引用論文

李文龍, 蔣誠(chéng), 徐偉, 丁漢. 應(yīng)用李群封閉光滑特性的機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化：I系統(tǒng)標(biāo)定與軌跡生成[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(20): 1-15.

LI Wenlong, JIANG Cheng, XU Wei, DING Han. Integration of Robotic Tracking/Measuring-machining Applying the Closed and Smooth Properties of Lie Groups: I System Calibration and Path Generation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(20): 1-15.

李文龍, 蔣誠(chéng), 徐偉, 丁漢. 應(yīng)用李群封閉光滑特性的機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化：II閉環(huán)控制與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(20): 16-29.

LI Wenlong, JIANG Cheng, XU Wei, DING Han. Integration of Robotic Tracking/Measuring-machining Applying the Closed and Smooth Properties of Lie Groups: II Closed-loop Control and Experiment Validation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(20): 16-29.

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蒙皮是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的主要零件，具有大尺寸、薄壁(厚度2～6 mm)、型面復(fù)雜等技術(shù)特點(diǎn)，目前企業(yè)普遍采用人工比對(duì)劃線-手動(dòng)修切方式去除蒙皮邊緣余量，存在人因累積誤差大、裝配質(zhì)量難控等問(wèn)題，指出視/力引導(dǎo)的高柔性大范圍雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化為解決這一難題提供了新思路，但雙機(jī)器人位姿同步標(biāo)定難、加工位姿光順難、軌跡精度控制難是制約蒙皮機(jī)器人銑削加工應(yīng)用的主要瓶頸。上述難題可以歸納為空間位姿的同步解耦與位姿誤差的定量控制問(wèn)題，為此，應(yīng)用李群李代數(shù)封閉光滑特性，華中科技大學(xué)丁漢院士、李文龍教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞雙機(jī)器人位姿同步標(biāo)定、光順加工軌跡生成與末端位姿閉環(huán)反饋控制開(kāi)展研究，具體如下：第I部分提出雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化系統(tǒng)同步標(biāo)定方法，建立機(jī)器人-跟蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法，研究蒙皮零件光順加工軌跡生成方法；第II 部分研究外部跟蹤系統(tǒng)下的末端位姿閉環(huán)反饋控制模型，研制機(jī)器人末端閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，開(kāi)展雙機(jī)器人系統(tǒng)同步標(biāo)定精度測(cè)試、末端位姿閉環(huán)控制軌跡精度測(cè)試、典型蒙皮樣件機(jī)器人銑削加工精度測(cè)試，驗(yàn)證所提方法的有效性。本文作為《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第20期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為研究提供參考。

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研究背景及目的

蒙皮是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的主要零件，具有大尺寸、薄壁（厚度2~6mm）、型面復(fù)雜等技術(shù)特點(diǎn)，目前企業(yè)普遍采用人工比對(duì)劃線-手動(dòng)修切方式去除蒙皮邊緣余量，存在人因累積誤差大、裝配質(zhì)量難控等問(wèn)題。視/力引導(dǎo)的高柔性大范圍雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化為解決這一難題提供了新思路，但雙機(jī)器人位姿同步標(biāo)定難、加工位姿光順難、軌跡精度控制難是制約蒙皮機(jī)器人銑削加工應(yīng)用的主要瓶頸。上述難題可以歸納為空間位姿的同步解耦與位姿誤差的定量控制問(wèn)題，為此本文應(yīng)用李群李代數(shù)封閉光滑特性重點(diǎn)圍繞雙機(jī)器人位姿同步標(biāo)定、光順加工軌跡生成與末端位姿閉環(huán)反饋控制開(kāi)展研究，具體包括：第I部分提出雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化系統(tǒng)同步標(biāo)定方法，建立機(jī)器人-跟蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)方法，研究蒙皮零件光順加工軌跡生成方法；第II 部分研究外部跟蹤系統(tǒng)下的末端位姿閉環(huán)反饋控制模型，研制機(jī)器人末端閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，開(kāi)展雙機(jī)器人系統(tǒng)同步標(biāo)定精度測(cè)試、末端位姿閉環(huán)控制軌跡精度測(cè)試、典型蒙皮樣件機(jī)器人銑削加工精度測(cè)試，驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

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論文亮點(diǎn)

根據(jù)本文所提高精度外部跟蹤系統(tǒng)下機(jī)器人末端位姿閉環(huán)反饋控制模型，開(kāi)發(fā)機(jī)器人末端閉環(huán)反饋控制硬軟件系統(tǒng)，進(jìn)一步搭建雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展雙機(jī)器人同步標(biāo)定精度測(cè)試、末端位姿閉環(huán)控制軌跡精度測(cè)試、蒙皮樣件機(jī)器人加工精度測(cè)試等進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。雙機(jī)器人同步標(biāo)定精度測(cè)試使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)陶瓷球組成標(biāo)定用立體靶標(biāo)，立體靶標(biāo)安裝在加工機(jī)器人末端，通過(guò)機(jī)器人三維測(cè)量單元采集立體靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建空間位姿變換B，從機(jī)器人控制器同時(shí)讀取末端法蘭相對(duì)基坐標(biāo)系的位姿構(gòu)建空間位姿變換A、C，根據(jù)空間位姿傳遞鏈定義標(biāo)定誤差用于評(píng)價(jià)標(biāo)定精度。軌跡精度測(cè)試參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9283，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試軌跡分別采用直線測(cè)試軌跡、圓形測(cè)試軌跡和ISO 9283標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試軌跡，API STS構(gòu)成的跟蹤靶標(biāo)通過(guò)專用夾具安裝在機(jī)器人末端，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程末端實(shí)際位姿由跟蹤靶標(biāo)進(jìn)行采集，測(cè)試指標(biāo)包括機(jī)器人軌跡精度主要包括定位軌跡精度和姿態(tài)軌跡精度。采用圓形蒙皮、方形蒙皮、曲面蒙皮樣件開(kāi)展機(jī)器人銑削加工精度測(cè)試，采用蒙皮邊界區(qū)域測(cè)點(diǎn)與CAD模型的輪廓偏差評(píng)價(jià)機(jī)器人加工精度，主要包括最大輪廓偏差和平均輪廓偏差。

