華中科技大學丁漢院士、李文龍教授團隊：應用李群封閉光滑特性的機器人跟蹤/測量-加工一體化丨JME封面文章

引用論文

李文龍, 蔣誠, 徐偉, 丁漢. 應用李群封閉光滑特性的機器人跟蹤/測量-加工一體化：I系統標定與軌跡生成[J]. 機械工程學報, 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, 徐偉, 丁漢. 應用李群封閉光滑特性的機器人跟蹤/測量-加工一體化：II閉環控制與試驗驗證[J]. 機械工程學報, 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.

(戳鏈接，下載全文)

蒙皮是構成飛機氣動外形的主要零件，具有大尺寸、薄壁(厚度2～6 mm)、型面復雜等技術特點，目前企業普遍采用人工比對劃線-手動修切方式去除蒙皮邊緣余量，存在人因累積誤差大、裝配質量難控等問題，指出視/力引導的高柔性大范圍雙機器人跟蹤/測量-加工一體化為解決這一難題提供了新思路，但雙機器人位姿同步標定難、加工位姿光順難、軌跡精度控制難是制約蒙皮機器人銑削加工應用的主要瓶頸。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題，為此，應用李群李代數封閉光滑特性，華中科技大學丁漢院士、李文龍教授團隊重點圍繞雙機器人位姿同步標定、光順加工軌跡生成與末端位姿閉環反饋控制開展研究，具體如下：第I部分提出雙機器人跟蹤/測量-加工一體化系統同步標定方法，建立機器人-跟蹤系統運動模型和系統參數辨識方法，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下的末端位姿閉環反饋控制模型，研制機器人末端閉環反饋控制系統，開展雙機器人系統同步標定精度測試、末端位姿閉環控制軌跡精度測試、典型蒙皮樣件機器人銑削加工精度測試，驗證所提方法的有效性。本文作為《機械工程學報》2025年第20期的封面文章發表，期望相關工作為研究提供參考。

1

研究背景及目的

蒙皮是構成飛機氣動外形的主要零件，具有大尺寸、薄壁（厚度2~6mm）、型面復雜等技術特點，目前企業普遍采用人工比對劃線-手動修切方式去除蒙皮邊緣余量，存在人因累積誤差大、裝配質量難控等問題。視/力引導的高柔性大范圍雙機器人跟蹤/測量-加工一體化為解決這一難題提供了新思路，但雙機器人位姿同步標定難、加工位姿光順難、軌跡精度控制難是制約蒙皮機器人銑削加工應用的主要瓶頸。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題，為此本文應用李群李代數封閉光滑特性重點圍繞雙機器人位姿同步標定、光順加工軌跡生成與末端位姿閉環反饋控制開展研究，具體包括：第I部分提出雙機器人跟蹤/測量-加工一體化系統同步標定方法，建立機器人-跟蹤系統運動模型和系統參數辨識方法，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下的末端位姿閉環反饋控制模型，研制機器人末端閉環反饋控制系統，開展雙機器人系統同步標定精度測試、末端位姿閉環控制軌跡精度測試、典型蒙皮樣件機器人銑削加工精度測試，驗證本文所提方法的有效性。

2

論文亮點

根據本文所提高精度外部跟蹤系統下機器人末端位姿閉環反饋控制模型，開發機器人末端閉環反饋控制硬軟件系統，進一步搭建雙機器人跟蹤/測量-加工實驗平臺，開展雙機器人同步標定精度測試、末端位姿閉環控制軌跡精度測試、蒙皮樣件機器人加工精度測試等進行實際驗證。雙機器人同步標定精度測試使用四個標準陶瓷球組成標定用立體靶標，立體靶標安裝在加工機器人末端，通過機器人三維測量單元采集立體靶標測點數據構建空間位姿變換B，從機器人控制器同時讀取末端法蘭相對基坐標系的位姿構建空間位姿變換A、C，根據空間位姿傳遞鏈定義標定誤差用于評價標定精度。軌跡精度測試參考國際標準ISO 9283，實驗中測試軌跡分別采用直線測試軌跡、圓形測試軌跡和ISO 9283標準測試軌跡，API STS構成的跟蹤靶標通過專用夾具安裝在機器人末端，機器人運動過程末端實際位姿由跟蹤靶標進行采集，測試指標包括機器人軌跡精度主要包括定位軌跡精度和姿態軌跡精度。采用圓形蒙皮、方形蒙皮、曲面蒙皮樣件開展機器人銑削加工精度測試，采用蒙皮邊界區域測點與CAD模型的輪廓偏差評價機器人加工精度，主要包括最大輪廓偏差和平均輪廓偏差。

