視覺測量助力“機器人化智能制造”

我國在“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中明確指出要推進支線客機、大客機、核電機組發(fā)展，其中智能傳感與機器人研發(fā)是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標的重要方向，更是實現(xiàn)我國從“制造大國”到“制造強國”跨越式發(fā)展的重要使能技術(shù)。

以機器人作為制造裝備執(zhí)行體，集成視力覺智能傳感的機器人化智能制造正逐漸成為大型復雜構(gòu)件制造的變革性新模式。華中科技大學二級教授李文龍認為，隨著工業(yè)機器人與三維視覺測量、人工智能算法等新一代信息技術(shù)的深度融合，機器人化智能制造系統(tǒng)將突破柔順性、自律性與人機共融能力，大大提升系統(tǒng)靈巧性和人機交互能力，具有廣泛的應用前景，代表著智能制造的主攻方向。為此李文龍面向國家重大需求，瞄準視覺測量與機器人化智能制造學術(shù)前沿，圍繞高精度三維視覺測量技術(shù)、機器人加工精度保障技術(shù)、機器人檢測/加工智能裝備研制，開展了深入研究。同時科研反哺教學，秉承“立德樹人、科教融合”的教學理念，他矢志不渝地培養(yǎng)機器人化智能制造拔尖創(chuàng)新人才。

潛心科研十五載，突破復雜構(gòu)件高精度視覺測量核心技術(shù)

“做科研既要仰望星空，也要腳踏實地，勇于選擇最前沿的學術(shù)方向去攻克。”李文龍意味深長地說。15年前，李文龍剛剛博士畢業(yè)，正在參與國家自然科學基金重點項目“大型復雜曲面零件的數(shù)字化設(shè)計-加工-測量一體化理論與技術(shù)”。他敏銳地覺察到三維視覺測量具有非接觸式、快速高效、在位在線的技術(shù)優(yōu)勢，在曲面變形測量與機器人加工精度控制方面具有廣闊的應用前景，但景深變化、工件反光、海量數(shù)據(jù)等因素嚴重制約著三維視覺測量技術(shù)的應用。

為此李文龍帶領(lǐng)團隊研究了面向復雜構(gòu)件的多視相移成像原理，提出了三維成像關(guān)鍵參數(shù)精確標定方法，解決了三維測點計算精度受限于測量景深與表面反光影響的技術(shù)難題。針對測點規(guī)模大（千萬/億級）、測點層疊、高斯/粗大噪音等現(xiàn)場固有測量缺陷，團隊建立了海量測點精簡、光順與融合的數(shù)學模型和計算方法，提出了方差最小化原理的曲面匹配定位新技術(shù)，攻克了國際通用點-點（ICP）距離與點-切面（TDM）距離匹配受初始位姿任意/復雜薄壁特征影響引起的切向滑移難題，開發(fā)出iPoint3D測點處理與輪廓評價軟件系統(tǒng)。

上述研究成果獲高等教育科學研究優(yōu)秀成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎（李文龍排名第一），應用于某企業(yè)葉片零件測點數(shù)據(jù)處理與曲面輪廓檢測，相比已有方式單件檢測時間縮短85%以上，突破了國外同類檢測技術(shù)的行業(yè)壟斷與商業(yè)禁售風險；應用于4款汽車發(fā)動機缸體缸蓋等大型復雜構(gòu)件全輪廓掃描與關(guān)鍵特征參數(shù)提取，完成了多款新型汽車發(fā)動機的數(shù)字建模與新產(chǎn)品開發(fā)，作為關(guān)鍵技術(shù)之一支撐應用企業(yè)連續(xù)8年入選世界500強。

瞄準國家重大需求，研制機器人測量/加工智能制造裝備

李文龍指出，“瞄準國家重大戰(zhàn)略需求，解決重大工程中的關(guān)鍵卡脖子難題，才是一名科技工作者追夢的制高點”。他多次到中國航發(fā)、中航工業(yè)、中核武漢等企業(yè)調(diào)研學習，與一線工人深入交流，發(fā)現(xiàn)普遍存在制造模式轉(zhuǎn)型升級需求：將肉眼檢測提升為高精度視覺檢測，將手工操作提升為穩(wěn)定機器人操作。但航空蒙皮、垂尾、核電法蘭面等尺寸大、易變形、難加工，如何實現(xiàn)機器人測量-加工一體化與精度控制已成為制約制造模式轉(zhuǎn)型升級的瓶頸。

