智能制造机器人项目规划

1、智能制造机器人项目规划孔雀团队项目计划书一、项目实施的背景和意义机器人技术是国家的战略支撑技术，尤其针对重型装备大型部件（如飞机，能源开采加工设备、船舶、汽车等）的生产对制造业、国防安全和社会发展至关重要，是当代高端智能装备的突出代表。随着全球竞争的加剧，缩短制造周期、降低制造成本已成为提高产品竞争力的关键，对于生产成本高、生产规模大的大型复杂装备（如飞机、能源开采加工设备、船舶、汽车等）的意义尤为显著。大部件的装配是大型复杂装备设计和制造过程中的关键环节，提高零部件装配质量和效率是大型装备制造企业降低生产成本、缩短交货周期，确保保证产品性能的重要手段。2014年6月9日习近平总书记在中国科学

2、院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会讲话中指出，“国际机器人联合会预测，机器人革命将创造数万亿美元的市场。由于大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同机器人技术相互融合步伐加快，3D打印、人工智能迅猛发展，制造机器人的软硬件技术日趋成熟，成本不断降低，性能不断提升，军用无人机、自动驾驶汽车、家政服务机器人已经成为现实，有的人工智能机器人已具有相当程度的自主思维和学习能力。国际上有舆论认为，机器人是制造业皇冠顶端的明珠，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。”大型重型设备的生产体现一个国家的综合生产制造能力，并且这些大型重型设备生产出的飞机、轮船和重型

3、汽车等，决定着一个国家的民生经济以及军事安全等等，也是国家重大支持的产业。国家在 HYPERLINK /kjgh/sewkjfzgh/ “十二五”科技发展规划中提出“高档数控机床与基础制造装备，实现主机与数控系统、功能部件协同发展，重型、超重型装备与精细装备统筹部署，打造完整产业链。基本满足航天、船舶、汽车、发电设备制造等四个领域的重大需求。” 以及“高端装备制造重点发展大型先进运输装备及系统、海洋工程装备、高端智能制造与基础制造装备等。”广东省的“十二五”规划在促进制造业高级化方面提出推进装备制造业高端化，着力提升装备产业的研发能力，建设一批重大装备项目，在能源装备、智能制造装备、轨道交通装

4、备等方面实现突破。深圳市人民政府关于印发深圳市航空航天产业发展规划（2013-2020年）提出市场需求的日益扩大与高新技术的不断突破带动了飞机、卫星等航空航天产品研制应用，特别是在飞机核心部件、飞机总装集成、机载设备、无人机、通用航空、航空航天技术应用、航天器和运载火箭等领域增长迅猛。深圳市人民政府关于印发深圳市海洋产业发展规划（20132020年）的通知中提出海洋高端装备，重点发展高端海上石油、天然气钻井平台和生产平台，LNG船等特种船舶设施设计与开发。由此可见从国家、广东省及深圳市，都把发展重型装备制造设备和技术作为一个发展重点，而如何提高这些重型装备制造业的生产效率以及精度，也是目前国家

5、迫切需要解决的问题。而在实际装配过程中，由于重型装备如飞机、汽车、轮船所涉及的主要部件大多属于自由曲面，普遍具有外形复杂、体积与重量巨大等特点，因此，机器人智能装配已然成为大型机械零部件制造和装配中必不可少的关键环节之一。1.发展重型装备机器人技术对全国、广东省和深圳市经济发展、以及人民生活水平的提高有重要作用。（1）发展重型装备机器人技术，对国家安全、经济发展和人民生活有重要意义。当前，我国的机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。我国机器人产业的市场占有率仍然偏低。机器人尤其是重型装备制造机器人很多核心技术，目前我国尚未掌握，这是影响我国重型装备制造产业发展的一个重要瓶颈

6、。因此在高效率、高精度的飞机装配、船泊装配等重型装备装配方面，需要开展研究从而建立出适合重型装备的智能机器人装配平台，这也为深圳市掌握重型装备装配技术，使未来成为飞机、船泊等重型装备的装配基地提供支持。（2）发展重型装备机器人技术，对广东省/深圳市产业结构的调整、劳动力市场的变化，有重要意义。改革开放30年，广东省以及深圳市一直是我国经济发展的“排头兵”，取得的成绩是激动人心的。深入分析这些成绩，现实国情是我国虽已成为世界第一制造大国，但制造业多处于国际产业价值链的中低端，产品技术含量和附加值不高，总体上“大而不强”，主要还是以劳动密集型企业为主，通过低成本的人工以及大批量的生产规模，通过低成

7、本策略来占据市场。而目前这种产业发展的模式越来越不适合目前我国经济尤其是广东省/深圳市的经济的进一步增长。随着我国人工成本的增长，以前通过低成本人工生产来获取生产利润的方式，由于技术入门门槛低，需要更低的人力成本，所以很多生产基地已转至人力成本更低的地区,如越南、柬埔寨等国。而重型装备的装配往往需要大量的工人，而如果解决不了机器人智能制造问题，则当广东省及深圳市发展这些产业的时候就需要大量人力，这会提高整个产业的生产成本，并且也不利于广东省企业转型。就全国而言，为了突出广东省及深圳市在技术、管理经验以及对外交流方面的优势，而克服由于人力成本高的劣势，通过在重型装备生产流程中引入机器人是最好的解

8、决途径，同时也为全国高新技术生产产业的发展带来一种新的模式。2.发展重型装备制造机器人技术，对深圳市机器人高层次人才培养有重要意义。（1）建立跨多学科新型机器人研究人才队伍。人才是发展一个行业的重中之重，机器人产业也需要大量的人才。机器人作为一个融合多学科的综合技术行业，也需要建设跨多学科的人才梯队。机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。本团队具有来自多个学科方向的技术开发人员，从而为开发本项目提供人才支持。同时通过本项目的开展，培养出具有多学科背景的人才，从而使各种机器人相关技术得到较好的融合，最终推动机器人产业的发展。

