冗余混联式钻铆机床姿态调整轨迹优化

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.006

摘要/Abstract

摘要： 针对混联式自动钻铆机床因冗余自由度导致钻铆姿态多样化的问题，提出了一种基于动态规划的姿态调整轨迹优化方法，该方法通过离散化钻铆点姿态的可行解空间来构建姿态调整轨迹的全连接层模型，采用动态规划方法计算姿态调整的最优轨迹。分析了钻铆过程中的冗余自由度，基于旋量方法给出了逆运动学解。阐述了壁板钻铆姿态调整轨迹优化原理，以系统能量消耗最小为优化目标，给出了笛卡儿空间姿态调整最优轨迹，将其映射到关节空间进行关节运动轨迹光顺。实验验证表明所提方法有效，可提高飞机壁板钻铆效率。

关键词: 自动钻铆机床, 冗余自由度, 姿态优化, 动态规划, 飞机装配

Abstract: Aiming at the diversification of fastening postures caused by redundant DOF of the hybrid ADRM， a method of posture adjustment trajectory optimizationwas proposed based on dynamic programming. Through discretizing the feasible solution spaces of each riveting point， the full connection layer model of the fastening task was constructed. The dynamic programming was adopted to obtain the optimal trajectory of fastening posture adjustments. Firstly， the redundant DOF of the ADRM was analyzed and the inverse solution that was obtained based on screw method. Then， the optimization principle was explained by considering the characteristics of the assembly tasks. Taking the energy consumption as the optimization objective， the optimal posture adjustment trajectory of Cartesian space was obtained， which was mapped to the joint space for joint trajectory smoothing. Finally， the above method was verified by examples and experiments. The results show that the method is more time-efficient for the fastening of aircraft panels.

Key words: automatic drilling and riveting machine（ADRM）, redundant degrees of freedom（DOF）, posture optimization, dynamic programming, aircraft assembly

中图分类号:

TP24
V26

潘国威, 陈文亮. 冗余混联式钻铆机床姿态调整轨迹优化[J]. 中国机械工程, 2021, 32(21): 2571-2576，2589.

PAN Guowei, CHEN Wenliang. Optimization of Posture Adjustment Trajectory of a Redundant and Hybrid ADRM[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(21): 2571-2576，2589.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.21.006

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2021/V32/I21/2571

参考文献

［1］FROMMKNECHT A， KUEHNLE J， EFFEMBERGER I， et al. Multi-sensor Measurement System for Robotic Drilling［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2017， 47：4-10.
［2］王珉，陈文亮，郝鹏飞，等. 飞机数字化自动钻铆系统及其关键技术［J］. 航空制造技术， 2013（1/2）：80-83.
WANG Min， CHEN Wenliang， HAO Pengfei， et al. Aircraft Automatic Drilling and Riveting System and Its Key Technology［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2013（1/2）：80-83.
［3］刘辛军，谢福贵，汪劲松. 当前中国机构学面临的机遇［J］. 机械工程学报， 2015， 51（13）：2-12.
LIU Xinjun， XIE Fugui， WANG Jinsong. Current Opportunities in the Field of Mechanisms in China［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（13）：2-12.
［4］戴建生. 机构学与机器人学的几何基础与旋量代数［M］. 北京：高等教育出版社， 2014：151-172.
DAI Jiansheng. Geometrical Foundations and Screw Algebra for Mechanisms and Robotics［M］. Beijing：Higher Education Press， 2014：151-172.
［5］裴九芳，许德章，王海. 基于旋量理论的三指机器人灵巧手逆运动学分析［J］. 中国机械工程， 2017， 28（24）：2975-2980.
PEI Jiufang， XU Dezhang， WANG Hai. Inverse Kinematics Analyses of 3-finger Robot Dexterous Hand Based on Screw Theory［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（24）：2975-2980.
［6］ROCHA C R， TONETTO C P， DIAS A. A Comparison between the Denavit-Hartenberg and the Screw-based Methods Used in Kinematic Modeling of Robot Manipulators［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2011， 27（4）：723-728.
［7］SUN T， SONG Y M， DONG G， et al. Optimal Design of a Parallel Mechanism with Three Rotational Degrees of Freedom［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2012， 28（4）：500-508.
［8］阳涵疆，李立君，高自成. 基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验［J］. 农业工程学报， 2016， 32（9）：53-59.
YANG Hanjiang， LI Lijun， GAO Zicheng. Forward Kinematics Analysis and Experiment of Hybrid Harvesting Robot Based on Screw Theory［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（9）：53-59.
［9］邵君奕，张传清，陈雁，等. 用于空间内曲面喷涂的冗余度机器人轨迹规划方法［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2014， 54（6）：799-804.
SHAO Junyi， ZHAGN Chuanqing， CHEN Yan， et al. Trajectory Planning for Redundant Robots for Internal Surface Spraying［J］. Journal of Tsinghua University（Science and Technology）， 2014， 54（6）：799-804.
［10］张鹏翔，周凯，李学崑. 基于冗余联动的六轴联动数控机床的加工轨迹误差优化［J］. 农业机械学报， 2019， 50（2）：411-419.
ZHANG Pengxiang， ZHOU Kai， LI Xuekun. Optimization of Machining Trajectory Error Based on Redundant Linkage in Six-axis Linkage CNC Machine Tool［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2019， 50（2）：411-419.
［11］ZHU W D， MEI B， KE Y L. Inverse Kinematics Solution of a New Circumferential Drilling Machine for Aircraft Assembly［J］. Robotica， 2016， 34：98-117.
［12］曲巍崴，侯鹏辉，杨根军，等. 机器人加工系统刚度性能优化研究［J］. 航空学报， 2013， 34（12）：2823-2832.
QU Weiwei， HOU Penghui， YANG Genjun， et al. Research on the Stiffness Performance for Robot Machining Systems［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（12）：2823-2832.
［13］徐朋，程锦翔，应明峰，等. 冗余铺丝机械手逆运动学的拓扑流形分析［J］. 农业机械学报， 2017， 48（6）：387-391.
XU Peng， CHENG Jinxiang， YING Mingfeng， et al. Topological Manifolds Analysis for Inverse Kinematics of Redundant Fiber Placement Manipulator［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2017， 48（6）：387-391.
［14］GAO J C， PASHKEVICH A， CARO S. Optimization of theRobot and Positioner Motion in a Redundant Fiber Placement［J］. Mechanism and Machine Theory， 2017， 114：170-189.
［15］YANG J X， ALTINTAS Y. Generalized Kinematics of Five-axis Serial Machines with Non-singular Tool Path Generation［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 2013， 75（12）：119-132.
［16］周平，翟建军，潘国威，等. 一种基于旋量理论的自动钻铆机调姿反解算法［J］. 航空制造技术， 2017， 60（14）：62-67.
ZHOU Ping， ZHAI Jianjun， PAN Guowei， et al. An Adjustment Positive Inverse Solution Algorithm of Automatic Drilling and Riveting Machine Based on Screw Theory［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017， 60（14）：62-67.
［17］刘连圣，王珉，孙金萍，等. 面向自动钻铆离线编程系统的运动仿真技术［J］. 中国机械工程， 2019， 30（4）：461-466.
LIU Liansheng， WANG Min， SUN Jinping， et al. Motion Simulation Technology for Automatic Drilling and Riveting Off-line Programming Systems［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（4）：461-466.
［18］BERTSEKAS D P. Dynamic Programming and Optimal Control［M］. Belmont：Athena Scientific， 1995.
［19］朱永国，黄翔，宋利康，等. 基于理想驱动力的中机身调姿多项式轨迹规划［J］. 计算机集成制造系统， 2015， 21（7）：1790-1796.
ZHU Yongguo， HUANG Xiang， SONG Likang， et al. Polynomial Trajectory Planning Method Based on Ideal Drive Forces for Aircraft Fuselage Pose Adjustment［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2015， 21（7）：1790-1796.

