【摘 要】
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大型零部件的高精高效一体化钻铣加工是实现航天航空领域重大装备结构组部件制造的关键环节。随着智能化柔性化加工生产模式的推广,基于机械臂的大型零部件一体化钻铣加工受到了工业界的广泛研究和高度重视。其中,机械臂末端高精定位是保障加工精度的关键。本文提出了工件特征和视觉标志点特征相结合的方法,对机械臂末端进行双目视觉定位。面向加工现场的实际问题对视觉标志点特征提取、机械臂末端位置估计和双目视觉在线定位方法
【基金项目】
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国家重大科技专项（2018ZX04018001-005）； 国家重点研发计划（2018YFA0703304）； 国家自然科学基金项目（52125504,92148301）； 大连市科技创新基金项目（2020JJ25CY005）；
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大型零部件的高精高效一体化钻铣加工是实现航天航空领域重大装备结构组部件制造的关键环节。随着智能化柔性化加工生产模式的推广,基于机械臂的大型零部件一体化钻铣加工受到了工业界的广泛研究和高度重视。其中,机械臂末端高精定位是保障加工精度的关键。本文提出了工件特征和视觉标志点特征相结合的方法,对机械臂末端进行双目视觉定位。面向加工现场的实际问题对视觉标志点特征提取、机械臂末端位置估计和双目视觉在线定位方法展开了深入研究,主要研究内容如下:（1）针对实际加工现场的视觉标志点特征提取和三维重建问题,提出一种K-means和OTSU联合优化的图像二值化算法,该算法利用OTSU算法为K-means提供聚类初值,对图像进行分割划分图像前景和背景,实验结果表明该方法有利于提高视觉标志点中心的三维重建精度。（2）为了有效地估计机械臂末端位置,提出了一种自适应扩展卡尔曼滤波机械臂末端位置估计方法,该方法基于物理模型构建出状态空间方程,利用双目视觉的观测信息自适应调整机械臂末端运动状态噪声协方差矩阵,通过充分利用机械臂末端的运动信息和双目视觉的测量信息有效提高了机械臂末端的位置估计精度。实验结果验证了改进的自适应扩展卡尔曼滤波算法在机械臂末端位置估计上的有效性和鲁棒性。（3）针对基于双目视觉的手眼标定技术无法在保障测量景深和测量视野范围的情况下增加相机测量位姿的问题,提出了一种基于激光跟踪仪和双目视觉组合测量的手眼标定方法。该方法利用激光跟踪仪构建了一个工装坐标系连接机械臂末端坐标系和双目相机坐标系,可以有效提高双目视觉手眼标定的灵活性和精确性。（4）基于双目视觉的机械臂末端在线定位方法,采用4×4的齐次变换矩阵代替连杆参数模型,通过目标检测锁定目标工件区域,重建视觉标志点中心的三维坐标获取相机坐标系与世界坐标系的转换关系,最后基于Look＆Move模式控制机械臂末端收敛至目标位置,实现了无需机械臂运动学参数精准标定的机械臂末端精确定位。（5）搭建了基于双目视觉的机械臂末端定位系统,开发了相应的上位机软件,并进行了实验验证。实验结果表明:在实际加工现场环境下,基于双目视觉的机械臂末端在线定位方法机械臂末端定位误差可达0.085 mm。
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