9、（2）为深圳市培养一批机器人领军人才。本项目是以国际机器人学领军人才为核心，老中青相结合的研发创新团队。机器人领军人才总能站在机器人发展和变革的最前沿，具有很强的预见和创新能力，所以通过领军人才确定出机器人发展的新方向， 同时在此项目执行过程中，培养和造就一批在机器人学方面具有世界水平的科学家、高水平的科技领军人才和工程师、为提高深圳市机器人产业自主创新能力、建设创新型城市提供有力的人才支撑。3.发展重型装备制造机器人，将推动重型装备制造水平和产业的发展。重型装备大部件的生产需要强大的计量手段支撑，除了使用传统的工装卡具定位方法对产品进行检测外，也越来越多地使用便携灵活的大尺寸空间坐标计量设备

10、对产品装配过程进行质量控制。这些基于空间坐标的计量设备通过获取产品的坐标信息来实现对产品质量的评定。激光跟踪仪、激光雷达、摄影系统、结构光视觉系统、室内GPS 系统等便携式大尺寸空间坐标计量设备及技术尽管各有特点，但依然是通用设备和检测技术，能够在一般的环境条件下满足大多数零部件的常规测量，但在非常规状态下，通用的测量方案无法满足要求。航空、汽车等领域的总装装配技术经历了手工、半自动、自动装配到数字化柔性装配的发展历程，20 世纪 90 年代初，数字化装配、柔性装配、自动化装配等名词已经成为航空、汽车等领域的热门。国内航空企业通过“九五”、“十五”期间对国外先进工艺技术的跟踪学习，在自动化装配

11、技术方面取得了一定成果，如：自动化制孔和铆接、自动化定位及检测等，在民用飞机研制生产中采用了自动化装配技术。 新型产品的结构形式发展对装配工艺设计、定位、装夹和连接技术提出了很高的要求，自动化柔性装配技术集成应用了工序管理、定位调整、数字化测量、自动控制、先进连接等技术，是产品先进制造技术的发展方向，对于提高制造质量，缩短研制周期，提高使用寿命，降低成本具有重要意义。由于重型装备产品（飞机、船舶等）的小批量研制等生产特点，在总装装配技术方面一直处于落后地位。国内大部分航天企业仍然采用最原始的手工装配作业模式进行生产，在数字化、自动化水平飞速发展的现状下其对接装配工艺手段已经难以适应新形势的发展

12、。团队带头人在工业机器人在制造自动化方面的应用有很多的经验，并在大工件的检测和装配方面积累了丰富的经验。有关大工件制造的论文“A High-accuracy 3D Projection System for Fastener Assembly” 获得“IEEE International Conference on CYBER Technology in Automation, Control and Intelligent Systems” 优秀论文奖。团队带头人和福特汽车公司及ABB公司有很多的合作。和开发的几个技术都在工业制造中得到应用并取得了极大的经济效益。 他发表了论文100 余篇，

13、申请发明专利10 余项（包括国际发明专利），具备了自主技术构成的科研创新能力，研究成果发表在国际国内著名刊物如IEEE Transactions on Industrial Electronics,IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，及相关IEEE 国际会议上。团队带头人在工业和学术界的丰富经验，为开展本项目研究工作奠定了良好基础。二、与国内外同类技术的综合比较1.重型装备制造机器人技术的研发现状飞机、汽车、轮船等大型设备制造业对于大型机械（零）部件之间的对接装配要求，主要体现为：根据设计要求将各大机械部件实施准确、快

14、速、自动对接最终组合成一个整体。这其中所涉及的工作原理相同，测量手段基本一致，操作过程相仿，因此，为了使大型机械部件对接问题更加明确，现以飞机大部件对接为例进行说明，其他大型机械部件对接问题均与此类似，将不再赘述。飞机不仅是大众的空中交通工具，更是保障国家利益，捍卫大国地位，带动国民经济发展，促进科技发展的重大战略装备，它是体现一个国家科技水平、工业水平和综合国力的标志性工程。飞机产品极其复杂，它具有严格的外形气动要求、内部结构繁杂、涉及专业面广、空间十分紧凑、各类系统布置密集，以及零部件数量巨大等特点。飞机研制涉及的学科领域广、产品质量要求高、技术难度大、管理工作复杂，其中飞机装配的劳动量很

15、大，约占整个飞机制造劳动量的40%-50%，且周期较长。所以，飞机装配是飞机制造环节中极其重要的一环，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期，是整个飞机制造的龙头、关键和核心。为保障飞机的装配质量，在飞机装配过程中需采用大量尺寸大、结构复杂的装配型架，用来定位和装夹零部件。装配型架不仅要对工件起定位和固定作用，还要保证零件和装配件的形状，以及避免或限制装配过程中产生变形。因此，装配型架的制造和安装准确度，对保证飞机的装配准确度有着十分重要的影响。近年来，随着激光测量技术、无型架装配技术、柔性工装技术自动化装配技术的飞速发展，将飞机装配技术推向了一个新的高度经济、军事发达国家对飞机装配

16、技术十分关注，投入巨资研发基于数字化设计、制造、测量和控制的飞机自动化装配技术，并且在实际应用中取得了举世瞩目的成就。准确地说，飞机数字化装配技术是基于数字化标准工装的协调技术、数字化模拟仿真技术、激光跟踪测量技术、数字化定位技术、协同控制技术等多种先进技术的综合。它纠正了传统飞机装配工艺技术的缺点，可以尽量减少各种专用工装和夹具，增加装配工装的通用性，降低工装制造成本，减小装配工作应力，实现数字化自动装配，缩短工装准备周期，并且可以一目了然地评估生产状况进而减少生产过程中的库存，大幅度提高飞机的装配质量和效率。目前，我国的飞机数字化装配技术正处于起步阶段，我国的飞机装配工装主要依靠经验和类比