圖1 機器人-外部跟蹤系統示意圖

圖2 外部跟蹤系統下旋轉關節運動旋量計算示意圖

3

結果

在雙機器人同步標定精度測試中，所提標定方法的平移變換標定誤差均小于國際主流的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-檢驗的p值小于0.005，具有99%置信水平。采用ISO 9283標準測試軌跡開展加工機器人軌跡精度測試，在400×400mm范圍采用本文所提閉環控制方法，機器人定位軌跡精度為0.290mm、姿態軌跡精度為0.094°，機器人定位軌跡偏差相比手-眼轉換方法下降93.5%；在800×800mm范圍內，所提控制方法機器人定位軌跡精度為0.300mm、姿態軌跡精度為0.0266°，機器人定位軌跡偏差相比手-眼轉換控制方法下降97.8%。采用圓形蒙皮、方形蒙皮、曲面蒙皮樣件開展機器人銑削加工精度測試，并進一步開展了口蓋蒙皮樣件和平尾蒙皮樣件的加工試驗，實驗結果表明，本文所提閉環控制方法定位軌跡精度優于0.3mm，蒙皮樣件加工輪廓偏差控制在±0.3mm，滿足現場裝配技術要求。

4

結論

(1) 研究了外部跟蹤系統坐標系下的機器人-跟蹤系統指數積建模方法，提出了不受手-眼關系影響的機器人運動旋量精確辨識方法，從原理上克服了傳統手-眼系統位姿誤差耦合難題。

(2) 建立了雙機器人跟蹤/測量-加工空間位姿傳遞鏈，提出了

SE

(3) 研究了剛度/靈巧度較優的工具姿態優選方法，定義了

SO

(4) 提出了外部跟蹤系統下機器人末端位姿閉環反饋控制模型，開發了機器人閉環反饋控制硬軟件，實現了位姿實時跟蹤與閉環控制。

(5)研制了機器人跟蹤/測量-加工一體化實驗平臺，系統開展了雙機器人系統標定精度、閉環控制軌跡精度、輪廓加工精度測試實驗。

(6)實驗結果表明，本文所提閉環控制方法定位軌跡精度優于0.3mm，蒙皮樣件加工輪廓偏差控制在±0.3mm，滿足現場裝配技術要求。

作者及團隊介紹

丁漢，華中科技大學教授、博導，中國科學院院士。現任華中科技大學學術委員會主任、智能制造裝備與技術全國重點實驗室主任、國家自然科學基金重大研究計劃“共融機器人的基礎理論與關鍵技術研究”指導專家組組長、國家自然科學基金卓越研究群體 “機器人化智能制造”首席科學家，長期從事機器人與數字制造理論技術研究，獲國家自然科學二等獎1項、國家科技進步二等獎2項、國家教學成果一等獎2項

李文龍， 華中科技大學教授、博導，國家級高層次人才。長期擔任《JAMST》副主編、《航空學報》編委、《航空制造技術》編委、《機械科學與技術》編委，主要從事三維視覺測量與機器人加工研究，主持科技部973課題、教育部先導計劃PI項目、國家自然科學基金、航空航天核電開發項目等，研究成果在多項國防重大工程成功應用，獲教育部技術發明一等獎、機械工業科學技術特等獎、遼寧省科技進步一等獎。

5

作者或團隊研究方向介紹

視覺引導的機器人加工、大型復雜零件視覺測量、曲面檢測軟件開發應用 。

6

近兩年團隊發表文章

[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

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 彤

審 核：張 強

JME學院簡介

JME學院是由《機械工程學報》編輯部2018年創建，以關注、陪伴青年學者成長為宗旨，努力探索學術傳播服務新模式。首任院長是中國機械工程學會監事會監事長、《機械工程學報》中英文兩刊主編宋天虎。

歡迎各位老師掃碼添加小助理-暖暖為好友，由小助理拉入JME學院官方群！

歡迎關注JME學院視頻號~

尋覓合作伙伴

有一種合作叫做真誠，有一種發展可以無限，有一種伙伴可以互利共贏，愿我們合作起來流連忘返，發展起來前景可觀。關于論文推薦、團隊介紹、圖書出版、學術直播、招聘信息、會議推廣等，請與我們聯系。

感謝關注我們！《機械工程學報》編輯部將努力為您打造一個有態度、有深度、有溫度的學術媒體！

版權聲明：

本文為《機械工程學報》編輯部原創內容，歡迎轉載，請聯系授權！

在公眾號后臺留言需要轉載的文章題目及要轉載的公眾號ID以獲取授權!

聯系人：暖暖

微信小助手：jmenuannuan

E-mail：jme@cmes.org

網 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信號：jmewechat