視覺測量助力“機(jī)器人化智能制造”
▲李文龍（左）帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)
以機(jī)器人作為制造裝備執(zhí)行體，集成視力覺智能傳感的機(jī)器人化智能制造正逐漸成為大型復(fù)雜構(gòu)件制造的變革性新模式。華中科技大學(xué)二級教授李文龍認(rèn)為，隨著工業(yè)機(jī)器人與三維視覺測量、人工智能算法等新一代信息技術(shù)的深度融合，機(jī)器人化智能制造系統(tǒng)將突破柔順性、自律性與人機(jī)共融能力，大大提升系統(tǒng)靈巧性和人機(jī)交互能力，具有廣泛的應(yīng)用前景，代表著智能制造的主攻方向。為此李文龍面向國家重大需求，瞄準(zhǔn)視覺測量與機(jī)器人化智能制造學(xué)術(shù)前沿，圍繞高精度三維視覺測量技術(shù)、機(jī)器人加工精度保障技術(shù)、機(jī)器人檢測/加工智能裝備研制，開展了深入研究。同時科研反哺教學(xué)，秉承“立德樹人、科教融合”的教學(xué)理念，他矢志不渝地培養(yǎng)機(jī)器人化智能制造拔尖創(chuàng)新人才。
潛心科研十五載，突破復(fù)雜構(gòu)件高精度視覺測量核心技術(shù)
“做科研既要仰望星空，也要腳踏實地，勇于選擇最前沿的學(xué)術(shù)方向去攻克。”李文龍意味深長地說。15年前，李文龍剛剛博士畢業(yè)，正在參與國家自然科學(xué)基金重點項目“大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)字化設(shè)計-加工-測量一體化理論與技術(shù)”。他敏銳地覺察到三維視覺測量具有非接觸式、快速高效、在位在線的技術(shù)優(yōu)勢，在曲面變形測量與機(jī)器人加工精度控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但景深變化、工件反光、海量數(shù)據(jù)等因素嚴(yán)重制約著三維視覺測量技術(shù)的應(yīng)用。
▲李文龍主持研制的機(jī)器人測量-加工一體化智能制造裝備
為此李文龍帶領(lǐng)團(tuán)隊研究了面向復(fù)雜構(gòu)件的多視相移成像原理，提出了三維成像關(guān)鍵參數(shù)精確標(biāo)定方法，解決了三維測點計算精度受限于測量景深與表面反光影響的技術(shù)難題。針對測點規(guī)模大（千萬/億級）、測點層疊、高斯/粗大噪音等現(xiàn)場固有測量缺陷，團(tuán)隊建立了海量測點精簡、光順與融合的數(shù)學(xué)模型和計算方法，提出了方差最小化原理的曲面匹配定位新技術(shù)，攻克了國際通用點-點（ICP）距離與點-切面（TDM）距離匹配受初始位姿任意/復(fù)雜薄壁特征影響引起的切向滑移難題，開發(fā)出iPoint3D測點處理與輪廓評價軟件系統(tǒng)。
上述研究成果獲高等教育科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎（李文龍排名第一），應(yīng)用于某企業(yè)葉片零件測點數(shù)據(jù)處理與曲面輪廓檢測，相比已有方式單件檢測時間縮短85%以上，突破了國外同類檢測技術(shù)的行業(yè)壟斷與商業(yè)禁售風(fēng)險；應(yīng)用于4款汽車發(fā)動機(jī)缸體缸蓋等大型復(fù)雜構(gòu)件全輪廓掃描與關(guān)鍵特征參數(shù)提取，完成了多款新型汽車發(fā)動機(jī)的數(shù)字建模與新產(chǎn)品開發(fā)，作為關(guān)鍵技術(shù)之一支撐應(yīng)用企業(yè)連續(xù)8年入選世界500強(qiáng)。
瞄準(zhǔn)國家重大需求，研制機(jī)器人測量/加工智能制造裝備
李文龍指出，“瞄準(zhǔn)國家重大戰(zhàn)略需求，解決重大工程中的關(guān)鍵卡脖子難題，才是一名科技工作者追夢的制高點”。他多次到中國航發(fā)、中航工業(yè)、中核武漢等企業(yè)調(diào)研學(xué)習(xí)，與一線工人深入交流，發(fā)現(xiàn)普遍存在制造模式轉(zhuǎn)型升級需求：將肉眼檢測提升為高精度視覺檢測，將手工操作提升為穩(wěn)定機(jī)器人操作。但航空蒙皮、垂尾、核電法蘭面等尺寸大、易變形、難加工，如何實現(xiàn)機(jī)器人測量-加工一體化與精度控制已成為制約制造模式轉(zhuǎn)型升級的瓶頸。
針對航空蒙皮、核電法蘭面等大尺寸復(fù)雜構(gòu)件多視角測量整體誤差累積放大問題，李文龍研究了多視角測量數(shù)據(jù)無標(biāo)記點全局精確拼接新方法，機(jī)器人測量系統(tǒng)精度達(dá)到±0.015（基礎(chǔ)精度）+0.02mm（拼接精度）/m；提出了面向易變形復(fù)雜構(gòu)件的刀具軌跡光順與刀軸偏差控制方法，生成同時滿足光順性、剛度與靈巧度要求的機(jī)器人加工姿態(tài)，解決了由離散測點直接生成加工路徑存在的刀具路徑點與刀軸矢量抖動問題；針對機(jī)器人測量-加工一體化系統(tǒng)多單元多源誤差耦合降低軌跡精度難題，建立了SE（3）群空間雙機(jī)器人同步標(biāo)定凸優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)了加工機(jī)器人末端實時閉環(huán)反饋與軌跡精度控制。
