第1章緒論001
1.1機器人磨拋重大需求001
1.2機器人磨拋技術挑戰002
1.3機器人磨拋關鍵技術003
1.3.1機器人磨拋繫統標定技術003
1.3.2機器人磨拋恆力控制技術004
1.3.3機器人磨拋軌跡規劃技術005
1.3.4機器人磨拋材料去除工藝006
1.4本書主要章節結構006
參考文獻007


基礎理論篇
第2章磨拋機器人幾何誤差建模012
2.1機器人建模方法與模型構建012
2.1.1D-H 模型012
2.1.2MD-H 模型013
2.1.3機器人鏈路坐標繫建模014
2.2機器人運動學分析015
2.2.1機器人正運動學分析015
2.2.2機器人逆運動學分析017
2.3機器人幾何誤差建模019
2.3.1微分運動及剛體微分位姿誤差建模019
2.3.2局部連杆位姿誤差建模021
2.3.3機器人幾何參數誤差建模022
2.4機器人誤差模型修正與參數冗餘性分析023
2.4.1基坐標繫誤差修正024
2.4.2關節柔性變形誤差辨識026
2.4.3誤差模型參數冗餘性分析029
2.5機器人誤差辨識和補償試驗033
2.5.1參數辨識與MATLAB 仿真034
2.5.2幾何誤差和關節柔性誤差仿真036
參考文獻043


關鍵技術篇
第3章機器人磨拋繫統標定技術046
3.1機器人磨拋繫統手眼標定046
3.1.1手眼標定原理046
3.1.2基於{Tool 0}下相對運動的手眼標定方法048
3.1.3大型車身構件測量點雲拼接056
3.2機器人磨拋繫統工件標定058
3.2.1工件標定原理058
3.2.2基於優化4PCS 算法的車身點雲粗匹配059
3.2.3精匹配算法分析062
3.2.4基於WPMAVM 算法的車身點雲精匹配066
3.2.5車身構件點雲匹配仿真076
3.3機器人磨拋繫統自動化標定軟件078
3.3.1軟件開發環境079
3.3.2軟件功能介紹080
3.3.3軟件功能調試與使用說明082
參考文獻086

第4章機器人磨拋恆力控制技術088
4.1機器人磨拋過程力分析088
4.2機器人磨拋主動力控制089
4.2.1信號采集和處理090
4.2.2零點漂移補償和重力/重力矩補償096
4.2.3主動力控制策略分析100
4.3機器人磨拋被動力控制115
4.3.1一維力傳感器標定方法115
4.3.2一維力傳感器被動力控制策略116
4.4基於Kalman 濾波的主被動力信息融合控制118
4.4.1Kalman 濾波信息融合技術118
4.4.2主被動力控制信息融合技術120
4.4.3鈦合金零件機器人恆力磨拋實驗122
參考文獻128

第5章機器人磨拋軌跡規劃技術130
5.1機器人磨拋軌跡生成原理130
5.1.1機器人磨拋方式130
5.1.2軌跡補償控制方法131
5.1.3軌跡行距計算方法132
5.2機器人磨拋軌跡規劃方法133
5.2.1葉片機器人磨拋軌跡規劃算法135
5.2.2基於Preston 方程的MRP 模型136
5.2.3基於MRP 模型的軌跡規劃算法優化139
5.2.4機器人磨拋位姿優化144
5.2.5機器人磨拋軌跡生成步驟145
5.2.6機器人磨拋軌跡規劃算法驗證146
5.3葉片邊緣自適應軌跡規劃方法149
5.3.1機器人手眼標定與點雲拼接149
5.3.2基於優化ICP 的精準匹配153
5.3.3零件掃描點雲去噪處理154
5.3.4葉片局部修整區域數據提取155
5.3.5葉片機器人自適應軌跡規劃158
5.4機器人磨拋軌跡規劃軟件開發及試驗159
5.4.1軟件繫統框架設計及模塊化分析159
5.4.2機器人磨拋軌跡規劃軟件調試162
5.4.3葉片邊緣機器人磨拋及測量試驗165
參考文獻177

第6章機器人磨拋工藝機理分析179
6.1機器人砂帶磨拋過程分析179
6.2基於Hertz 理論的材料去除模型181
6.3基於磨粒形貌的材料去除模型185
6.3.1單顆磨粒彈性變形分析187
6.3.2基於單顆磨粒的材料去除建模188
6.4機器人砂帶磨拋工藝試驗分析197
6.4.1機器人砂帶磨拋工藝參數分析198
6.4.2機器人磨拋力建模與分析207
參考文獻223


