机器人移动加工宏微耦合振动机理与变刚度控制

Mobile robotic machining has great potential for polishing machining of large and complex components. However, due to the anisotropy stiffness of the robot arm, the macro-micro coupled vibration during mobile robotic machining will highly influence the machining quality. Despite the anisotropy stiffness property of the human arm, the human can control its muscle stiffness against the machining vibrations. Inspired by the manual machining process, the vibration suppression mechanism of variable stiffness control and vibration signal based stiffness control method will be studied in this project. The details of this project include: 1) macro-micro dynamic modeling and analysis of the mobile robotic machining process. The mechanism and trigger conditions of the macro-micro coupled vibration should be investigated; 2) investigation of the stiffness adjustment principle according to the macro-micro coupled dynamic model. The relationship between the partial stiffness adjustment and the macro-micro coupled vibration should be clarified. Based on that, the corresponding end-effector can be designed. 3) realization of the robotic variable stiffness control based on the vibration signal. The relationship between the vibration signal and the current system stiffness should be investigated, where the stiffness of the end-effector can be controlled by comparing the desired stiffness matrix. As a result, the outcome of this project will provide a solution for the vibration suppression of mobile robotic machining, which can significantly promote the manufacturing efficiency and production quality of the mobile robotic polishing machining.

移动加工机器人在大型复杂构件的磨抛加工领域具有巨大的应用潜力。但受限于机械臂刚度各向异性的特点，移动加工机器人与工件构成的宏微耦合动力学系统存在严重加工振动隐患。而人的手臂虽然具有刚度各向异性特点，却可以通过调节手臂肌肉刚度来对抗加工振动。基于此，本课题针对机器人变刚度振动抑制机理与基于振动信息感知的刚度调节机制等科学问题，探索移动机器人加工振动的抑制方法。主要内容包括：1）建立机器人移动加工过程宏微耦合动力学模型，探明振动产生机理与触发条件；2）研究宏微系统刚度调节准则，阐述局部刚度调节对系统宏微耦合振动的影响，并根据机械臂耦合刚度调节需求设计变刚度执行器；3）探索基于在线刚度辨识的宏微系统变刚度控制策略，通过振动信号辨识技术感知环境刚度，对比理想刚度实现机器人的刚度自适应调节。最终，为机器人移动加工的振动抑制提供解决方案。研究成果对提高机器人移动磨抛加工效率与加工质量具有重要意义。

本课题围绕弱刚性构件机器人智能打磨方法，从方法创新、理论建模以及应用验证三个层面开展了深入研究。探究机器人打磨振动机理，建立了机器人打磨“振动-质量”映射图谱，并基于“振动-质量”图谱对机器人打磨质量进行实时检测。针对机器人磨削质量监测难，评估难问题，提出了基于振动-纹理匹配映射关系的间接测量解决方案。通过利用深度学习算法学习标签化的振动信号，建立振动与磨削质量之间的匹配模型，实现磨削加工过程中由振动信号对磨削质量的在线监测。提出基于“探索-重构-规划”思想的机器人打磨轨迹智能规划方法，通过探索工件的刚度变化，构建机器人打磨恒力打磨轨迹，实现机器人打磨自动轨迹规划。针对弱刚度工件加工过程中的恒力要求，提出了通过试触构建时变等力面的半在线规划加工方案，通过在线试触方案的提出、时变等力曲面的重构与基于刚度的步长自适应，使得所规划的加工路径贴合弱刚度工件变形曲线，实现机器人打磨轨迹的自动规划。设计机器人变刚度控制算法，通过构造环境刚度观测器与关节力矩反馈控制器，基于环境刚度变化的时变调节机器人自身刚度，实现机器人与环境的稳定交互，并实现恒力控制。针对弱刚性工件加工过程中的工件的刚度变化，通过机器人刚度变化匹配环境刚度变化，实现机器人与工件稳定交互。在上述理论基础的支持下，研发了移动机器人打磨系统、大飞机装配垫片机器人打磨系统、飞机蒙皮、雷达罩机器人打磨系统，在上海飞机制造有限公司、济南特种结构研究所进行了应用。研究工作在RCIM、IEEE TIE、IEEE Tmech、Mechanical Systems and Signal Processing等本领域国际权威期刊发表系列论文10篇，授权国家发明专利8项。