上述研究出版著作2部，3篇代表作以系列論文形式發(fā)表在《IEEE機(jī)器人匯刊》（IEEE T. Robotics），4篇中文論文被《機(jī)械工程學(xué)報》《航空學(xué)報》等作為封面專題報道，被同行權(quán)威學(xué)者彼得羅·瓦爾達(dá)斯特里（Pietro Valdastri）教授評價為“相比傳統(tǒng)方法具有卓越的精度和效率”。李文龍帶領(lǐng)團(tuán)隊取得了多項創(chuàng)新成果：研制了大型蒙皮、垂尾和核電法蘭面的機(jī)器人測量系統(tǒng)，為航空復(fù)雜構(gòu)件現(xiàn)場檢測、核電機(jī)組現(xiàn)場運維提供了重要技術(shù)平臺；研制了機(jī)器人測量-加工一體化智能裝備，應(yīng)用于近千件蒙皮機(jī)器人銑削加工，實現(xiàn)了機(jī)器人磨拋在核電大葉片批量生產(chǎn)中的應(yīng)用。
秉承科教融合育人，培養(yǎng)機(jī)器人智能制造拔尖創(chuàng)新人才
作為一名人民教師，李文龍始終堅持立德樹人這一根本任務(wù)。他結(jié)合學(xué)術(shù)發(fā)展前沿，歷時3年編寫了《機(jī)器人學(xué)》教材，獲全國優(yōu)秀教材獎一等獎（李文龍排名第二），將機(jī)器人學(xué)內(nèi)涵從工業(yè)機(jī)器人擴(kuò)展到海陸空和共融機(jī)器人，增加了線矢量與運動旋量、指數(shù)積運動學(xué)建模、機(jī)器人視覺定位等新理論新知識，反映了當(dāng)前機(jī)器人學(xué)術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用前沿，為培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)創(chuàng)新能力提供了源頭活水。
▲李文龍為機(jī)器人工程方向本科生現(xiàn)場上課
李文龍主持承擔(dān)了省、校、院教改項目4項，全面探索以學(xué)生優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)為核心的機(jī)器人課程體系改革與教學(xué)模式改革，參與發(fā)起了全國性“機(jī)器人學(xué)教學(xué)研討會”、參與承擔(dān)了教育部“機(jī)器人學(xué)課程虛擬實驗室”工作，提出以學(xué)生為中心、“教師授課+學(xué)生課堂討論+自主網(wǎng)課學(xué)習(xí)+現(xiàn)場動手實踐”相結(jié)合的教學(xué)新模式，支撐了華中科技大學(xué)2021年起“機(jī)器人”方向本科教學(xué)工作。作為導(dǎo)師，他培養(yǎng)王剛獲德國洪堡學(xué)者、謝核獲上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文佳作獎、蔣誠獲航發(fā)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)獎、程育奇獲十三屆挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎、6名本科生獲省/校優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計獎。他帶領(lǐng)團(tuán)隊參與申報的“面向新工科的智能制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系構(gòu)建”獲國家級教學(xué)成果獎一等獎。
作為一名科技工作者，李文龍始終以國家重大需求為學(xué)術(shù)研究的制高點，在高精度視覺測量方面的突破性成果對我國航空、核電、汽車等行業(yè)技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用作出了突出貢獻(xiàn)，在機(jī)器人化智能制造方面的突破性成果支撐了我國新一代戰(zhàn)機(jī)、ARJ21支線客機(jī)、華龍一號等國防重大工程建設(shè)。作為一名人民教師，李文龍秉承“科教融合、立德樹人”的教學(xué)理念，不忘初心、矢志不渝地培養(yǎng)機(jī)器人化智能制造拔尖創(chuàng)新人才。相信在未來的教學(xué)科研生涯中，李文龍將繼續(xù)“仰望星空、腳踏實地、教書育人”，在他熱愛的工作崗位上為國家重大工程建設(shè)和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)自己的力量。
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