（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

目前，工業(yè)機(jī)器人因其高柔性和低成本等方面的優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而在航空制造領(lǐng)域研究最廣泛的為單機(jī)器人自動鉆鉚[1-3]，由于其采用單側(cè)壓緊的方式，難以抑制毛刺的產(chǎn)生，常需要在完成制孔以后人工去毛刺再進(jìn)行鉚接。

此外，鉚接質(zhì)量雖然相對人工鉚接有了一定的提升，但是與采用雙側(cè)壓緊的大型自動鉆鉚設(shè)備依然有一定差距。

雙機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成雙側(cè)制孔，采用雙側(cè)壓緊有效抑制毛刺，適用于電磁鉚接和壓鉚等質(zhì)量更高的鉚接形式，既保證了靈活度和鉚接率，又實現(xiàn)了更高的制孔和鉚接質(zhì)量，且能夠通過更換末端執(zhí)行器實現(xiàn)更加復(fù)雜的任務(wù)，并能通過裝載不同的傳感器獲得更加豐富的信息，智能化和自動化程度更高，因此也需要更先進(jìn)的集成技術(shù)、 合理的規(guī)劃技術(shù)和可行性更高的控制方法[4]，其應(yīng)用是航空航天制造領(lǐng)域發(fā)展方向[5]。

德國BROTJE-AUTOMATION公司的RACE自動鉆鉚系統(tǒng)通過兩臺KUKA工業(yè)機(jī)器人以及一些專用的末端執(zhí)行器能實現(xiàn)自動制孔、插釘、鉚接以及墊圈安裝等功能，而該公司對外技術(shù)封鎖。

Choi等[6]提出一種基于EtherCAT的僅用I/O量進(jìn)行通信的多機(jī)器人通信方式，該方法成本較低，但是機(jī)器人的協(xié)同性較差，不適用于機(jī)器人工作空間重合的場所。

Kruse等[7]提出一種基于TCP/IP的雙機(jī)器人集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合CCD相機(jī)、接觸式橡膠墊、力/力矩傳感器，效果較好，但是系統(tǒng)運(yùn)行在3臺工控機(jī)上。

相較于國外，目前國內(nèi)針對雙工業(yè)機(jī)器人協(xié)同工作的研究主要集中在碰撞分析和運(yùn)動規(guī)劃方面[8-10]，對雙機(jī)器人和多機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和通信方式的研究較少，多數(shù)采用串口通信[11]，而串口通信距離短且通信速率低，與其他設(shè)備的集成難度大，難以適用工序復(fù)雜且精度要求高的飛機(jī)鉆鉚加工，通用性相對較差。

張揚(yáng)[12]等針對雙機(jī)器人自動鉆鉚，利用基于Ethernet的方式進(jìn)行控制，但需要專用軟件包。

石鑫[13]對雙機(jī)器人錘鉚工藝進(jìn)行了深入的研究，優(yōu)化了錘鉚工藝，而未對其控制技術(shù)和標(biāo)定進(jìn)行研究。因此當(dāng)前迫切需要一種穩(wěn)定性好、距離長的通信和控制方式以應(yīng)對雙機(jī)器人協(xié)同鉆鉚。由于雙機(jī)器人末端多搭載不同的傳感器，為了在控制系統(tǒng)將單側(cè)檢測信息轉(zhuǎn)化到雙機(jī)器人系統(tǒng)下，作為機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定的基礎(chǔ)，需要對基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定。目前存在快速標(biāo)定法和依賴外界設(shè)備的精密標(biāo)定法[14]，多數(shù)研究集中在快速標(biāo)定法，其標(biāo)定主要利用機(jī)器人之間的接觸或機(jī)器人和規(guī)則形狀體的接觸實現(xiàn)，如四點(diǎn)標(biāo)定法[15]、三點(diǎn)標(biāo)定法[16]及球面、平面接觸法等[17-18]。這些雖然不依賴外界測量設(shè)備，但是精度低，難以滿足航空產(chǎn)品加工需求。