[1]	杨权印, 张宇宁, 肖铜, 梁金龙, 王金涛, 徐金亭. CAD图形制导的汽车轮毂机器人打磨路径生成方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2704-2709.
[2]	孔慧芳, 王晨顺, 张倩, 刘田阔. 基于时空风险场的智能车辆轨迹规划[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2463-2471.
[3]	张益鑫, 苗忆南, 易智恒, 万文静, 王兴坚, 曾松, 王少萍. 新型可变形串联管道检测机器人：设计、建模及实验[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2140-2149.
[4]	文笑雨1, 张昊1, 张玉彦1, 刘思仁2, 吉硕1, 郭伟飞1, 李浩1. 数字孪生环境下飞机装配过程中的激光跟踪仪位置优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(07): 1573-1581,1635.
[5]	郭万金1, 2, 3, 4, 孙浩1, 利乾辉1, 田玉祥1, 曹雏清2, 赵立军2, 4. 轮毂毛刺机器人打磨刀路规划与工具姿态优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1222-1237.
[6]	李浩1, 焦彦超1, 张玉彦1, 张昊1, 邢宏文2, 文笑雨1, 王昊琪1, 叶国永1, 管啸2. 基于数字孪生的飞机装配激光跟踪仪站位优化研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(11): 1986-1994.
[7]	刘俊玲, 冯港辉, 张俊江, 杨凯. 无人驾驶混合动力汽车轨迹跟踪节能控制融合研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(04): 678-690.
[8]	杨靖, 张小俭, 吴毅, 叶松涛, 严思杰, 陆家麟. 基于刚度定向的工业机器人铣削姿态优化研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1957-1964.
[9]	张浩伟, 陈文亮, 王珉, 潘劲伟, 黄稳. 基于冗余基准孔的轻型移动制孔系统定位方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(22): 2697-2704.
[10]	陶波, 赵兴炜, 李汝鹏, 丁汉. [制造前沿]机器人测量-操作-加工一体化技术研究及其应用[J]. 中国机械工程, 2020, 31(01): 49-56.
[11]	徐庆贺1;王珉1;陈文亮1;刘登伟2. 面向壁板变形预测的局部位移场分层映射方法[J]. 中国机械工程, 2019, 30(23): 2870-2876,2883.
[12]	隗寒冰；任培林. 插电式柴电混合动力汽车规则控制及处理器在环测试[J]. 中国机械工程, 2019, 30(13): 1590-1599.
[13]	吴进军1;颜丙杰2;方继根1;王西峰1;谢志鹏3;史洋4;李亮2. 插电式混合动力汽车的次优能量管理策略[J]. 中国机械工程, 2019, 30(11): 1336-1342.
[14]	刘连圣1;王珉1;孙金萍2;王慧1;丁力平1. 面向自动钻铆离线编程系统的运动仿真技术[J]. 中国机械工程, 2019, 30(04): 461-466.
[15]	钱立军1;荆红娟1;邱利宏1，2. 基于随机模型预测控制的四驱混合动力汽车能量管理[J]. 中国机械工程, 2018, 29(11): 1342-1348.