圖1 機(jī)器人-外部跟蹤系統(tǒng)示意圖

圖2 外部跟蹤系統(tǒng)下旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)旋量計(jì)算示意圖

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結(jié)果

在雙機(jī)器人同步標(biāo)定精度測(cè)試中，所提標(biāo)定方法的平移變換標(biāo)定誤差均小于國(guó)際主流的Wang（IEEE T-RO，2021）和Wu（IEEE T-RO，2016）方法，平均誤差分別下降15.8%和16.9%，并且T-檢驗(yàn)的p值小于0.005，具有99%置信水平。采用ISO 9283標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試軌跡開(kāi)展加工機(jī)器人軌跡精度測(cè)試，在400×400mm范圍采用本文所提閉環(huán)控制方法，機(jī)器人定位軌跡精度為0.290mm、姿態(tài)軌跡精度為0.094°，機(jī)器人定位軌跡偏差相比手-眼轉(zhuǎn)換方法下降93.5%；在800×800mm范圍內(nèi)，所提控制方法機(jī)器人定位軌跡精度為0.300mm、姿態(tài)軌跡精度為0.0266°，機(jī)器人定位軌跡偏差相比手-眼轉(zhuǎn)換控制方法下降97.8%。采用圓形蒙皮、方形蒙皮、曲面蒙皮樣件開(kāi)展機(jī)器人銑削加工精度測(cè)試，并進(jìn)一步開(kāi)展了口蓋蒙皮樣件和平尾蒙皮樣件的加工試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提閉環(huán)控制方法定位軌跡精度優(yōu)于0.3mm，蒙皮樣件加工輪廓偏差控制在±0.3mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝配技術(shù)要求。

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結(jié)論

(1) 研究了外部跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系下的機(jī)器人-跟蹤系統(tǒng)指數(shù)積建模方法，提出了不受手-眼關(guān)系影響的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)旋量精確辨識(shí)方法，從原理上克服了傳統(tǒng)手-眼系統(tǒng)位姿誤差耦合難題。

(2) 建立了雙機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工空間位姿傳遞鏈，提出了

SE

(3) 研究了剛度/靈巧度較優(yōu)的工具姿態(tài)優(yōu)選方法，定義了

SO

(4) 提出了外部跟蹤系統(tǒng)下機(jī)器人末端位姿閉環(huán)反饋控制模型，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人閉環(huán)反饋控制硬軟件，實(shí)現(xiàn)了位姿實(shí)時(shí)跟蹤與閉環(huán)控制。

(5)研制了機(jī)器人跟蹤/測(cè)量-加工一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)開(kāi)展了雙機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定精度、閉環(huán)控制軌跡精度、輪廓加工精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提閉環(huán)控制方法定位軌跡精度優(yōu)于0.3mm，蒙皮樣件加工輪廓偏差控制在±0.3mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝配技術(shù)要求。

作者及團(tuán)隊(duì)介紹

丁漢，華中科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院院士?，F(xiàn)任華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、智能制造裝備與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“共融機(jī)器人的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”指導(dǎo)專家組組長(zhǎng)、國(guó)家自然科學(xué)基金卓越研究群體 “機(jī)器人化智能制造”首席科學(xué)家，長(zhǎng)期從事機(jī)器人與數(shù)字制造理論技術(shù)研究，獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)

李文龍， 華中科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，國(guó)家級(jí)高層次人才。長(zhǎng)期擔(dān)任《JAMST》副主編、《航空學(xué)報(bào)》編委、《航空制造技術(shù)》編委、《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)》編委，主要從事三維視覺(jué)測(cè)量與機(jī)器人加工研究，主持科技部973課題、教育部先導(dǎo)計(jì)劃PI項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、航空航天核電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目等，研究成果在多項(xiàng)國(guó)防重大工程成功應(yīng)用，獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)、遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

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作者或團(tuán)隊(duì)研究方向介紹

視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人加工、大型復(fù)雜零件視覺(jué)測(cè)量、曲面檢測(cè)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用 。

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近兩年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1]A novel dual-robot accurate calibration method using convex optimization and lie derivative. IEEE Transactions on Robotics, 2024

[2]A novel path error compensation method for robotic milling by using hybrid temporal network. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024

[3]Orientation for distributed measurement system using improved bundle adjustment and Lie Algebra, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024

[4]An accurate calibration method for multilayer refractive imaging in underwater 3-D scanning, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024

[5]Construction of error field for distributed measurement system by using laser tracker. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2025

[6]Global precision control for field large-scale measurement based on uniformly minimum variance unbiased estimate. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2025

[7]Robust point cloud registration in robotic inspection with locally consistent gaussian mixture model. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024

[8]MVGR: mean-variance minimization global registration method for multi-view point cloud in robot inspection. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024

作 者：李文龍

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 彤

審 核：張 強(qiáng)

JME學(xué)院簡(jiǎn)介

JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長(zhǎng)為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長(zhǎng)是中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長(zhǎng)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。

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