工业机器人视觉定位系统的实现

描述了一种利用机器视觉技术的工业机器人定位系统,可用于飞机小型零部件的装配定位和复合材料胶结部件的加压保压等作业。系统利用双目相机对目标工件上的反射靶标进行测量,获取机械臂末端与工件间的相对位姿关系,系统控制模块根据位姿反馈驱动末端进行位姿调整,实现末端对工件的精确定位。利用激光跟踪仪对位姿偏差进行测量,结果表明位置误差为0.11mm,姿态误差为0.04°,在定位精度和稳定性方面均能满足实际应用需求。     

基于视觉的大尺度部件相对位姿实时测量方法研究

相对位姿是装配过程中的一项重要监控项。针对大尺度部件对接过程中的相对位姿测量需求,提出了一种基于视觉的相对位姿实时测量方法。该方法利用单目视觉技术,通过采集合作靶标的图像,实时解算大部段间的相对位姿,用于辅助大尺度部件的装配。首先,设计了一套相对位姿实时测量系统,包括搭载单目相机的视觉测量单元,以及用于辅助位姿解算的合作靶标;其次,对相对位姿测量的完整流程进行了研究,包含系统标定方法与实时位姿解算方法;最后,在实验室环境下对位姿测量系统的精度进行测试。试验结果表明,位姿测量系统在垂直于光轴方向的重复精度可达0.02mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间低于0.3s;对多测量单元组网测量进行了仿真计算,垂直于光轴方向的重复精度优于0.1mm,沿光轴方向重复精度优于0.2mm,输出位姿结果时间优于1.3s。试验结果表明,提出的方法可满足一般大尺度部件对接过程实时位姿监控与对接状态评估的需求。     

一种适用于曲面结构的机器人制孔误差在线补偿技术

针对工业机器人应用于飞机零部件自动钻孔时各项误差累积造成制孔精度差的问题，提出一种利用单应关系计算机器人驱动坐标三维偏差，以在线补偿机器人制孔精度的方法。首先利用外部测量设备建立机器人制孔系统中各坐标系关系；在标定阶段，通过以一定倾斜角度固联于机器人末端的相机拍摄一幅安装于制孔工作平面上与刀轴正对的平面标定板图像，并据此完成基于单应变换的手-眼关系标定；在实际制孔过程中，机器人在测距传感器及相机的辅助下，从基准孔理论坐标对应的姿态，不断调整至基准孔正上方理想位置，通过手-眼关系计算基准孔实际位置对应的机器人驱动坐标，然后根据一组基准孔的机器人三维驱动误差，计算三维驱动误差变换矩阵，据此获得这组基准孔邻域范围内各待钻孔的机器人驱动坐标补偿量，从而实现待钻孔定位误差补偿。以飞机结构实验件为对象进行了模拟制孔验证，实验结果表明，补偿前待钻孔三维综合定位误差和法向误差测量值范围分别为2.28~2.85 mm和2.09°~3.93°，平均为2.55 mm和3.30°，补偿后制孔最大误差分别不超过0.30 mm和0.21°，满足自动制孔位置精度要求。     

数字化协同测量在飞机弱刚性零件加工中的应用

针对飞机弱刚性蒙皮零件的高精度加工要求,通过机器人铣削系统协同标定、蒙皮边界提取与逆向建模、末端执行器定位修正等技术研究,实现飞机蒙皮、口盖、壁板类结构件边部余量检测及加工在线修正,边界测量精度0.1mm,末端执行器定位误差不大于0.2mm。经验证,本研究满足了四代机制造对数字化测量的要求,显著提高了飞机蒙皮壁板自动化铣削和数字化水平,促进了飞机制造从传统的手工装配向智能化装配模式的跨越。     

