航空装备深腔作业超冗余机器人路径实时跟随方法与试验
飞机是典型的具有复杂结构、复杂系统的高端装备，在制造、装配、维护等环节存在诸多极其复杂、狭小的深腔空间作业任务，如航空发动机检修、电控线缆装配、油箱内部检测等。
由于操作空间狭小，智能化机电设备应用难度大，长期依赖工人手工实现。在高服役性能飞机制造、智能制造的大背景下，探索基于高灵活度机器人的智能制造技术极其必要。仿蛇形的超冗余机器人具有大长径比结构，运动灵活性高，在飞机等装备的复杂深腔任务中具有广泛应用前景。考虑目标环境的复杂性和机器人冗余多解性，超冗余机器人的运动轨迹规划技术一直是国内外学者关注的焦点。
超冗余机器人运动规划技术主要分为雅可比伪逆法、脊线法、智能优化方法、几何法。Colomé等提出了基于阻尼最小二乘法的雅可比伪逆改进算法，避免了奇异位姿。
集成臂形约束的增广雅克比伪逆矩阵，实现了约束下的运动学逆解。雅可比伪逆法是求解超冗余机器人的运动学逆解的有效方法，但该方法求解效率较低，不适用于实时高效控制。
二维超冗余度机器人的“脊线”规划方法，并逐渐形成了模态函数曲线、空间圆弧曲线、贝塞尔曲线等规划方法。此类方法一定程度上限制了超冗余机器人的运动能力，在超冗余机器人狭小空间实时控制任务中应用受限。
通过BP神经网络进行蛇形臂机器运动规划，该方法具备控制参数少、精度高的优点。面对复杂环境，基于几何迭代的Fabrik算法，实现了关节节点沿自身臂形高效匹配。
基于几何迭代的末端跟随方法，实现了高效的末端跟随运动，几何法通过自身构型进行运动更新，存在一定的迭代误差，因此易引发机器人的运动偏差。
为了充分发挥超冗余机器人灵巧的空间避障能力，王俊刚等提出了基于路径点匹配的路径跟随算法，实现了较高精度的实时路径跟随。
基于最优化理论的路径跟随方法，即通过优化机器人与路径偏差函数，获得较高精度的跟随效果。路径跟随方法兼顾了机器人的运动精度和求解效率，在超冗余机器人狭小空间运动中具备较大优势。
超冗余机器人狭小空间运动规划方法的实时性与准确性尤为重要。运动规划算法的解算时延过大会导致操作者无法根据视觉反馈画面准确操作，引发机器人与环境之间发生干涉。
仿真平台与试验分析
为了进一步验证算法有效性，开发了基于ROS-Gazebo架构的遥控操作虚拟仿真平台。通过对本仿真平台里的机器人末端工具、目标环境进行适应性更换，可以为操作者提供一个可视化的虚拟仿真训练功能，增加了操作安全性，同时也为数字孪生式操作提供了可能。
超冗余机器人遥控操作虚拟仿真平台开发流程如下：
（1）基于机器人Solidworks模型导出URDF文件与STL文件，并将URDF文件精简为Xacro文件，实现对机器人的文本化描述。
（2）编写YAML文件，配置机器人运动控制器，添加虚拟关节电机并配置相关变量。
（3）写手柄外部控制程序，该程序包含超冗余机器人正逆运动学、路径跟随算法、逻辑操作功能和通信功能，可将控制变量发送到虚拟机器人电机进行运动控制。
实时路径跟随运动试验
为了进一步验证算法有效性，基于21关节自由度超冗余机器人和深腔结构件开展了路径实时跟随运动试验。
试验平台由超冗余机器人、控制中心、末端执行器（相机）、试验环境构成。机器人伺服电机与传感器等元件通过EtherCAT总线连接，并与Beckhoff工控机建立通信。
机器人通过TwinCAT平台进行运动控制，操作者可通过操作手柄实现机器人的跟随运动。
试验环境为模拟某航空结构件的透明板材箱体。
由于试验环境摆放的位置不固定，操作者需通过观察机器人末端摄像头反馈的图像画面判断机器人下一步前进方向，即通过操作遥控手柄上方向按键生成机器人末端运动路径离散点集合，并基于本文所提出的实时路径跟随运动算法控制机器人运动。
结论
（1）提出考虑运动约束的自适应二分搜索的超冗余机器人路径跟随算法，保证关节转角均在±30°范围，实现0.413ms单次求解。
（2）路径跟随算法具备较高的运动精度。机器人关节角度未超限情况下，给定空间圆锥形曲线的最大运动误差为0.011mm。
（3）基于ROS-Gazebo搭建了超冗余机器人遥控操作虚拟仿真平台，实现了机器人算法高效安全验证与操作训练。
（4）进行了超冗余机器人的深腔空间实时控制试验。试验结果表明，本文提出的路径跟随算法可有效应用于深腔空间任务作业。
参考文献
[1]姚艳彬 , 杜兆才 , 魏志强 . 蛇形臂机器人装配系统研究 [J]. 航空制造技术 , 2015,58(21): 26–30.
[2]王俊刚 , 汤磊 , 谷国迎 , 等 . 超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析 [J]. 机械工程学报 , 2018, 54(3): 18–25.
