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异常点云干扰下的车身构件鲁棒性配准方法

中国机械工程 2024年第6期35卷 1074-1085页

作者：丁涛吴浩朱大虎武汉理工大学襄阳示范区湖北隆中实验室襄阳441000 武汉理工大学汽车工程学院武汉430070

点云配准是大型车身构件位姿参数测量的关键方法,但现有算法在大量异常点云干扰下难以配准至有效位姿,从而导致匹配失真,进而无法保证后续机器人作业质量。针对此问题,提出一种能够有效抑制异常点云干扰的车身构件鲁棒性配准算法——鲁... 详细信息

点云配准是大型车身构件位姿参数测量的关键方法,但现有算法在大量异常点云干扰下难以配准至有效位姿,从而导致匹配失真,进而无法保证后续机器人作业质量。针对此问题,提出一种能够有效抑制异常点云干扰的车身构件鲁棒性配准算法——鲁棒函数加权方差最小化(RFWVM)算法。建立鲁棒函数加权目标函数,通过施加随迭代次数可变的动态权重来抑制配准过程中异常点云的影响,并由高斯-牛顿法迭代完成刚性转换矩阵的求解。以高铁白车身侧墙、汽车车门框为研究对象的试验结果表明,较经典的最近点迭代(ICP)算法、方差最小化(VMM)算法、加权正负余量方差最小化(WPMAVM)算法和去伪加权方差最小化(DPWVM)算法,所提出的RFWVM算法配准精度更高,能够有效抑制各种异常点云对配准结果的影响,并具有更好的稳定性和鲁棒性,能够有效实现各类车身构件点云的精确配准。

关键词：点云配准异常点云干扰鲁棒函数车身构件机器人视觉测量

Analysis and prediction of surface roughness for robotic belt grinding of complex blade considering coexistence of elastic deformation and varying curvature

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Science China(Technological Sciences) 2021年第5期64卷 957-970页

作者： XU XiaoHu YE SongTao YANG ZeYuan YAN SiJie zhu dahu DING Han State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074China Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components Wuhan University of TechnologyWuhan 430070China Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology Wuhan University of TechnologyWuhan 430070China

Precision prediction of machined surface roughness is challenging facing the robotic belt grinding of complex blade,since this process is accompanied by significant elastic deformation.The resulting poor prediction accuracy,to a great extent,is attributed to the existing prediction model which less considers the dynamics.In this paper,an improved scallop height model is developed to predict and assess the machined surface roughness by taking into account the elastic deformation and the varying curvature of blade,then robotic belt grinding experiments are carried out to evaluate the proposed model from the perspective of surface roughness.Finally factors that influence the scallop height are analyzed,and the suitable empirical equation of surface roughness is proposed to assess and predict the surface quality from the aspect of blade concave and convex surface by adopting the constant scallop height machining.

关键词： robotic belt grinding scallop height elastic deformation surface roughness prediction

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面向低重叠率点云匹配的多层级过滤网络

光学精密工程 2024年第11期32卷 1759-1772页

作者：贺敏琦刘俐李尚吴浩朱大虎武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心湖北武汉430070

针对点云测量过程中由于结构遮挡、视场约束、拼接误差等导致的匹配失真问题,提出一种多层级过滤网络(Multi-level Filter Network,MulFNet)用于实现单次测量点云低重叠率下的精确配准。通过特征金字塔编码网络提取点云的多层级特征,获... 详细信息

针对点云测量过程中由于结构遮挡、视场约束、拼接误差等导致的匹配失真问题,提出一种多层级过滤网络(Multi-level Filter Network,MulFNet)用于实现单次测量点云低重叠率下的精确配准。通过特征金字塔编码网络提取点云的多层级特征,获得不同尺度的语义信息,同时嵌入注意力模块和信息编码模块以增强特征显著性。基于多尺度一致性决策机制对多层级特征进行过滤,筛选离群点并保留点云突出特征,获得初始对应关系。最后,将初始对应结点基于几何信息自适应分组,由局部至全局进行加权转换估计,获得基于多层级过滤筛选后的预测矩阵。实验结果表明,MulFNet网络在标准3DMatch公共数据集上的匹配效果明显优于FCGF,PREDATOR等主流网络,在平均重叠率为10%的测量数据集上的匹配精度比ICP算法和GeoTransformer网络分别提高40.9%和85.4%,有效解决了低重叠率点云匹配失真的问题。

关键词：点云匹配匹配失真低重叠率多层级过滤局部测量

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Application of novel force control strategies to enhance robotic abrasive belt grinding quality of aero-engine blades