一种面向工业机器人的高精度三维无序抓取系统

在航空航天、汽车等领域中,各类复杂工件结构复杂、纹理弱且混叠堆放,在智能制造过程中存在快速、高精度测量和识别难题。针对上述问题,建立了一种面向工业机器人的高精度三维无序抓取系统。基于面结构光三维测量技术,构建大场景固定基座的三维视觉测量装备,获取大型复杂零件的三维点云数据。建立零件点云模板,设置抓取点位置,利用点云配准技术识别零件并估计当前位姿。提出了一种手眼标定优化策略,实现了对工业机器人的精确引导,完成任意位姿零件的抓取,按要求装配于指定位置。实验结果表明,所设计的无序抓取系统平移误差为0.413mm,角度误差为0.123°,可以快速有效地对散乱堆叠零件进行高精度识别与定位,引导工业机器人准确抓取与放置,该系统可以在航空航天、汽车等领域的工业生产线上进行示范应用。     

基于激光跟踪仪的机器人末端负载重力辨识与在线补偿方法

为准确测量工业机器人在飞机装配中的真实装配受力,提出了一种基于激光跟踪仪的机器人末端负载重力辨识与在线补偿方法。借助激光跟踪仪等外部测量设备,建立了机器人系统的全局运动学模型,实现机器人末端位姿的精准获取。利用卡尔曼滤波处理力传感器信号,以获取更加准确平稳的外部力信息。基于最小二乘法建立了末端负载重力分量与位姿的映射关系,其中,考虑了力传感器的零点偏移与机器人安装偏差带来的影响。最后开展了机器人负载重力在线补偿试验,试验结果表明,该方法具有良好的效果。     

大臂展空间机械臂运动学参数精确标定

大臂展空间机械臂,由于臂杆的几何参数误差及柔性等因素将会导致其末端定位产生很大误差,然而在某些空间作业时对机械臂末端定位精度要求较高,为了获得其准确的运动学参数,提出了一种线性标定机器人运动学参数的简便方法。以一个7自由度空间机械臂为研究对象,采用D-H建模方法建立了机器人运动学模型,基于该模型建立了机器人运动学误差模型,最后通过计算机器人末端的位姿误差,标定了该机器人的运动学参数。仿真实验表明该标定方法有较高的精度,并且该方法操作简单、便于实际应用。     

基于PSD的并联微定位平台位姿检测方法

位置姿态（以下简称位姿）检测是研究六自由度定位平台的技术难点之一,为了快速准确测量六自由度并联微定位平台的位姿,验证平台的定位精度,基于多片二维PSD光电位置传感器设计了六自由度光学位姿检测系统。依据几何光学理论,建立了六自由度位姿解算的数学模型。通过仿真计算,该算法可以快速准确解算六自由度定位平台位姿。进一步分析了该模型在考虑存在测量误差时的理论计算误差,结果表明,基于二维PSD位置传感器的六自由度光学位姿检测系统在解算六自由度定位平台位姿的同时,具备较高的测量精度。     

基于人工地标的移动机器人定位与调整技术

在飞机大型构件测量领域,针对测量设备自动化转站时存在移动机器人无法准确到达站位的问题,提出了采用基于人工地标的移动机器人定位与调整技术实现转站时的精确定位。其次,设计了一种人工地标,给出使用激光跟踪仪的地标标定工装以及标定方法,通过该方法可得到地标在全局坐标系下的坐标。同时,介绍了地标的编码与位姿的解算方法,以及移动机器人位姿调整策略。最后,试验表明,人工地标测量的位置和角度误差均较小,移动机器人通过人工地标的定位与调整后的精度可以满足自动化转站的精度要求。     

大型复合材料机身壁板多机器人协同装配调姿控形方法

针对飞机大型复合材料机身壁板尺寸大、曲率大、外形偏差不易控制等装配工艺特点，提出了一种基于多机器人协同的复合材料机身壁板装配调姿控形方法。实现了各机器人末端夹持单元预定位，并建立了多机器人柔性装配工装的全局运动学模型；通过多机器人主从协同运动实现复合材料机身壁板的调姿定位，分析了协同运动误差；构建了壁板形状控制点偏差与机器人运动量的变换关系，通过机器人的运动实现了复合材料机身壁板的形状控制。最后，对所提出的方法进行了应用实验验证，结果表明采用主从协同运动的调姿方法，调姿定位精度优于0.08 mm。形状调控后复合材料机身壁板形状精度可达0.6 mm，证明了该方法的可行性和有效性。     

