航空航天蒙皮钻铆移动机械臂关键技术研究

Mobile manipulator combines the mobility of mobile platform with manipulation of manipulator, which makes it meet the need of manufacture in aeronautics and astronautics industry, such as drilling/ riveting of fuselage. Taking it as research object, this proposal will carry out theoretical analysis and modeling to solve the corresponding emphases and difficulties. The restrictions on new configuration design, working parameters planning, path and trajectory planning will be broken through. First, the dynamics of mobile manipulator system will be modeled and analyzed to search the key elements onto tip-over and slip stability of the system, and the new configuration design will be proposed to improve the tip-over and slip stability simultaneously. Next, the orientation angle workspace will be analyzed to plan the working parameters of mobile platform, which can guarantee the high manipulability of system in working position. The analysis and modeling on tip accuracy of manipulator under manufacturing wrench will also be carried out. The configuration in Null Motion Space will be optimized to improve the tip accuracy. So far, both tip accuracy and manipulability can be considered at the same time. The path and trajectory will be planned based on geometrical features characters (including normal, gradient, spatial frequency spectrum) of fuselage. At last, an experimental system will be set up with corresponding algorithm and software developed. The quality of drill/riveting will be evaluated to verify the effectiveness of proposed methods.

移动机械臂兼具移动能力和操作能力，适宜航空航天蒙皮钻铆这种大部件的制造作业。本课题以移动机械臂为研究对象，利用机器人领域基础理论对其进行分析与建模，研究蒙皮钻铆作业中所遇到的重点与难点，开展突破制约移动机械臂发展的新构型设计、作业参数规划、路径与轨迹规划方法的研究，实现下列研究目标：①开展机械臂动力学分析，寻找引起系统倾覆与滑移失效的关键要素，并通过移动机械臂的新构型设计来提升系统的稳定性。②开展机械臂OAW灵巧性分析，优化移动平台作业参数，保证作业位置上系统的高灵巧性；同时开展作业负载下机械臂末端精度分析及Null Motion Space构型优化，最终得到灵巧性与精度同时兼顾的系统作业参数。③根据蒙皮的几何特性参数（法向、梯度与空间频谱）对机械臂扫描作业进行路径与轨迹规划。④搭建实验系统，开发算法与应用软件，结合蒙皮钻铆加工工艺的质量评定，验证课题的理论研究与技术开发成果。

移动机械臂兼具移动能力和操作能力，能满足航空航天蒙皮钻铆这种大部件的制造作业。本课题以航空、航天蒙皮钻铆作业为研究对象，利用机器人领域基础理论对其进行分析与建模，研究钻铆移动机械臂的重点与难点，突破了制约移动机械臂发展的新构型设计、作业参数规划、路径与轨迹规划方法。完成了以下研究内容：①完成了机械臂动力学建模与分析，针对能够引起系统倾覆与滑移的关键要素建立了相关数学模型，并在该模型的基础上进行了单因素与多因素分析。通过可重构移动机械臂的新构型设计来提升移动机械臂系统的稳定性。研究过程中，项目组将该方法延展至双臂移动机械臂。②完成了移动机械臂中机械臂灵巧性分析，运用速度可操作度椭球相交体积指标进行双臂移动机械臂的灵巧性分析。同时，完成了面向全局可操作度的6R机械臂尺寸优化方法研究，该方法定义机械臂工作空间全局可操作度指标。以该指标的最大值作为优化目标，对机械臂的连杆尺寸参数进行优化。此外，课题组完成了使用光学方法提升机器人精度的方法研究，并在实际的钻铆加工中进行了实验验证。为了提供一种有效的方法来评估移动机械臂在钻铆加工中的振动特性，项目组量化了柔性关节机器人因外部过程载荷引起的振动而导致的安装在机器人上的工具的弹性位移，以此来预测周期性加载引起的刀具错位是否符合工艺质量要求。③课题组根据蒙皮、作业场景的几何特性参数对机械臂扫描作业进行路径与轨迹规划，规划中优化了人工地标地图，能够为移动机械臂提供更为有效的规划结果。④课题组搭建了实验系统，完成了算法与应用软件的开发。本项目完成的面向航空航天蒙皮钻铆的移动机械臂研究解决了移动机械臂的稳定性、灵巧性、精度、规划等多个领域的相关问题，能够改善移动机械臂对航空航天蒙皮钻铆的适应性。同时，课题组将相关方法延展到面向智能建造中，完成了建筑3D打印移动机械臂的相关研发工作。