17、进行设计，工装设计欠合理，整体水平相对落后。与西方先进的航空制造企业相比，我国的飞机装配工装数目多、结构笨重、制造周期长、成本高，存在不同程度的刚度不足和刚度过剩的问题，严重阻碍了产品装配质量的提高和飞机制造业的进一步发展。因此，研究飞机数字化装配工装的系统设计是提高我国飞机数字化装配水平的关键。飞机数字化装配技术发展现状：国外发展现状目前，发达国家都在大力研究和发展飞机数字化装配技术。以美国为代表的航空制造强国，以波音公司为代表的航空企业，在飞机数字化装配技术领域投入大量精力并取得了显著的成果。90年代初，波音公司的在飞机制造史上首次釆用无纸化设计，运用了数字化预装配技术、产品数据管理技术。

18、同样也是波音公司率先尝试并改变传统的飞机装配方法，通过大量釆用自动化装配站实现了柔性装配，最终发展成移动生产线，使飞机装配技术发生了根本性的变化。波音在研制“绿色”环保客机时，釆用了全新的全球协同环境平台，在装配过程中，则大量使用了柔性化、数字化工装，以适应飞机设计不断变化的需求，大幅度减少了因飞机设计改变而导致工装的重复设计和重复制造，加快了飞机研制的进度，也降低了飞机研制的总成本；同时釆用室内测量系统监视在装配空间内任意目标的位姿也大幅度地提高了装配效率。洛克希德马丁公司在研制战斗机时，采用了移动装配生产线，实现了前机身的装配和总装。该装配生产线采用了大量的数字化工装，通过激光准直测量系统

19、和电机运动控制系统的协同工作，实现了部件姿态调整和对接。这些技术的成功应用为其他各国研究和发展先进的飞机装配技术提供了有益的借鉴。随着计算机控制技术、网络技术、数据库技术、精密加工技术、精密测量技术、机器人技术、技术的快速发展，国外飞机数字化装配技术取得了飞速的发展，并表现出以下一些特征：（1）以数字化、柔性化工装代替传统型架，一套柔性化工装可以适用于多种机型，可在飞机研制和改型的过程中大大减少型架的数量，从而降低了工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高装配生产率。（2）自动化程度大幅提高，在飞机壁板装配中，自动制孔、自动钻铆等技术得到越来越广泛的应用，工业机器人、数控加工中心等自动化

20、设备也不断投入到装配生产线中，提高了飞机装配精度和质量。（3）随着网络技术、接口技术的成熟与发展，数字化装配系统的网络化与集成化程度也不断提高，多设备、多系统的集成和网络化通信，保证了飞机装配的协同性和高效性。国外的先进装配技术主要集成融合了计算机技术、自动控制技术、机器人技术、先进测量技术、网络技术等众多先进科技，体现了装备制造技术的最高水平。但是，由于国家战略和政治等多种因素，国外的先进装配技术始终对我国实行严格的封锁和保密。国内发展现状目前，国内飞机部件装配和总体装配基本都采用传统的装配方法，利用大量型架来对飞机零部件进行定位与固定。由于所釆用的型架存在制造误差，且待装配的飞机部件也存在

21、制造误差以及前期的定位与变形误差，导致飞机部件上装配好的接头与型架上相对应的定位接头不能准确的匹配，对接装配的协调性较差。在这种情况下，传统的装配方法难以釆取有效的调整措施，往往需要采用强迫定位的方法。而强迫定位会使装配过程产生装配应力和变形，当装配完成，飞机部件与型架分离后，飞机部件可能会产生变形回弹，进而影响了飞机的外形准确度。而且传统装配方法中，部件的调姿与对接以及钻铆等工作全部由人工操作来完成，自动化程度低，装配质量不稳定。近年来，我国航空企业开始与西方航空制造公司开展合作，转包生产了波音和空客公司的飞机零部件，与麦道公司合作生产了型飞机，并与空客公司合作在天津建立了总装线。通过与国际

22、先进航空企业合作，国内航空企业开拓了视野，学到了一些先进的飞机装配技术、方法和理念。但是由于飞机装配技术涉及多项机密，国外公司往往对核心技术进行封锁和保密，我们并不能学到最先进的飞机装配技术，如在天津建立的装配线其实是国外淘汰的、落后的技术装备。目前，我国的飞机数字化装配技术尚处于起步阶段，数字化装配控制、测量和集成管理系统等应用还不广泛仍大量采用传统型架进行人工装配，装配的自动化和柔性化水平较低，数字量协调也未能应用于飞机整个装配过程，面向装配的设计理念还未形成共识工业机器人在飞机装配的应用工业机器人目前多数用在机器制造业中，其中汽车制造业、电气制造业以及机床制造业等用的相对较多。近年来，随

23、着机器人的位置精度和负载能力的提高，以及位置和刚度补偿技术、实时仿真技术、离线编程工具、软件技术的发展，促使机器人可作为一种高效的平台，结合不同的终端执行器和测量等子系统，便形成了各种不同的机器人柔性自动化系统。这种系统灵活性高，对产品的变化适应能力强，一套机器人柔性自动化系统可满足多种产品的要求，成本也大幅降低，所以受到了航空企业广泛的关注和研究应用。现在，机器人技术已在飞机大型零部件的自动钻柳、复合材料加工、自动化装配、激光燁接等工艺中得到较广泛的应用，并已开始显现良好的经济效益。其中，机器人自动制孔技术在航空制造领域已经获得了广泛的应用，发展水平相比于其它机器人技术已较为成熟。如、等飞机

