机器人精确制孔基础理论与关键技术研究

Position accuracy of robotic drilling remains on the edge of stringent standards of the aerospace industry, which hinders its large scale applications. In this project, problems of position error compensation and coordination error control will be studied and solved through the crossover and combination of theories from robotics, geometric modeling, digital measurement, and finite element analysis. Mapping between the part surface and its corresponding robot workspace, as well as the evaluation and optimization of the complexity of error compensation of robot workspace, will be established by using differential geometry and robot kinematics. Robot geometric error, gravity-induced deformation and thermal error will be considered in the model construction of the robot position errors in the two dimensional surface in the robot joint space by using B-Spline surface and multivariate regression models, and by combing methods of adaptive fast measurement of robot positioning errors and on-line error compensation, a set of new theories and methods of robot position error measurement, modeling and compensation for drilling of curved surface parts will be formed. The formation mechanism of coordination errors in robotic drilling will be disclosed, methods of on-line robot base calibration with multi-sensors and hole position correction by on-line measurement of reference holes will be developed, and systematic methods for coordination error control in robotic drilling will be established. This project will provide basic theories and technical supportings for the development and applications of accurate robotic drilling systems.

机器人制孔的位置精度始终徘徊在航空工业严苛标准的边缘，阻碍了其大规模应用。本项目通过机器人学、几何建模、数字化测量和有限元分析等多学科的交叉与综合，研究并解决机器人制孔中的定位误差补偿和协调误差控制问题。采用微分几何和机器人运动学理论，研究零件曲面与机器人工作区域之间的映射关系，建立机器人工作区域误差补偿复杂度的评价理论和优化方法。考虑机器人几何误差、重力变形和热误差等因素，采用B样条曲面和多变量回归分析模型，建立机器人在关节空间二维曲面的定位误差模型，结合机器人定位误差的自适应快速测量和在线补偿方法，形成一套面向曲面零件制孔的机器人定位误差测量、建模及补偿的新理论和新方法。阐明机器人制孔协调误差的产生机理，发展基于多传感器的机器人基座位置在线标定方法和基于零件基准孔在线测量的孔位修正方法，建立系统的机器人制孔协调误差控制方法。为机器人精确制孔系统的研制及应用提供理论基础和技术支撑。

针对机器人制孔系统末端定位误差大，传统的标定方法和关节空间网格误差补偿效率低的问题，本项目通过综合流形理论、机器人学、有限元分析和精密测量等多学科交叉与综合，构建关节空间的二维流形子空间以实现机器人误差补偿空间的降维，避免网格误差样本点采样过程中的维度灾难，显著提高了机器人位置误差补偿的效率；研发了机器人视觉定位和视觉伺服系统，实现了机器人制孔过程中的基准孔定位、孔位识别、边界特征识别，系统地建立了机器人制孔协调方法，解决了飞机结构制孔过程中的误差控制难题。.二维流形误差建模与补偿理论研究：（1）应用位姿优化函数构建了机器人关节空间的二维流形，通过最优值扰动理论证明了二维流形的连续性，实现了工作空间的降维；（2）提出了机器人关节空间二维流形误差补偿复杂度评价指标，并应用于机器人基座和壁板工装之间位置布局优化；（3）基于二维流形误差点云曲面的连续性，使用多种点云处理方法对误差点云进行曲面重构，得到关于壁板等距参数的误差曲面表达式和误差补偿量计算公式，并通过热力耦合有限元仿真和实验验证了二维流形误差补偿方法的有效性。.机器人制孔系统误差协调方法研究：（1）研制了高精度工业测量视觉系统，对曲面壁板等加工零件上的基准孔和边界信息进行提取，应用多种优化模型和算法实现对基准孔的精准定位和误差协调；（2）提出了一种半监督深度学习方法，应用于对碳纤维复合材料板的加工孔位纹理等图像信息的分割处理，显著提高了机器人制孔过程中的复合材料结构基准孔识别精度；（3）建立了一种综合定位协调误差与零件变形的融合刚柔因素影响的装配偏差模型，采用区间分析和模糊区间分析方法对其进行扩展；（4）结合位移传感器和视觉传感器设计了新型“眼在手”混合视觉伺服系统，解决了自动钻铆系统中的补铆插钉难题。.本项目研究在机器人定位误差建模与补偿理论、制孔系统误差协调方法、机器人制孔系统开发等方面取得了一系列创新成果，发表SCI论文12篇、EI论文4篇，获得授权国家发明专利6项，多项研究成果已经在我国大型飞机数字化装配中得到了成功应用。