針對雙工業(yè)機(jī)器人協(xié)同自動鉆鉚技術(shù)，采用基于主從機(jī)器人形式的鉆鉚工作流程，針對雙機(jī)器人的協(xié)同運(yùn)動，提出為工業(yè)機(jī)器人編碼，利用Ethernet（TCP/IP）進(jìn)行系統(tǒng)和機(jī)器人之間的信息交互，該模式能實現(xiàn)2臺及2臺以上的工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同運(yùn)動控制，并構(gòu)建了一種深度應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的基于PC的集成控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與其他自動化設(shè)備的集成，結(jié)合電磁鉚接設(shè)備并采用雙側(cè)壓緊方式減小蒙皮層間間隙，抑制毛刺產(chǎn)生，以保證制孔和鉚接質(zhì)量。借助激光跟蹤儀利用單位四元數(shù)法建立了雙機(jī)器人之間的位置關(guān)系，從而能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)檢測信息到雙機(jī)器人系統(tǒng)下的轉(zhuǎn)化。針對上述技術(shù)構(gòu)建了基于雙機(jī)器人飛機(jī)自動鉆鉚的試驗平臺，進(jìn)行了工作流程測試、雙機(jī)器人通信測試以及基坐標(biāo)系標(biāo)定測試，機(jī)器人末端的最大跟隨誤差為8.25mm，最大重合度誤差為0.144mm，因該方法帶來的誤差基本可以忽略不計。

系統(tǒng)組成和工作流程

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由雙機(jī)器人、雙重載擴(kuò)展第七軸、雙末端執(zhí)行器、自動送釘系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)、柔性工裝系統(tǒng)組成，其中雙末端執(zhí)行器上集成電磁鉚接設(shè)備，從而能夠完成雙側(cè)制孔并提升鉚接質(zhì)量，如圖1所示。

系統(tǒng)采用模塊化、層級化配置方式，主要分為上位規(guī)劃層、運(yùn)動控制層、外部感知層3層；上位規(guī)劃層用于接受控制任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和分解，并將任務(wù)分發(fā)到運(yùn)動控制層；運(yùn)動控制層主要實現(xiàn)各運(yùn)動部件的具體運(yùn)動控制，包括機(jī)器人、電機(jī)、電磁閥、電磁鉚接槍等；外部感知層主要實現(xiàn)對外部環(huán)境變化的信息，包括接近開關(guān)、2D線掃描儀、激光位移傳感器等。

2 工作流程

作為完成系統(tǒng)定位的載體，雙機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)是進(jìn)行協(xié)同鉆鉚的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用了一種新型的混合式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人之間本質(zhì)上為分布式機(jī)器人，相互之間無隸屬關(guān)系，隨著加工任務(wù)的改變，動態(tài)地將機(jī)器人分為主從機(jī)器人，制孔機(jī)器人作為主機(jī)器人，另一側(cè)的壓緊機(jī)器人作為從機(jī)器人，利用主機(jī)器人獲取的基準(zhǔn)信息、法向信息對從機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行規(guī)劃，當(dāng)主從切換后對壓力腳進(jìn)行快換以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的部件，進(jìn)而提升制孔和鉚接率，工作流程如圖2所示。

系統(tǒng)通信架構(gòu)設(shè)計

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的通信方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人之間的相互作用關(guān)系，是信息交互的基礎(chǔ)。由于飛機(jī)自動鉆鉚系統(tǒng)對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求都很高，系統(tǒng)采用顯示通信的方式來實現(xiàn)雙機(jī)器人之間的交互。系統(tǒng)通信鏈路和架構(gòu)如圖3所示，采用雙通信鏈路的方式，分別是EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)和Ethernet（TCP/IP）。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of system