24、的梁腹板，波音F/A-18E/F超级大黄蜂后沿襟翼，F-35飞机机翼上壁板，波音B-747、C-17等飞机的机舶：地板，A380机翼壁板等均釆用了机器人自动制孔技术。图1中的机器人正在对机身进行装配操作图1 机器人飞机机身装配操作本项目申请人陈和平和清华大学合作，开发了高速大工件装配技术。 研发了高速图像处理技术, 该技术实现了实时三维检测和建模。极大地提高了大工件的快速定位及零件安装的效率。大工件的对接一直以来是一个难题，因为大工件对接的精度远超过一般工业机器人的精度。为解决此难题，我们正利用高精度的测量技术和高精度定位技术来实现大工件的装配。三、项目主要研究内容本项目主要研究重型装备制造机

25、器人，包括航空航天装配机器人， 高铁装配机器人和大型机电设备的总装机器人，系统的研发和产品化。主要的研究内容包括：自动高精度对接系统，复杂零件标识系统，自动装配系统和自主检测系统。1. 自动高精度对接系统研究以及产业化（1）研究内容针对重型装备制造的对接装配问题，研发一套机器人自动化对接系统：系统在结构上采用串联机器人结合保型工艺托架作为大部件的调姿平台，并辅以全向移动平台切换装配工位：大尺寸部件的位姿测量则采用激光跟踪仪、工业相机等多种传感器实现不同阶段的对接任务。具体内容包括：机器人对接系统研究利用智能机器人实现智能对接系统来代替大型的固定装配型架，主要包括计箅机控制的自动化定位系统、激光

26、和工业相机测量系统和 HYPERLINK /control_system/ o 控制系统 t _blank 控制系统组成一整套自动对接平台，并应用智能工业机器人在对接部位进行调姿和实现精确定位。调姿系统标定由于重型装备部件（如飞机部件）尺寸大、工艺刚度较小，而定位精度要求高，为保证部件的装配质量，通常要求调姿工装具有足够的刚度与定位精度。但但由于重型装备部件重力等因素的影响，会导致调姿工装与部件的形变，从而影响装备质量。因此需要研究调姿系统标定，建立重型装备部件调姿工装的设计参数与部件变形、调姿工装定位精度之间的关系模型，进而指导调姿工装的设计，能够实现缩短调姿工装研制周期、提高重型装备部件装

27、配质量的目标。粗调姿过程规划研究粗装配过程中，机器人结合初始标定数据和激光跟踪仪的在线测量信息，调整大部件的位置和姿态，完成多个叉耳接头与耳片接头之间的平面插配过程，实现大部件的初步对准装配。精调姿过程规划研究机器人在该阶段依据工业相机对多个叉耳接头的孔位偏差信息的测量反馈，完成多组叉耳接头与耳片接头销孔轴心的精确对准，从而实现大部件的精确定位装配。（2）关键技术与创新采用串联机器人原理来研发6自由度调姿平台，解决大工件的调姿问题。开发多回反射器方法，解决多工件及传感器之间的坐标关系。开发符合调姿平台机器人的位置和姿态的最优调整方案。（3）自动高精度对接系统技术实现构建出调姿机器人平台，并拟采

28、用以下方法解决大工件对接所面临的问题。机器人自动对接系统实现。大部件自动化对接系统采用了串联机器人加保型工艺托架结构形式，这样保证了调姿机构的灵活性和调姿范围，同时避免了多机器人或多支撑点之间运动协调误差对大型部件表面的影响，使得调姿更加稳定、可靠、不易变形。 对接系统装配机器人设计机器人采用3P3R型串联结构，前三个直线移动关节由精密滚珠丝杠传动，实现大部件的大范围平动，后三个旋转关节采用结构紧凑的方块形式依次连接在一起，实现大部件的姿态调整。在机器人末端安装有工艺托架，工艺托架上布置多个保型托块，每个托块具有与大部件的表面相贴合的型面和防滑帆布，实现托架与大型部件之间的稳固支撑和摩擦固定。

29、装配机器人通过调整保型托架的尺寸和外形，可适用于不同型号的大部件的装配任务。图2装配机器人的机械结构和硬件框架全向移动式对接平台设计全向移动平台由1个无线手持操作器、4个橡胶全向移动轮、承载平台和8个电动伸缩支撑组成，用于固定和承载机器人的机械本体、控制柜及操控台等主要部件。全向移动轮之间可利用不同的速度组合驱动全向移动平台完成前、后、左、右、正转和反转等操作，实现自动对接系统的大范围平动。当需要切换装配工作站位时，使用手持操作器升起所有电动支撑，然后操作全向移动平台运动到合适的工位，到位后将电动支撑降下至所有全向轮悬空，即可为装配操作提供稳固的承载基座。图3 全向移动平台调姿系统标定在重型装

30、备装配过程中，装配精度则是衡量机器人操作的一个重要指标，因此机器人的标定是一个必不可少的步骤，即利用先进测量手段辨识出描述机器人关节运动关系的精确参数，从而获得更高的定位精度。本项目针对一种大型重操作载机器人的标定问题展开研究，利用激光跟踪仪完成了机器人的运动学标定以及机械变形分析，在此基础上对运动学进行了补偿。使用Leica AT901-B激光跟踪仪作为测量设备完成了运动学标定实验，该设备能在2.5m5m10m测量范围内取得10um+5um/m的测量精度，满足机器人标定的精度要求。如图7所示，固定于机器人末端工艺托架上的3个靶球座是工具坐标系的标志点，最外侧点也可以作为CPA方法中空间圆的测

31、量点，同时测量3个标志点则可以得到工具坐标系的位姿信息。图4 标定实验示意图由于在制造和装配阶段引入的几何误差对机器人的运动学影响较大，使用CPA方法这种几何标定方法能够反映出机器人各个关节的实际几何关系，而基于误差传递方程或数值拟合的参数辨识方法则对初值较为敏感，当部分初值未知或初值不准确时往往难以得到收敛的结果，这也体现了CPA方法的优势。由于重载操作造成了整个机器人的部分机械结构的变形，将机器人各关节运动到零位，然后使用激光跟踪仪分别测量加载前后各个位置的坐标变化，通过分析机器人运动学参数的理论值与测量值之间的偏差，对结构变形导致的位置和姿态误差进行补偿。粗调姿过程规划具体实现在粗装配过