融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法

针对机器人卫星装配阶段舱板与主框架装配精度低、装配干涉力过大的问题,提出了一种融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法。利用视觉检测装置建立卫星舱板与主框架装配误差在线测量系统,并完成了双目标定、机器人手眼标定、其他部件相对位姿的标定,提出了卫星舱板与主框架装配误差补偿控制方法,实现了装配误差实时测量与精确补偿;同时,通过力觉检测装置完成了机器人末端负载辨识与重力补偿,实时测量卫星舱板与主框架装配干涉力,实现了卫星柔性装配。试验结果表明,采用融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法后,卫星舱板与主框架装配误差控制在0.2 mm以内,装配干涉力小于50 N,满足了卫星装配的精度需求,证明本文所提方法的有效性和稳定性。     

大部件对接中iGPS高精度位姿测量优化设计

 为保证大部件对接位姿测量精度,提高对接测量效率,实现大部件最优位姿装配,提出了基于iGPS测量系统的大部件对接位姿测量优化设计方法。首先,基于iGPS系统测量模型和不确定度模型建立对接测量网络,并对其网络测量精度进行仿真分析,优化设计了对接测量网络iGPS多发射器的布站方式;其次,基于对大部件位姿参数求解模型及不确定度模型的仿真分析,优化设计了调姿基准点的布设方式;最后,对某机型大部件对接进行了位姿测量方式的对比实验。结果表明,经过位姿测量优化设计后,大部件对接测量x、y、z的位置调整不确定度均小于0.16 mm,姿态滚转角、俯仰角和偏航角的角度调整不确定度均小于3.1",相较于未经布站优化设计的测量方式,精度至少提高了20%。由此证明该测量优化设计方案能够高效、高精度地对移动大部件进行实时位姿测量,在有效提高大部件对接位姿测量效率及精度方面是可行的。     

工业机器人绝对定位误差补偿方法

现场环境下工业机器人连续作业运行容易导致定位漂移问题,利用外部高精度测量系统获取其末端执行器精确三维位置信息是机器人绝对定位误差的有效补偿方式.针对误差补偿三维测量高效率、高精度、高适应性要求,提出了一种基于工作空间测量定位系统的工业机器人精度补偿方法.利用测量定位系统的动态特性,设计了针对机器人工作轨迹空间的网格划分...     

面向飞机大部件调姿的PPPS机构球铰点中心位置闭环标定方法

PPPS机构球铰点中心位置对飞机大部件调姿精度有重要影响,为了解决当前常用的球铰点中心位置获取方式在精度或效率上的不足,提出一种PPPS调姿机构球铰点中心位置的闭环标定方法。首先,分析了球铰点中心位置误差与运动学逆解时定位器位移求解偏差的关系及大部件位姿变换参数对其的影响;然后,提出了基于关键特性结合奇异值分解几何意义的飞机大部件位姿参数快速求解方法,使位姿参数求解过程更加直观简捷,同时相较于常用的奇异值分解方法在精度上没有损失;利用一次调姿过程前后大部件位姿参数的变化和定位器的位移反馈,结合运动学逆解对球铰点中心的位置进行闭环标定,最后,以某型号飞机垂尾测试件为例验证了所提出方法的正确性和实用性。     

机器人自动制孔中绝对定位误差的分析与补偿

由于机器人绝对定位精度相对较低,无法直接满足自动制孔的孔位精度要求。为了提高机器人自动制孔的孔位精度,对机器人绝对定位误差进行了研究。首先,阐述了绝对定位误差的来源和产生过程,并通过理论分析和相关试验,证明了绝对定位误差会对机器人基坐标系的平移分量和姿态变换分量产生不同程度的影响。然后,为了补偿由于基坐标系标定不准确所引起的坐标转换误差,从飞机曲面构造原理角度,提出了一种基于误差Coons曲面函数的补偿方法。制孔试验表明,采用基于误差Coons曲面函数的补偿方法,可以使得坐标转换误差得到有效的补偿。机器人自动制孔的孔位平均位置误差为0.205mm,最大位置误差为0.343mm,满足孔位精度在0.5mm以内的要求,实现了机器人自动化精确制孔。     