針對航空蒙皮、核電法蘭面等大尺寸復雜構(gòu)件多視角測量整體誤差累積放大問題，李文龍研究了多視角測量數(shù)據(jù)無標記點全局精確拼接新方法，機器人測量系統(tǒng)精度達到±0.015（基礎(chǔ)精度）+0.02mm（拼接精度）/m；提出了面向易變形復雜構(gòu)件的刀具軌跡光順與刀軸偏差控制方法，生成同時滿足光順性、剛度與靈巧度要求的機器人加工姿態(tài)，解決了由離散測點直接生成加工路徑存在的刀具路徑點與刀軸矢量抖動問題；針對機器人測量-加工一體化系統(tǒng)多單元多源誤差耦合降低軌跡精度難題，建立了SE（3）群空間雙機器人同步標定凸優(yōu)化目標函數(shù)，實現(xiàn)了加工機器人末端實時閉環(huán)反饋與軌跡精度控制。

上述研究出版著作2部，3篇代表作以系列論文形式發(fā)表在《IEEE機器人匯刊》（IEEE T. Robotics），4篇中文論文被《機械工程學報》《航空學報》等作為封面專題報道，被同行權(quán)威學者彼得羅·瓦爾達斯特里（Pietro Valdastri）教授評價為“相比傳統(tǒng)方法具有卓越的精度和效率”。李文龍帶領(lǐng)團隊取得了多項創(chuàng)新成果：研制了大型蒙皮、垂尾和核電法蘭面的機器人測量系統(tǒng)，為航空復雜構(gòu)件現(xiàn)場檢測、核電機組現(xiàn)場運維提供了重要技術(shù)平臺；研制了機器人測量-加工一體化智能裝備，應用于近千件蒙皮機器人銑削加工，實現(xiàn)了機器人磨拋在核電大葉片批量生產(chǎn)中的應用。

秉承科教融合育人，培養(yǎng)機器人智能制造拔尖創(chuàng)新人才

作為一名人民教師，李文龍始終堅持立德樹人這一根本任務。他結(jié)合學術(shù)發(fā)展前沿，歷時3年編寫了《機器人學》教材，獲全國優(yōu)秀教材獎一等獎（李文龍排名第二），將機器人學內(nèi)涵從工業(yè)機器人擴展到海陸空和共融機器人，增加了線矢量與運動旋量、指數(shù)積運動學建模、機器人視覺定位等新理論新知識，反映了當前機器人學術(shù)發(fā)展和技術(shù)應用前沿，為培養(yǎng)學生技術(shù)創(chuàng)新能力提供了源頭活水。

李文龍主持承擔了省、校、院教改項目4項，全面探索以學生優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)為核心的機器人課程體系改革與教學模式改革，參與發(fā)起了全國性“機器人學教學研討會”、參與承擔了教育部“機器人學課程虛擬實驗室”工作，提出以學生為中心、“教師授課+學生課堂討論+自主網(wǎng)課學習+現(xiàn)場動手實踐”相結(jié)合的教學新模式，支撐了華中科技大學2021年起“機器人”方向本科教學工作。作為導師，他培養(yǎng)王剛獲德國洪堡學者、謝核獲上銀優(yōu)秀機械博士論文佳作獎、蔣誠獲航發(fā)集團科學技術(shù)獎、程育奇獲十三屆挑戰(zhàn)杯大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎、6名本科生獲省/校優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計獎。他帶領(lǐng)團隊參與申報的“面向新工科的智能制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系構(gòu)建”獲國家級教學成果獎一等獎。

作為一名科技工作者，李文龍始終以國家重大需求為學術(shù)研究的制高點，在高精度視覺測量方面的突破性成果對我國航空、核電、汽車等行業(yè)技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)應用作出了突出貢獻，在機器人化智能制造方面的突破性成果支撐了我國新一代戰(zhàn)機、ARJ21支線客機、華龍一號等國防重大工程建設(shè)。作為一名人民教師，李文龍秉承“科教融合、立德樹人”的教學理念，不忘初心、矢志不渝地培養(yǎng)機器人化智能制造拔尖創(chuàng)新人才。相信在未來的教學科研生涯中，李文龍將繼續(xù)“仰望星空、腳踏實地、教書育人”，在他熱愛的工作崗位上為國家重大工程建設(shè)和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)貢獻自己的力量。