32、程中，机器人结合初始标定数据和激光跟踪仪的在线测量信息，调整大部件的位置和姿态，完成多个叉耳接头与耳片接头之间的平面插配过程，实现大部件的初步对准装配。在装配系统标定阶段，利用激光跟踪仪和T-Probe依次测量所有叉耳的销孔端面和圆柱面，可得到叉耳销孔的中心点，作为叉耳标志点，分别记作F1，F2，Fn；同样的方法可依次测量得到对应耳片的销孔中心点，作为耳片标志点，分别记作E1，E2，En。令fTe表示由叉耳标志点集变换到耳片标志点集的位姿匹配矩阵，则Fi与Ei之间的映射关系可表示为：（1）式中，R为旋转矩阵，P为平移向量，i为误差向量。利用SVD算法可求得使i取值最小的R和P.在自动对接系统中

33、，记激光跟踪仪坐标系为Cl，机器人基础坐标系为Cb，大部件坐标系即工具坐标系为Ct，叉耳坐标系为Cf，耳片坐标系为Ce，则大部件对接之前，不同坐标系满足以下关系：（2）式中，lTb可在系统标定时测得，bTt表示机器人当前的运动学，fTe,0可由式（1）得到。当对接接头初步对准时，叉耳坐标系与耳片坐标系重合，应当满足fTe,final=I，此时不同坐标系之间位姿关系为：（3）联合式（2）、（3）可求得粗装配阶段时机器人装配运动最终的目标位姿bTt,final。基于上述分析和实际操作的需求，粗装配阶段的具体运动规划可分为三步：1）只改变机器人的旋转关节位置，调整待装配大部件至最终姿态；2）只改变机

34、器人的移动关节位置，调整待装配大部件的叉耳接头至过渡位置，该位置由机器人的最终位姿沿耳片端面平面向机器人侧水平平移一定距离得到；3）运动机器人的移动关节，调整叉耳接头由过渡位置至粗装配的最终目标位置.精调姿过程规划具体实现机器人在该阶段依据工业相机对多个叉耳接头的孔位偏差信息的测量反馈，完成多组叉耳接头与耳片接头销孔轴心的精确对准，从而实现大部件的精确定位装配。精装配阶段，使用工业相机测量对接接头的孔位偏差，结合多组二维孔位偏差信息可得到待装配部件与基准部件之间的六维位姿偏差信息，据此对大部件位姿进行微调，实现对接接头的精确对准。 图5 相机平面内的孔位偏差在装配系统标定阶段和精装配阶段测量得

35、到叉耳和耳片的销孔中心在相机平面的位置（见图5），分别表示为Pi和Pi. 图像坐标系与叉耳坐标系的尺度变换关系可由小孔的直径除以实际成像对应的像素值得到，故可以由相机平面的像素偏差（ui ,vi）得到实际孔位的位置偏差（Xi ,Zi）。每个叉耳对应的子坐标系记为Cfi，每个耳片对应的子坐标系记为Cei，对应的叉耳与耳片的孔心偏差记为Pi（Xi ,Yi , Zi）,则叉耳与耳片的孔心位置则满足：（4）式中，表示在叉耳子坐标系下孔心的位置，如将叉耳子坐标系的原点定义为孔心位置，则；表示子耳片坐标系的原点在耳片坐标系下的位置。令表示叉耳坐标系与耳片坐标系之间的位姿偏差矩阵，则式（4）可简化为： （5

36、）考虑到经过粗装配阶段后，叉耳与耳片坐标系的位姿偏差较小，T可表示为： （6）式中x、y、z、x、y、z分别表示X、Y、Z方向的微小位置和姿态偏差.将式（6）代入式（5），得到线性方程组，其中x、y、z、x、y、z和Yi均为未知数。如果用n个工业相机测量叉耳与耳片的孔位偏差，则可得到3n个线性方程，共有6+n个位置变量。当n3时，方程组可求解出T。利用上述分析得到的姿态偏差矩阵T，结合式（2）、（3）求出机器人装配运动最终的目标位姿，从而实现精装配操作的运动规划。2. 复杂零件标识系统研究以及产业化（1）研究内容飞机、轮船等大型机械设备的装配有尺寸大、形状设计复杂、零件数量庞大和装配作业范围大

37、的特点。在传统装配安装过程中，需要花费大量精力在零部件的标示和确定工作上。一种快速准确的零件标示系统能够帮助安装工人快速标示零件，减少人工误差，缩短装配时间，最终缩短生产周期。本研究旨在研发一种利用视觉检测装配件，并将结果与CAD模型匹配，从而自动标示零件，快速在线提供零件信息的零件标示系统。具体内容包括：高精度测量系统研究基于结构光的高精度三维测量系统。主要包括开发快速、高精度的测量硬件系统，测量系统的快速标定方法，和点云计算算法优化。优化CAD模型的处理针对装配现场对于CAD模型图纸的查看与查询要求，研究CAD模型处理的优化方法，包括自适应动态优化方法和CAD模型文件的编排及关联方法。点云

38、和CAD匹配系统研究三维测量点云与CAD模型的匹配方法。包括多点云数据的拼接、定位，特征信息提取和点云与CAD的自适应匹配方法。（2）关键技术与创新1）大尺度、高精度的快速结构光三维测量技术，解决大尺度复杂形状的自动检测问题，缩短零部件信息的检测时间。2）基于优化的最临近点迭代算法的点云与CAD模型的匹配算法，实现大型装备复杂零件的识别系统，快速提供零件识别信息。（3）复杂零件标识系统技术实现及产业化针对以上三点研究内容，拟通过以下技术路线实现复杂零件标识系统，并通过具体实现产业化。开发针对大尺寸装备的三维结构光测量系统。利用高精度光学设备和嵌入式设备开发高精度光学三维测量系统，同时开发相应的