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Chinese Journal of Aeronautics 2019年第10期32卷 2368-2382页

作者： Xiaohu XU dahu zhu Haiyang ZHANG Sijie YAN Han DING State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074China Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components Wuhan University of TechnologyWuhan 430070China Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology Wuhan University of TechnologyWuhan 430074China Wuxi CRRC Times Intelligent Equipment Co. Ltd.Wuxi 214174China

Robotic belt grinding has emerged as a finishing process in recent years for machining components with high surface finish and flexibility.The surface machining consistency,however,is difficult to be guaranteed in such a process.To overcome this problem,a method of hybrid force-position control combined with PI/PD control is proposed to be applied in robotic abrasive belt grinding of complex geometries.Voltage signals are firstly obtained and transformed to force information with signal conditioning methods.Secondly,zero drift and gravity compensation algorithms are presented to calibrate the F/T transducer which is installed on the robot end-effector.Next,a force control strategy combining hybrid force-position control with PI/PD control is introduced to be employed in robotic abrasive belt grinding operations where the force control law is applied to the Z direction of the tool frame and the positon control law is used in the X direction of the tool frame.Then,the accuracy of the F/T transducer and the robotic force control system is analyzed to ensure the stability and reliability of force control in the robotic grinding process.Finally,two typical cases on robotic belt grinding of a test workpiece and an aero-engine blade are conducted to validate the practicality and effectiveness of the force control technology proposed.

关键词： Gravity compensation Hybrid force-position control PI/PD control Robotic belt grinding Zero drift compensation

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接触弹性变形下叶片边缘机器人磨抛温度预测

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 44-49页

作者：朱大虎刘雅钱琛吕远健武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心湖北武汉430070

针对现有温度计算模型中仅考虑接触轮外部弹性橡胶的弹性模量,从而导致预测温度偏低问题,提出一种接触轮-叶片接触弹性变形影响下的叶片边缘机器人砂带磨抛温度预测方法.首先,根据弹性模量公式计算外力作用下的接触轮铝合金芯和外部弹... 详细信息

针对现有温度计算模型中仅考虑接触轮外部弹性橡胶的弹性模量,从而导致预测温度偏低问题,提出一种接触轮-叶片接触弹性变形影响下的叶片边缘机器人砂带磨抛温度预测方法.首先,根据弹性模量公式计算外力作用下的接触轮铝合金芯和外部弹性橡胶的组合弹性模量;然后,基于赫兹弹性接触理论计算考虑接触轮组合弹性模量时的接触面积及材料去除深度;最后,确定磨抛过程中的热量分配比以得到传递进入叶片边缘的热流密度.利用ANSYS软件模拟不同加工参数下考虑接触轮组合弹性模量及仅考虑弹性橡胶弹性模量时叶片前后缘的温度分布,并与实验测量值进行对比分析,结果表明:考虑接触轮组合弹性模量模型的模拟温度与实验测量值的平均相对误差为13.9%,验证了所提方法的合理性.该方法能够为后续叶片边缘局部烧蚀控制提供优化策略.

关键词：叶片前后缘机器人砂带磨抛接触弹性变形温度预测组合弹性模量

基于改进YOLOx网络的金属齿轮表面缺陷检测方法

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激光与光电子学进展 2023年第22期60卷 272-282页

作者：张曙文钟振宇朱大虎武汉理工大学汽车工程学院现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学汽车工程学院汽车零部件技术湖北省协同创新中心湖北武汉430070

针对工业干扰环境下金属齿轮表面缺陷自动化检测容易出现误检和漏检的问题,提出一种改进的YOLOx算法。首先,通过adaptively spatial feature fusion(ASFF)充分利用不同尺度下缺陷和干扰项的特征之间的差异,提高模型的抗干扰能力;接着,通... 详细信息

针对工业干扰环境下金属齿轮表面缺陷自动化检测容易出现误检和漏检的问题,提出一种改进的YOLOx算法。首先,通过adaptively spatial feature fusion(ASFF)充分利用不同尺度下缺陷和干扰项的特征之间的差异,提高模型的抗干扰能力;接着,通过efficient channel attention(ECA)模块,增加网络的特征提取能力;最后,修改置信度损失函数为Varifocal损失函数,减少困难样本对网络的干扰。实验结果表明,改进的YOLOx网络与原版相比在召回率、准确率和平均精度均值上分别提升6.1个百分点、4.6个百分点和9.4个百分点。