一种基于冗余自由度的机器人姿态优化方法

工业机器人由于高柔性、高自动化以及低成本的优势,广泛应用于制造装配领域。然而,较低的刚度对机器人的加工精度与质量产生较大的影响。在关节极限约束下建立奇异性性能测量模型,并基于机器人静刚度模型提出一种机器人综合刚度性能评估方法,最终提出一种基于冗余自由度的6轴串联机器人姿态离线优化方法,在尽量远离关节极限姿态与奇异姿态的条件下,得到机器人最优刚度加工姿态。试验验证表明,这种姿态优化方法可以有效提升机器人的运动性能与加工质量。     

虚拟飞机姿态评价系统在数字化装配中的应用

目前飞机大部件数字化调姿、定位技术在飞机制造业得到了推广及应用,但在飞机大部件调姿、定位过程中,不同测量点的选择可能造成不同的飞机姿态;零件制造、部件装配、测量设备等各环节引入的误差积累也会导致飞机位姿状态与飞机理论模型的偏差,飞机状态无法与理论位置最佳匹配.为最小化飞机姿态误差,提高飞机调姿、定位效率,提出一种用于飞...     

基于多传感器信息融合的物体位姿检测方法

 提出了利用摄像机和超声传感器信息融合对机器人操作对象进行位姿检测的方法。该方法通过单幅图像获取目标点在图像中的理想坐标,求得投影矢量的方向,然后通过机器人末端的运动,导引超声传感器坐标原点与未移动前摄像机坐标系的原点重合,而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同,再由超声传感器测出投影矢量的长度,从而确定目标点在摄像机坐标系中的坐标,并可进一步转换到机器人基坐标系中。通过测量操作物体上两点的空间坐标,就能够确定物体空间姿态。该方法简单易行,计算量小,精度较高。     

考虑关节回差的工业机器人精度补偿方法

工业机器人由于绝对定位精度低的缺点一直难以应用于航空航天高精制造领域。影响机器人定位误差的因素较多,对精确建立其误差模型提出了严峻的挑战。现有的建模方法通常将机器人定位误差与其位姿关联,忽略了同一位姿下关节回差对其定位误差的影响。为提高工业机器人绝对定位精度,提出了一种考虑关节回差的工业机器人误差相似度精度补偿方法。基于改进的Denavit-Hartenberg模型建立了包含机器人几何误差、坐标系误差和传动误差的综合辨识模型,利用最小二乘法辨识了关节回差。根据辨识得到的关节回差等参数构建了误差相似度模型,使用3种型号的机器人验证了该方法对提高机器人绝对定位精度的可行性和通用性,最终通过KUKA KR500-3机器人进行了制孔试验验证。试验结果表明,该方法相较于传统方法将机器人定位误差降低了约0.1 mm,精度提高了30%以上,制孔孔位精度从0.701 mm提升至0.134 mm,为有效提高工业机器人的绝对定位精度提供了一种技术手段。     

双目视觉绳系支撑飞行器模型位姿动态测量

绳牵引并联机器人（WDPR）为风洞试验提供了一种新型支撑方式,可用于多/六自由度风洞复杂动态试验。针对该支撑下飞行器模型的大范围运动,发展了一种基于双目视觉的模型位姿动态测量方法。首先,设计了一种编码合作标志点,合理布置于模型表面,通过图像处理消除绳对标志点成像干扰,进行标志点三维重构;然后,利用绝对定姿算法求解相对位姿初值,且给出了理论误差分析,并基于双目相机重投影误差构建李代数下的无约束最小二乘优化问题,采用L-M算法进行位姿优化;最后,采用该测量系统分别进行了静态和动态精度验证试验,以及大迎角俯仰振荡等3种单/多自由度典型运动轨迹测量。试验数据显示,静态角度和位移测量精度分别优于0.02°/0.02 mm;动态测量时角度精度可达到0.1°量级,位移平均误差为0.4 mm。研究结果表明：设计的双目视觉测量系统是有效可行的,可为后续风洞试验的实际应用提供支持。