39、测量计算软件系统，以及快速标定系统，形成一套完整的三维测量单机系统。投影仪和摄像机成一定角度放置，投影仪投影光栅条纹至被测物体表面，CCD摄像机拍下变形的光栅图像，用于三维坐标求解。空间点的三维坐标应该满足两个条件：1）位于 CCD 的小孔成像和透视变换确定的直线上；2）位于灰度线所在的垂直于投影仪的平面上。利用摄像机拍摄的二维图像的上像素点的像素坐标和图像二维坐标与被测空间点的三维世界坐标的转化关系（包括平移矩阵和旋转矩阵等），可以获得一条通过图片像素点的直线。从摄像机获取的被调制的条纹图像解相后，把相位灰度图分成一系列的灰度线，从摄像机的灰度线可以反算求得投影仪对应的垂直平面。CCD 相机

40、的像素点对应的直线和投影仪相位的投射平面的交点，即为被测点的三维坐标。如图所示。图6 扫描成像结构原理图目前,实时三维测量系统的方案有非常多种,比较常用的系统有:基于ARM的处理系统、基于DSP的处理系统和基于FPGA的处理系统。ARM的主要优势体现在控制方面,其事务管理功能非常强大,可以用来跑界面以及应用程序等;DSP的优势主要是处理速度非常快和数据处理能力非常强大,所以大部分用来进行加密和解密、调制解调等计算数据;而FPGA可以反复进行编程操作,灵活性非常强,尤其是当电路的改动比较少时,FPGA的现场可编程的优势就更加的明显,因此可以充分地利用FPGA的这一特点来进行电子设计幵发和系统的维

41、护。由于FPGA自带丰富的片内资源,甚至有DSP和单片机的软核,所以一般用FPGA就可以实现DSP和单片机所实现的功能。结合三种测量系统的优劣势,经过综合考虑本项目中的要求,于是本系统暂定基于FPGA的处理系统。图7 基于FPGA的三维测量系统框图图8 三维扫描检测单机系统硬件构成开发基于多三维测量机的分布式列量阵列系统。研究多个三维测量机的分布规划方法，提出多机并联的联合标定方法，实现任意尺寸的在线并联测量系统。中小型测量物体可以采用回转式的测量平台进行测量，即单机多次的测量。对于大、超大工部件，由于受到尺寸制约，通常没有满足尺寸要求的回转平台，并且在装配现场也不能够对工件进行位移操作。采用

42、分布式的测量方法基本步骤如下：图9 分布式三维测量系统根据待测零件的三维CAD模型，以及所选用的三维测量仪的规格，利用计算机辅助模拟多三维测量仪测量覆盖范围，优化多三维测量仪的空间布局，在保证完全覆盖待测工件的同时，尽可能的减小空间覆盖冗余，以便达到减少测量成本，提高测量效率的目的，按照规划搭建测量平台，同时对多机位进行单机标定，以及联合标定。研发面向装配过程的CAD模型处理优化方法及策略。针对装配现场的装配和测量要求，自适应的优化处理CAD模型图纸，智能提供CAD模型的关联信息。其主要步骤：根据装备现场工装进程，检索装配过程所需的CAD模型与图纸，分析装配和测量要求，对CAD模型信息按照重要

43、性等级分类，建立索引，关联相关CAD模型信息，建立CAD模型信息互联数据库。点云匹配与匹配结果投影。根据所提出的点云与CAD模型匹配算法，将点云与CAD模型由粗匹配到精匹配，最后将匹配结果通过投影等方法智能提供个现场安装工人或安装机器人，实现大型复杂零件标示系统。通过以上第1）和2）的实现，首先将采集到的点云进行多机粗匹配，然后确定工件点云与CAD的确定位置关系，最后根据现场零件表面结构信息，反求投影图像，最终将零件标示信息直接投影到零件表面。图10 零件标示的点云匹配过程3. 自动装配系统研究以及产业化（1）研究内容1）建立高精度视觉系统，针对机器人在装配大部件生产过程中，充分利用机器人工作

44、环境和装配零件的先验知识，研究具有良好工作效率和稳定性的机器视觉自主装配系统，从而有助于机器人实现自主装配。2）建立力控制装配开发系统，实现一个机器人轴孔装配柔顺控制研究平台研究。研究当机器人末端固定轴碰到安装孔周围的倒角时, 通过分析机器人末端六维腕力传感器的反馈数据,计算出孔的柔顺方向中心；并研究根据获得的柔顺方向中心采用合适的控制策略，从而实现轴孔的成功装配。3)研究基于多传感器信息融合的智能装配系统，机器人自主装配过程中，只依靠单一传感器的信息，无法获得足够精确的信息。因此需要研究在机器人上加装多种传感器信息并建立其融合模型，从而利于机器人能获得更加精确信息并通过相应的控制算法，实现机

45、器人自主装配。（2）关键技术与创新1）机器视觉的装配技术关键在于机器视觉识别定位的精度以及装配系统协调动作的一致性，因此在此过程中需要研究一套高精度的机器视觉装配系统，本课题研究一种基于3D测量技术的机器视觉系统，同时为了满足实时性研究出一套高性能的实时机器视觉计算方法。2）基于力传感器轴孔装配的关键在于插孔前的寻孔准备阶段和插孔过程的位姿调整阶段，在此过程中需要根据力的大小和方向，获得当前机器人执行端所处的状态，在此过程中由于数学模型不容易建立，所以采用机器人学习建立出力信息和孔径位置的关系模型。3）研究基于机器视觉和力传感器并结合3D测量距离信息，建立出针对机器人自主精确定位装配的多传感器