圖3 雙機(jī)器人通信組態(tài)Fig.3 Communication configuration of dual-robot

其中，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)主要用于與其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行集成，包括末端執(zhí)行器、刀庫、自動送釘系統(tǒng)等設(shè)備。此外，由于對于機(jī)器人的控制是基于外部自動控制模式下的，為了實現(xiàn)該控制模式，對機(jī)器人的系統(tǒng)變量進(jìn)行更改，該更改基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)和ProfiBus總線實現(xiàn)；Ethernet（TCP/IP）用于與機(jī)器人之間進(jìn)行信息交互，并對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃。

為了保證機(jī)器人運(yùn)動的高度協(xié)同性，本文的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取廣播方式，將上位規(guī)劃層配置為服務(wù)器，所有機(jī)器人端均配置為客戶端，利用地址化方式為機(jī)器人進(jìn)行編碼，上位規(guī)劃層通過編碼識別機(jī)器人端傳回的信息，發(fā)送的信息同時被所有機(jī)器人接受到，機(jī)器人客戶端通過解碼的形式實現(xiàn)運(yùn)動指令的獲取。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)，通信距離長且穩(wěn)定性好。

2 雙機(jī)器人通信測試

根據(jù)圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立上位規(guī)劃層與機(jī)器人運(yùn)動控制端的通信，通過在上位規(guī)劃層程序中使用計時函數(shù)，對雙機(jī)器人端的響應(yīng)時間進(jìn)行測試，機(jī)器人1的平均通信時間為48.14ms，分布在 45～62ms間，機(jī)器人2的平均通信時間為60.76ms，分布在46～78ms間，如圖4所示。其通信時間的差距主要由于硬件因素產(chǎn)生，包括機(jī)器人端響應(yīng)時間的不同和在硬件內(nèi)的通信時長，相較于單機(jī)器人16.6ms，其通信時間雖有一定程度的增長，但最大延時僅為33ms，對鉆鉚效率的影響也可忽略不計，因此能保證較好的協(xié)同性，滿足雙機(jī)器人協(xié)同鉆鉚需求。

雙機(jī)器人協(xié)同定位技術(shù)

由于在飛機(jī)鉆鉚過程中，對機(jī)器人精度要求高，因此需要精確獲得雙機(jī)器人之間的位置關(guān)系，而不借助于外界設(shè)備的快速標(biāo)定法精度較低，因此本文采用激光跟蹤儀結(jié)合單位四元數(shù)法對機(jī)器人基坐標(biāo)系進(jìn)行精確標(biāo)定。

圖4 機(jī)器人響應(yīng)時間Fig.4 Dual-robot response time

圖5 單機(jī)器人基坐標(biāo)系建立Fig.5 Establishment of single robot base coordinate

1 單機(jī)器人基坐標(biāo)系建立

（1）利用激光跟蹤儀靶標(biāo)在基平面上采樣一系列點(diǎn)，擬合出基平面XY_1。

（2）靶標(biāo)固定于機(jī)器人法蘭盤，控制機(jī)器人繞A1軸旋轉(zhuǎn)，采樣一系列點(diǎn)，利用這些點(diǎn)擬合出圓Circ_1，其圓心為A1，過A1圓心垂直于圓Circ_1的直線即為基坐標(biāo)系OZ軸，該直線與基平面XY_1的交點(diǎn)即為基坐標(biāo)系的原點(diǎn)O。

（3）由于機(jī)器人末端一般都有安裝孔，該安裝孔精度很高，利用安裝孔獲得Y向坐標(biāo)為O的點(diǎn)L1，該點(diǎn)在基平面上的投影即為OX方向，利用原點(diǎn)O、OX軸和OZ即可建立基坐標(biāo)系。

2 雙機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定方法

為了建立的位置關(guān)系，由于普通旋轉(zhuǎn)矩陣需要9個元素，且存在奇異，而單位四元數(shù)法僅需要4個元素，因此本文采用單位四元數(shù)法，設(shè)其旋轉(zhuǎn)矩陣Rot與單位四元數(shù)矩陣q對應(yīng)，即

