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(jìn)行交互的技術(shù)。將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人示教結(jié)合在一起，產(chǎn)生基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的示教方式。基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的示教方式可以大幅度減輕工人學(xué)習(xí)強(qiáng)度，依靠增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的強(qiáng)沉浸性與代入感，工人可以輕松地為工業(yè)機(jī)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(yīng)用場景。

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

圖3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人快速精準(zhǔn)示教實驗教學(xué)

結(jié)語

本文考慮航空制造特點和學(xué)科建設(shè)要求，面向航空制造領(lǐng)域人才需求，針對工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)廣泛應(yīng)用的特點，建立科學(xué)技術(shù)研究與工程項目問題解決相結(jié)合的教學(xué)方式，基于“飛機(jī)裝配技術(shù)”“航空智能裝備設(shè)計”“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”的理論課程教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)了工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)實踐教學(xué)課程體系，包括機(jī)器人運動學(xué)精度補(bǔ)償技術(shù)實驗、基于視覺檢測的高精度機(jī)器人目標(biāo)識別與定位實驗以及基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人快速精準(zhǔn)示教實驗，涉及機(jī)器人學(xué)理論基礎(chǔ)知識、機(jī)械電子、系統(tǒng)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺以及增強(qiáng)現(xiàn)實等相關(guān)熱門領(lǐng)域，通過多學(xué)科多領(lǐng)域交叉，豐富教學(xué)內(nèi)容、拓寬學(xué)生視野，有利于培養(yǎng)多層次、寬口徑知識的復(fù)合型人才。