應用案例篇
第7章機器人磨拋典型應用案例226
7.1壓氣機葉片機器人砂帶磨拋應用226
7.1.1葉片機器人砂帶磨拋繫統組成226
7.1.2葉片型面機器人砂帶磨拋238
7.1.3葉片前後緣機器人砂帶磨拋242
7.1.4葉片榫頭和R 轉角部位機器人砂帶磨拋243
7.2增材修復葉片機器人磨拋應用245
7.2.1修復葉片機器人磨拋繫統組成245
7.2.2基於視覺的葉片增材修復區檢測算法247
7.2.3葉片增材修復區域自適應路徑規劃263
7.2.4機器人自適應磨拋修復試驗驗證271
7.3大型車身構件機器人磨拋應用282
7.3.1車身構件機器人磨拋繫統組成282
7.3.2機器人手眼標定試驗284
7.3.3大型車身標定試驗288
7.3.4車身焊渣機器人磨拋試驗驗證294
參考文獻297

航空航天、軌道交通、先進汽車等運載裝備領域的復雜零件通常具有結構/型面復雜、材料難加工等特點，並根據幾何尺寸可分為小型復雜曲面（如航空發動機葉片、車用鋼鋁構件等）和大型復雜構件（如高鐵白車身、新能源汽車車身等）兩類。傳統手工作業和專用數控機床加工是目前制造這類復雜零件的主要手段。但前者作業效率低下、加工一致性差、質量保障困難；後者造價昂貴、制造柔性不足、安裝調試復雜，嚴重制約復雜零件高效高品質加工。
近年來，以工業機器人為制造裝備執行體的機器人化智能加工逐漸成為上述復雜零件高效高品質制造的新趨勢。與同等操作空間的數控機床相比，加工型機器人的主要優勢在於其低成本、操作靈活、可擴展性強。德國 Fraunhofer 研究所、英國UK-RAS 網絡中心、新加坡Gintic 制造技術研究院，以及日本三菱重工、美國GE 公司，均致力於開發機器人加工繫統，應用於航空、汽車等領域復雜零件加工制造。國家《“十四五”智能制造發展規劃》中將機器人化智能制造作為國家戰略予以重點發展，推動重點領域智能轉型，並陸續實施“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃、“智能機器人”重點專項等，旨在提升我國機器人技術的整體研究水平，實現產業融合的高質量發展。
以應用最為廣泛的機器人磨拋工藝為例，目前復雜零件機器人磨拋面臨三大難題：
（1）機器人加工繫統精度提升難：機器人加工精度主要受到機器人-（手眼）標定和工具標定誤差的影響，此外，加工繫統面臨種種幾何約束，如坐標繫偏移、餘量分布不均等，給加工繫統精度保證帶來挑戰；
（2）小餘量去除柔順控制難：復雜零件大曲率變化幾何特征、砂帶磨拋的寬行柔性接觸特性之間的矛盾易導致材料去除具有極大不確定性（彈性變形、接觸力變化等），影響加工過程的穩定性；
（3）機器人磨拋繫統集成難：現有商業機器人操作軟件難以集成“測量-操作-加工”一體化工藝，需要根據復雜零件加工工藝特點，開發自主可控的專有工藝軟件，減少程序生成時間和人工操作。
為解決上述挑戰， 研究團隊在國家自然科學基金（52188102、51975443、52105514、52075203、52075204、52275506、51675394、51375196）、湖北省重點研發計劃（2022BAA067）和湖北隆中實驗室自主創新項目（2022ZZ-27）資助下，圍繞機器人磨拋理論與技術開展了深入研究，並進一步凝練出當前磨拋智能化亟待解決的“精度控制、順應控制、協同控制、效率提升”四個方面的技術難題，創新性地提出繫統解決方案，並將其獨創性地應用在機器人磨拋繫統設計開發中，為機器人磨拋的未來發展提出了新的技術路徑，形成了本書主要章節。主要分為三部分：基礎理論篇，介紹了機器人磨拋的通用技術理論，以及幾何誤差建模理論和方法；關鍵技術篇，詳細介紹了繫統標定、恆力控制、軌跡規劃、材料去除等技術的原理、算法、設計使用方法；應用案例篇，介紹壓氣機葉片機器人磨拋、增材修復葉片機器人磨拋、大型車身構件機器人磨拋3 個案例， 將技術落地應用。
本書第1 章由朱大虎、李文龍、嚴思傑、華林共同撰寫，第2 章、第4 章由徐小虎撰寫，第3 章、第5 章由朱大虎撰寫，第6 章由吳超群撰寫，第7 章由朱大虎、徐小虎共同撰寫。
本書從構思到成稿歷時三年，包含了作者指導的研究生王志遠、呂遠健、呂睿、吳浩、楊澤源、陳新渡、王宏麗等多年的研究成果，在此對他們的辛苦付出表示衷心的感謝。同時，深深感謝導師丁漢教授長期以來的教誨和指導，以及莊可佳教授、陳巍博士、張海洋博士、葉松濤博士等多位專家和同事在技術交流和實驗驗證上給予的無私幫助。
機器人加工是智能制造領域的前沿技術，涉及內容很多，作者僅僅在繫統標定、恆力控制、軌跡規劃、工藝機理等方面開展了一點工作。限於作者研究水平，書中疏漏之處在所難免，懇請各位讀者批評指正，共同為機器人加工這一前沿學術研究添磚加瓦。

朱大虎
2023年5月於武漢理工大學