面向航空航天应用的工业机器人精度补偿实践教学建设研究

李鹏程 田 威 胡俊山 李 波 王长瑞

南京航空航天大学机电学院 江苏南京 210016

1 概述

以航空航天为代表的高端制造业在世界各国均占据着至关重要的战略性地位，是一个国家综合国力的象征。航空航天制造业中其零部件产品具有结构复杂、精度要求高、材料征类繁多的工艺特点，且生产批量小、型号更新迭代快，研制转生产的周期逐渐缩短，对制造的精度、质量、加工效率及成本均提出了更高的要求[1]，而现有的以机床及人工制造为主的制造方式已逐渐无法满足生产要求，因此制造技术与装备向着柔性化及智能化方向发展是时代发展的必然选择。相比于传统的结构尺寸庞大、成本高昂的数控加工机床相比，工业机器人凭借其开敞性好、占地空间小、成本低等优势，且搭配不同的末端执行器可完成如钻铆、铣削、打磨、铺丝等高精度作业任务，能够更好适应作业状态调整、工艺流程变更的需求，形成设计与制造之间的快速响应[2]，且与人工制造相比，采用工业机器人将会使加工产品的一致性得到保障，节约人力资源，实现生产制造的自动化。由此可见，机器人技术的发展将会带动传统制造技术向着先进现代制造技术的战略升级，为制造业带来新的活力。

目前，工业机器人在航空航天等高端制造业中应用范围越来越广泛，然而，我国工业机器人相关专业知识教学仍在沿用传统的教学理念，无法将理论教学与项目实践相结合，忽视了学生的主体地位，不利于学生创新能力的培养。在高校教学活动中，由于教学条件的限制，学生们接触工业机器人实物的机会较少，大多数教学任务仅局限于机器人本体、机器人运动学等基本理论知识，无法体现工业机器人在实际航空航天等高精尖领域的应用与痛点。同时，工业机器人教材中的教学内容存在一定滞后性，没有与当今工业机器人领域的实际发展情况相结合。学生对工业机器人应用场景与局限性不够明确，和传统学科相比，工业机器人相关课程知识点较为零散，如不能在教学中有效突出教学重点和工业机器人特点，必然会对教学成效产生直接的影响[3]。因此，在新的教学模式中通过“飞机装配技术”“航空智能装备设计”“工业机器人技术与应用”等课程，开展工业机器人精度补偿技术理论学习与基于工业机器人实验平台的项目实践活动，提高学生对工业机器人相关理论知识的掌握能力和实际应用过程中解决问题的综合能力。工业机器人精度补偿技术与高校工业机器人教学有着极高的相关性，学生借助工业机器人实验平台等条件，将机器人基础理论知识与精度补偿相关技术相结合，通过理论知识学习加项目工程实践的方式，使学生在实际操作过程中体会工业机器人的魅力，实现理性认知到感性感知的飞跃[4-5]。在工业机器人精度提升的过程中，有利于培养学生创新精神与钻研能力，有利于培养学生团队协作、善于沟通的潜在能力。

因此，本文实践教学建设主要目标为：针对基于高精度工业机器人装备的航空航天复杂产品装配作业需求，以工业机器人精度补偿技术研究为载体，搭建机器人运动学精度补偿技术[6]、机器人非运动学精度补偿技术实验平台，以航空航天工业机器人装备装配为项目实践，开展基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位应用[7]、基于增强现实技术的工业机器人快速精准示教应用[8]等工程项目，实现以航空航天装备装配和工业机器人为背景，以工业机器人精度补偿技术为突破口，以实践平台为应用场景，实现理论知识—关键技术—项目实践应用的教学新模式。项目理论基础知识教学和实践内容教学主要依托“工业机器人技术与应用”“飞机装配技术”以及“航空智能装备设计”三门课程。实践条件满足30人以上教学实施，填补当前我国飞行器制造工程专业在工业机器人精度补偿及应用实践教学平台方面的空白。

2 机器人运动学精度补偿实验教学

研究表明几何误差引起的位姿误差占机器人总误差的80%以上，通过机器人运动学精度补偿技术消除几何误差是提升工业机器人精度的重要手段，也是工业机器人面向航空航天高精度应用需求的关键技术。几何误差描述了机器人本体结构参数的准确性及机器人系统与外部系统关联参数的准确性，几何误差的标定必须综合考虑各连杆参数误差、基坐标系参数误差、工具坐标系参数误差等各类误差因素。因此，笔者基于机器人运动学精度补偿理论的教学，并通过实验准确辨识机器人几何参数误差，提高机器人定位精度，对建立了完整教学闭环具有重要的意义。以六关节工业机器人为实验对象，针对机器人运动学标定问题，基于刚体微分运动模型和机器人MD-H模型，建立传统的机器人运动学误差模型。引入机器人柔度误差因素，研究耦合柔度误差的机器人扩展运动学标定方法，以提高机器人误差模型的完整性。在MATLAB平台编写机器人运动学参数辨识算法，实现机器人参数误差的精确标定。针对机器人参数误差空间分布不均匀问题，利用空间网格化的误差采样算法对机器人位姿误差数据进行采样，数据采样可通过激光跟踪仪或者低成本双目视觉等空间高精度测量设备采集。最后，对机器人误差标定方法进行试验验证，证明其可行性与有效性，如图1所示。