46、信息融合模型，并在此过程中提出新的智能装配技术。（3）自动装配系统技术实现及产业化1）搭建机器人自主装配硬件平台，机器人选用ABB公司的机器人，并在机器人操作端加装力矩传感器、高精度摄像头以及3D测量系统。 图11 机器人自主装配系统2）在机器人安装高精度的摄像头，并构建3D测量系统，使机器人能够快速的根据大部件表面特征进行定位，并能进行精确定位。使用摄影测量学进行3D位置辨认。整个系统结合来自几台摄像机系统的信息，以极其高的精确度和速度确定任何空间内大件物体的位置。它的功能包括识别整体的大部件装配面，机器人可以借助视觉以六个自由度辨认某一位置的各种变量。 图12 3D位置辨认系统 构建3D结

47、构光测量系统，实现精确的3D位置及形状匹配，从而在能使机器人自主准确的接近装配点，并在装配过程中通过结合获得的力矩传感器信息，实现机器人自主装配。 图13 3D测量系统测量系统适用于操作距离从1500mm到100mm，可用作多传感器系统，高达0.01mm的测量准确度，紧密的构造形式，因而容易组合到机器人中去。在进行机器视觉处理过程中，选择中值滤波算法对采集图进行平滑处理，利用最优化阈值分割算法进行图像分割，利用基于二值化图连通域的边缘检测方法，既利用了阈值分割的结果，避免了对大量非目标区域的边缘检测，又提高了检测的速度。同时在算法实现过程处理矩阵运算时，利用GPU并行技术从而提高算法的实时性，

48、满足实时装配的要求。3）针对机器人建立了一个相对开放的机器人力柔顺控制平台，当机器人末端固定轴碰到孔周围的倒角时,通过程序分析机器人末端六维腕力传感器的反馈数据,进而判断孔的柔顺中心方向。利用运动学反解方程计算机器人下一步执行动作的各关节电机角度,不断调整机器人位姿,使轴可以顺利插入到孔中。 图14 力装配示意图 在装配过程中通过利用贝叶斯优化方法对装配过程中的参数进行优化，从而机器人装配的效果接近最佳。4）在装配过程中，把机器人上的视觉信息和力信息结合起来，从而能得到更精确的装配位置信息和状态，采用支持向量机方法对这两方面信息进行融合。首先，通过一些样本数据利用支持向量机方法通过多次训练得到

49、融合模型，然后可通过融合模型对力信息和视觉信息进行融合并指导装配过程，在装配中设计装配效果的评估模型，若利用训练好的融合模型的效果不好，可对融合模型进行在线更新。4.自主检测系统研究以及产业化（1）研究内容无论在产品生产阶段还是投入运行后，大型设备的检测都至关重要。各类铆接件，焊接件的疲劳检测都关乎到产品的安全问题，应当尽早的发现这些损坏。然而传统人工检测存在着人为误差、效率低下和人力成本高的问题。本研究旨在开发一种搭载裂缝检测设备的爬行机器人，以代替人工完成大型设备产品的检测工作。具体内容包括：检测机器人的开发研发一种低成本爬行机器人，包括爬行机器人的机械结构研发和机载电涡流探测器系统的开发

50、，和检测使其能够在大部件上自主爬行移动并执行检测任务。检测机器人的自主导航研究爬行机器人在大部件上的自主移动和导航，包括自主姿态调整与导航，和基于给定检测目标的TSP路径规划问题。检测信号的处理研究基于电涡流信号的无损检测信号处理算法，并在相应的爬行机器人计算平台上实现处理算法。（2）关键技术与创新1）开发一种稳定、自平衡、轻量级的双足爬行机器人，使其能够满足攀爬复杂形面的功能。2）根据CAD数据提出一种Find-Crawler-TSP算法，给机器人导航提供一种最优化的执行路径。（3）自主检测系统技术实现及产业化1）研发一种能够在机体表面爬行的攀爬机器人。采用TI2400系列DSP作为运动控制

51、芯片，直流伺服电机驱动机械足各个关节，搭载板载触觉压力传感器用于吸盘控制。首先开发机器人的机械本体。所设计的爬行机器人是由一种欠驱动的机械结构实现的平衡系统。它有两个足部机构支持，足底的吸盘结构可以使得机器人能够在较光滑的表面上行走。控制系统的设计，其运动控制系统采用TI TMS320LF2407 DSP芯片。每个足都有三格关节通过直流伺服电机控制。开发其传感系统。板载的触觉和压力传感器可以检测吸盘的压力，以反馈给控制系统。所涉及的爬行机器人重量约在450克左右，高90mm，宽50mm，如图15所示。图15 爬行机器人样机2）开发基于电涡流传感器的裂缝检测装置。采用Flat Geometry

52、Remote Field Eddy Current (FG-RFEC)技术作为检测探针。开发相应的数据采集硬件系统，并肩数据处理算法在机器人板载芯片上实现。下图左图所示的是EDI方法的原理示意图。它主要由有两个线圈构成。主线圈，也叫做驱动线圈，将电涡流信号发射给待测件，接收线圈将检测到相应的涡流信号。当有裂纹时，这个接收信号会发生扰动，从而可以判断是否有内部损伤。根据该原理，设计开发体积重量小的电涡流传感器，以便安装到爬行机器人上。图16 FG-RFEC工作原理与实物图3）研究攀爬机器人的路径规划算法。首先根据待测位置将规划问题模型化为TSP问题，利用图方法分割并确定线段顺序，然后进一步确定最