在空間中任意采樣3個點(diǎn)的坐標(biāo)，其在兩基坐標(biāo)系的位置為1pi(1xi,1yi,1zi)和2pi(2xi,2yi,2zi)，將1pi和2pi重心化：

上式中，trace(C)表示C的軌跡，I3為3×3單位矩陣，其中：

求解R對應(yīng)的特征值和特征向量，最大特征值對應(yīng)的特征向量即為單位四元數(shù)矩陣，則其對應(yīng)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣為：

則相對于的位姿變換矩陣為：

3 雙機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定

根據(jù)圖1的系統(tǒng)組成搭建雙機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，以包括兩臺KUKAKR500六自由度工業(yè)機(jī)器人及其30m擴(kuò)展第七軸、雙末端執(zhí)行器、送釘系統(tǒng)等構(gòu)建試驗平臺，如圖6所示。

根據(jù)前文中提到的單機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定方法在機(jī)器人確定站位后，利用激光跟蹤儀在其測量坐標(biāo)系下建立基坐標(biāo)系，任意選擇空間中的3個點(diǎn)建立雙機(jī)器人基坐標(biāo)系關(guān)系。

根 據(jù) 表 1，相 對 于$BASE1的位姿變換矩陣為：

在空間中隨機(jī)選取30個機(jī)器人1所定位的位姿，選取的點(diǎn)其姿態(tài)均固定為（180°, 0 ,180°），根據(jù)上式建立的機(jī)器人1和機(jī)器人2的位置關(guān)系，將機(jī)器人1下的位置轉(zhuǎn)換到機(jī)器人2下，如表2所示。

圖6 試驗平臺Fig.6 Test platform

表1 雙機(jī)器人標(biāo)定采樣點(diǎn)

表2 機(jī)器人標(biāo)定后位置

圖7 雙機(jī)器人標(biāo)定后重合度誤差Fig.7 Contact ratio error of dual-robot after calibration

控制雙機(jī)器人按照表2位置進(jìn)行定位，由于機(jī)器人定位時會耦合機(jī)器人運(yùn)動學(xué)誤差，為了消除機(jī)器人運(yùn)動學(xué)誤差影響，在機(jī)器人完成初定位后，利用激光跟蹤儀測量誤差，根據(jù)測量誤差機(jī)器人進(jìn)行二次定位，使機(jī)器人相對精確地定位至基坐標(biāo)系下表1的位置。

機(jī)器人完成定位后利用激光跟蹤儀對雙機(jī)器人位置分別測量，其重合度誤差如圖7所示，三向誤差和最大為0.144mm，平均誤差為0.109mm，由于該機(jī)器人重復(fù)定位精度為0.1mm，絕對定位誤差在 1～2mm，因此機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定所帶來的誤差可以忽略不計，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的將單側(cè)檢測信息利用基坐標(biāo)系標(biāo)定轉(zhuǎn)化到另一側(cè)。

結(jié)束語

本文通過對雙機(jī)器人協(xié)同的飛機(jī)自動鉆鉚技術(shù)進(jìn)行研究，提出雙機(jī)器人協(xié)同自動鉆鉚工作流程。通過采用一種基于EtherCAT和Ethernet的雙機(jī)器人協(xié)同通信方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的雙機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動，并能擴(kuò)展至多臺機(jī)器人，且系統(tǒng)控制技術(shù)能實現(xiàn)與其他的設(shè)備的集成。利用單位四元數(shù)法結(jié)合激光跟蹤儀對雙機(jī)器人基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，能提有效高標(biāo)定精度。在30m擴(kuò)展第七軸的雙機(jī)器人上進(jìn)行了控制試驗和雙機(jī)器人重合度試驗，控制穩(wěn)定且實時性好，雙機(jī)器人標(biāo)定后重合度誤差小。由于在機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)中機(jī)器人定位精度要求高，因此后續(xù)基坐標(biāo)系標(biāo)定需要結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定進(jìn)行測試，進(jìn)一步驗證其有效。

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