图1 机器人运动学精度补偿技术实验

3 基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位实验教学

基于视觉反馈的机器人控制技术在航空航天制造中具有重要的应用价值，例如自动钻铆技术是实现飞机部件高效率、高质量装配的重要手段，而自动送钉系统作为自动钻铆装备的关键组成部分[9]，直接影响自动钻铆的效率和可靠性，通过基于机器人视觉的铆钉类目标识别与定位技术对多型号散堆铆钉的识别与定位、铆钉拾取可有效保障铆钉输送的效率及可靠性。因此，作者搭建了基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位实验课程平台，如图2所示。在实验教学中，首先让学生明确基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位应用场景，包括试验安全保障机制、试验原理讲解、试验步骤设计、试验算法开发以及试验结果评价机制等，其中试验算法具有可开发性。其次，构建了视觉系统模型并进行了相机的内参数标定和手眼标定，采用基于异类传感器数据融合的铆钉定位方法，为机器人拾取提供目标位姿信息，完成机器人运动点位规划并最终实现机器人自动送钉过程的视觉控制；基于对散堆铆钉图像特征的分析，对铆钉图像进行降噪、二值化、霍夫变换等预处理，针对散堆铆钉识别难的问题，设计了基于模板匹配的铆钉识别算法和基于特征的铆钉识别算法，验证两种算法对光照变化、铆钉位姿变化、铆钉相互遮挡等不良工况的鲁棒性。最后，通过在工业机器人上进行识别及抓取试验，对上述方法的有效性和可行性进行验证。

图2 基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位实验

4 基于增强现实技术的工业机器人快速精准示教实验教学

增强现实(Augmented Reality，简称AR)是指透过摄像机影像的位置及角度计算，并加上图像分析技术，使得虚拟世界叠加在真实世界之上，允许用户在真实世界中对虚拟世界进行交互的技术。将增强现实技术与工业机器人示教结合在一起，产生基于增强现实技术的示教方式。基于增强现实技术的示教方式可以大幅度减轻工人学习强度，依靠增强现实技术的强沉浸性与代入感，工人可以轻松地为工业机器人示教，适用于包括焊接、转运、制孔作业等航空航天产品制造过程中的常见应用场景。

基于增强现实技术的工业机器人快速精准示教实验教学的流程，如图3所示。首先，构建增强现实眼镜与工业机器人之间靠TCP/IP网络通信协议连接，在真实机器人本体上合适位置粘贴二维码，使用增强现实眼镜观看真实机器人本体上的二维码；利用眼镜观察到的二维码位姿，传入基于标志物的三维跟踪注册模块，在增强现实眼镜内生成与真实机器人重合的虚拟机器人模型；增强现实眼镜连续捕捉虚拟机器人模型的末端位姿，并实时将末端位姿数据输入机器人正逆解模块，求解机器人六个关节轴的转角，并同步更新机器人虚拟模型；利用TCP/IP通信协议，将六个关节转角发送给机器人控制器，机器人控制器连续运行关节运动指令，接受关节转角后运动。该系统及方法不仅有助于提高机器人的示教速度，由于使用了基于标志物的三维注册跟踪模块，提高了示教精度，对工业制造加工领域具有较强的借鉴意义。

图3 基于增强现实技术的工业机器人快速精准示教实验教学

结语

本文考虑航空制造特点和学科建设要求，面向航空制造领域人才需求，针对工业机器人精度补偿技术广泛应用的特点，建立科学技术研究与工程项目问题解决相结合的教学方式，基于“飞机装配技术”“航空智能装备设计”“工业机器人技术与应用”的理论课程教学内容，建设了工业机器人精度补偿技术实践教学课程体系，包括机器人运动学精度补偿技术实验、基于视觉检测的高精度机器人目标识别与定位实验以及基于增强现实技术的工业机器人快速精准示教实验，涉及机器人学理论基础知识、机械电子、系统控制、机器学习、计算机视觉以及增强现实等相关热门领域，通过多学科多领域交叉，丰富教学内容、拓宽学生视野，有利于培养多层次、宽口径知识的复合型人才。