53、短路劲。在Stein&Wagner的Find-MBTSP算法的基础上，考虑到本项目的应用背景，将其做如下改进：将S&W算法中的不完全图的假设改为完全图，将路径分割，分为若干子部进行途径规划，减小计算的复杂度。最后在得到最优路径后，将路径与工件实际地形匹配，生产导航路线，由机器人自控制进行零件的检测。图17 爬行机器人工作路径确定及优化四、项目预期目标本项目预期获授权发明专利5项、实用新型专利10项、国际专利3项；参与制定行业与企业标准3项；预计发表SCI和EI收录论文30篇。撰写专业著作2部；形成产业新产品5种；培养高端研发和技术人才50余人，其中博士后10余人。本项目的实施将推进全国、广东省

54、以及深圳市机器人技术，并形成一批具有一定规模集机器人设计、开发和生产的高新技术企业，从而推动深圳市机器人产业的发展，并作为深圳市经济发展新的增长点，促进深圳市经济发展。在本项目的开发过程中，主要研究重型装备制造机器人，包括航空航天装配机器人， 高铁装配机器人和大型机电设备的总装机器人，系统的研发和产品化。主要的研究内容包括：自动高精度对接系统，复杂零件标识系统，自动装配系统和自主检测系统。经济目标：在实现机器人的关键技术突破的基础上，通过研发具有自主知识产权的前沿技术与产品原型，促进机器人产业化目标的实现。针对自动高精度对接系统，复杂零件标识系统，自动装配系统和自主检测系统这四方面内容，提取出

55、核心技术，可用于相关的自动化生产当中，推动深圳市企业的技术发展和进步。项目执行期内将辐射企业20家以上，利用拟成立的深圳市机器人研究院平台与国内众为兴、固高、富士康、福士、银星、华数、大族、配天、佳士、亿和、日东、雷柏、莱恩、新松、ABB中国机器人事业部进行项目和技术合作。力争5年项目期到2020年，建成“创新要素对接平台、科技成果转化平台、科技企业信息平台、产业配套协作平台、高端人才交流平台”平台，与2-3家单位建立战略性合作关系并孵化高技术企业。创新载体建设：打造机器人前沿技术创新团队，依托深圳市机器人研究院，在研究院的平台上，分别针对自动高精度对接系统，复杂零件标识系统，自动装配系统和自

56、主检测系统方向，建立相关的深圳市重点实验室，进而申报国家重点实验室。同时，针对机器人产业化的需求建立深圳市工程中心，协助深圳市已有高科技企业对机器人技术的需求转化工作。通过重点实验室和工程中心，实现机器人关键技术的产业转化与具体产品原型的开发，并建立相关的公共技术服务平台。共性关键技术： 本项目的开展解决目前深圳先进制造及机器人产业、战略新型产业关键共性技术难题，提升深圳市产业发展。社会效益：集群式推动机器人及智能设备产业的发展，努力建成世界知名的机器人及智能设备产业基地和先进制造的先锋地，增强深圳市先进制造业的核心竞争力，培育未来经济增长点,团队将以工业机器人产业的孕育、形成过程为前提,以技

57、术推力、需求拉力、发展模式、产业政策、产业组织等技术经济要素为目标，实现机器人技术研发到产业化的过程中，体现社会效益，集群式推动机器人及智能设备产业的发展，努力建成世界知名的机器人及智能设备产业基地和先进制造的先锋地，增强深圳市先进制造业的核心竞争力，培育未来经济增长点。人才培养：除了硕博研究生培养，还将重点推进士后人才工作站的建设、高级技工人才培训等工作。形成机器人与智能系统相关的优秀学术团体和人才培养基地，为深圳市产业界和研究机构输出/培养的高端专业技术人才和高级技工人才。研发团队：世界知名院士和教授以顾问形式出现在团队成员中。团队将积极整合利用在机器人领域中的国际著名教授组成的专家顾问资

58、源，充分发挥专家顾问高层次智力优势，为整个团队的重大决策和整体发展方向切实提供高端决策咨询、发展对策建议，并通过专家顾问引进了一批投资规模大、辐射带动力强的重大项目，为促进深圳市在机器人相关的社会效益跨越式、跃升型发展提供高端智力支撑。团队将特聘国际著名谈自忠教授（美国华盛顿大学，IEEE Fellow，国际机器人学会前主席）、小菅一弘教授 (IEEE Fellow，国际机器人学会主席)、Martin Buss 教授(慕尼黑工业大学教授)、MeyyaMeyyappan研究员(美国国家航空航天局资深科学家)、Ari Requicha教授（美国南加州大学教授）、Masayoshi Tomizuka

59、教授（美国加州伯克利分校）、曲道奎研究员 (沈阳新松机器人自动化股份有限公司总裁)、王天然教授（中国工程院院士）、Bradley Nelson教授（苏黎士联邦理工学院教授）和福田敏男教授（IEEE Region 10 Director，IEEE Fellow）等多名国际级知名专家、学者担任团队的高端决策咨询与技术指导专家。专家团队将围绕深圳是机器人在产业发展总体思路、战略举措等方面开展课题研究，推动国际研发技术发展方向与深圳市的实践紧密结合，围绕产业支撑、高新技术信息化、生物医疗产业等重要规划、重点项目考察调研、规划论证，提出高水平决策参考建议。此外，通过高端专家团队牵线搭桥，团队将与国际机顶

60、尖的机器人研发团队以及著名企业深入对接，为深圳打造千亿级的机器人相关产业。五、项目实施方案本项目将依托深圳市智能机器人研究院，利用3-5年时间建成全球知名、国内领先、核心技术优势突出的“中国重型装备制造机器人研发基地”。创建及研发出世界先进并适合深圳市机器人产业发展的机器人技术，从而使深圳市建立中国机器人创新平台，形成中国机器人新技术产业基地。本项目具体由所依托的深圳智能机器人研究院负责组织实施，其基本组织形式如下：研究经费统一由团队带头人调度，团队带头人对整个项目进度进行监管、对项目执行过程进行协调和综合集成；主要由陈和平教授、明爱国教授、潘增喜教授和张弛博士为主研制。本项目产业化平台：整个