关键词：机器视觉齿轮缺陷检测 YOLOx算法注意力机制特征融合

用于引导机器人定位的汇聚式双目视觉算法实现

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机械工程学报 2022年第14期58卷 161-169页

作者：刘红帝吕睿田林雳朱大虎武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉430070

大型复杂构件机器人加工品质高度依赖于视觉引导的机器人定位精度。针对现有平行式双目相机视场范围有限、扫描-重构算法复杂等问题,提出一种汇聚式双目立体视觉算法用于引导加工型机器人进行精确定位。具体包括利用小孔成像原理结合三... 详细信息

大型复杂构件机器人加工品质高度依赖于视觉引导的机器人定位精度。针对现有平行式双目相机视场范围有限、扫描-重构算法复杂等问题,提出一种汇聚式双目立体视觉算法用于引导加工型机器人进行精确定位。具体包括利用小孔成像原理结合三角形相似性建立汇聚式双目相机间成像模型,实现自主标定、特征匹配以及标记点空间位置信息提取;将数据通过手眼标定算法转换到机器人基坐标系下用于校正工件三维模型;进而自动规划运动路径,引导机器人对工件待加工区域进行精准定位加工。分别以规则陶瓷块和复杂铁轨两种工件进行试验验证,结果表明在视场范围内任意位姿摆放的工件平均定位误差均可控制在4%以内,与传统双目视觉算法相比具有定位精度高、运行速度快等优点,具有很好的应用前景。

关键词：汇聚式双目视觉立体标定特征匹配模型校正机器人定位

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考虑传动间隙的工业机器人关节刚度辨识方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2023年第6期51卷 23-28页

作者：朱大虎王宇迪钱琛付佳豪武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心湖北武汉430070

针对工业机器人刚度辨识成本高、辨识精度提升难的问题,提出一种基于千分表并且考虑传动间隙影响的关节刚度辨识方法.首先,建立机器人运动学模型和刚度模型,对传统刚度模型进行了改进,考虑了辨识过程中传动间隙对辨识精度的影响;其次,... 详细信息

针对工业机器人刚度辨识成本高、辨识精度提升难的问题,提出一种基于千分表并且考虑传动间隙影响的关节刚度辨识方法.首先,建立机器人运动学模型和刚度模型,对传统刚度模型进行了改进,考虑了辨识过程中传动间隙对辨识精度的影响;其次,推导了仪器精度、测量量级、辨识精度之间的关系,在此关系式的基础上确定了以千分表为测量设备的接触式测量方案;最后,根据新方法开展了IRB6700-200/2.60型工业机器人关节刚度辨识实验.实验结果表明:使用千分表进行实验且不考虑传动间隙影响的预测相对误差为17.77%,与使用激光跟踪仪的预测相对误差16.80%相当,而考虑传动间隙影响的预测相对误差为11.00%,相比两者有明显提升.

关键词：工业机器人刚度辨识传动间隙测量千分表

基于重定位的叶片机器人磨抛系统手眼标定算法

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中国机械工程 2022年第3期33卷 339-347页

作者：吕睿彭真吕远健田林雳朱大虎武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉430070 武汉华中数控股份有限公司武汉430223

针对叶片机器人磨抛系统中手眼标定存在人工误差、二次误差等因素导致标定精度差等问题,提出了一种基于“重定位”的手眼标定算法。以拍照式三维扫描仪为标定对象,分析机器人手眼标定数学模型,提出利用标准球在机器人末端坐标系中绕工... 详细信息

针对叶片机器人磨抛系统中手眼标定存在人工误差、二次误差等因素导致标定精度差等问题,提出了一种基于“重定位”的手眼标定算法。以拍照式三维扫描仪为标定对象,分析机器人手眼标定数学模型,提出利用标准球在机器人末端坐标系中绕工具中心点做定点变位姿运动的标定方案。通过最小二乘法计算扫描仪坐标系下的“重定位”中心坐标,并根据多空间点四元数耦合方法,同时完成平移和旋转矩阵的标定,进而得到扫描仪坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵。手眼标定和叶片磨抛实验结果表明,所提算法的球拟合半径较标准球半径偏差降至0.068 mm,较现有算法标定误差降低至少38%,同时磨抛后的叶片表面粗糙度Ra平均值由磨抛前的2.5μm降至0.273μm,型面误差在±0.08 mm以内,满足叶片制造工艺要求,从而验证了所提标定算法的有效性和准确性。

关键词：手眼标定机器人磨抛复杂叶片重定位四元数法