大型結(jié)構(gòu)件多機(jī)器人焊接協(xié)調(diào)及智能化技術(shù)概況

眾所周知，航空航天裝備結(jié)構(gòu)件復(fù)雜，大而薄，焊縫多為空間曲線焊縫。保證焊接質(zhì)量、提高效率，是推動(dòng)航空航天裝備制造水平的關(guān)鍵。在生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量并舉的今天，單一機(jī)器人已不能很好地勝任現(xiàn)代制造業(yè)的要求，在開放體系結(jié)構(gòu)的軟硬件基礎(chǔ)之上，如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制就成為焊接機(jī)器人柔性加工的研究重點(diǎn)之一。多機(jī)器人協(xié)調(diào)工作方式可以有效地提高生產(chǎn)力并增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的通用性。一般而言，多機(jī)器人工作環(huán)境包括兩類協(xié)調(diào)操作：緊協(xié)調(diào)操作和松協(xié)調(diào)操作。緊協(xié)調(diào)操作是指在同一工作空間里，多機(jī)器人操作手共同處理同一物體；松協(xié)調(diào)操作是指在同一工作空間里，每個(gè)機(jī)器人獨(dú)立地完成各自任務(wù)。

多焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制

一般地，可將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)分為[1-2]：每個(gè)機(jī)器人在共享工作空間內(nèi)獨(dú)立執(zhí)行各自的任務(wù)和所有機(jī)器人協(xié)調(diào)完成一項(xiàng)給定的任務(wù)兩大類。多機(jī)器人協(xié)調(diào)操作具有以下特點(diǎn)[3]：

（1）兩機(jī)械手抓住同一物體或構(gòu)成特定形位關(guān)系后，雙臂形成一個(gè)閉式運(yùn)動(dòng)鏈，兩個(gè)操作臂之間的運(yùn)動(dòng)必須滿足一定的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。

（2）雙臂協(xié)調(diào)的動(dòng)力學(xué)比單臂更為復(fù)雜，雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)時(shí)的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)方程可組合成單一的動(dòng)力學(xué)方程，但維數(shù)的增加及相互耦合的關(guān)系使求解困難。

（3）雙臂協(xié)調(diào)的控制結(jié)構(gòu)比單臂的復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械臂間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，必須在機(jī)器人原控制系統(tǒng)之上增加協(xié)調(diào)控制級(jí)。

由于機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜性與困難性，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，主要工作集中在載荷分配、運(yùn)動(dòng)分解、避碰軌跡規(guī)劃、閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型及協(xié)調(diào)控制策略等方面[4-5]。

協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制約束條件

多機(jī)器人協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)約束條件是焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制研究的基礎(chǔ)，Y.F.Zheng、J.Y.S.Luh [6]在這方面作了較突出的工作，其將兩個(gè)機(jī)器人分為主動(dòng)機(jī)器人和從動(dòng)機(jī)器人，主動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃預(yù)先給定，而從動(dòng)機(jī)器人的對(duì)應(yīng)值則通過機(jī)器人系統(tǒng)的主從關(guān)系來確定，并且首次推導(dǎo)出兩個(gè)機(jī)器人在特定工作條件下末端執(zhí)行器的位姿齊次約束方程，進(jìn)而又將這一結(jié)果擴(kuò)展到關(guān)節(jié)速度、加速度和廣義力的約束方程[7]。Hong Suh等[8]對(duì)雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人系統(tǒng)中一個(gè)機(jī)器人剛性地抓住物體的一端，另一個(gè)機(jī)器人在抓住物體的另一端時(shí)可沿被抓物體表面相對(duì)移動(dòng)的情況進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，得到了從動(dòng)機(jī)器人的廣義解。毛祖鐵[9]用回轉(zhuǎn)變換張量的方法推導(dǎo)出兩個(gè)機(jī)器人相對(duì)位姿保持不變，但兩機(jī)器人同時(shí)有運(yùn)動(dòng)，以及兩機(jī)器人均有運(yùn)動(dòng)，且其中一個(gè)機(jī)器人相對(duì)另一個(gè)機(jī)器人有相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩種情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)條件。楊成梧等[10]針對(duì)雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人兩手同時(shí)抓持同一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，由主手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推導(dǎo)出從手在其自身坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。湯宇松等[11]以空間復(fù)雜邊緣跟蹤任務(wù)為對(duì)象，基于矢量方程的方法在笛卡爾空間內(nèi)提出了利用機(jī)器人雙手協(xié)調(diào)解決此類問題的基本策略方法，為弧焊機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究提供了良好的借鑒。

協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制

進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，主要有3種控制方案，即位置—位置控制、位置—力控制及動(dòng)力學(xué)控制[12]。位置—位置控制是機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)研究過程中首先發(fā)展起來的一種控制方法，C.O.Alford[13]在位置控制方式下，控制主動(dòng)機(jī)器人按預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)機(jī)器人則沿著由主動(dòng)機(jī)器人軌跡導(dǎo)出的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主從機(jī)器人間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。位置—位置控制時(shí)，由于每個(gè)機(jī)器人的依從性差，在剛性連接條件下運(yùn)動(dòng)位置誤差將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而這種方法只適用于低速運(yùn)動(dòng)和非剛性連接的運(yùn)動(dòng)。為了克服上述不足，人們提出了位置—力控制，即主動(dòng)機(jī)器人為位置控制，沿預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)機(jī)器人為力控制，利用腕部的力傳感器所獲得的力信息跟隨主動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行反饋運(yùn)動(dòng)控制。M.Uchiyama[14]在定義工作空間坐標(biāo)和引入關(guān)節(jié)空間向量的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)公式，成功地應(yīng)用了混合位置—力控制。為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究人員在機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的研究中提出了動(dòng)力學(xué)控制方案，應(yīng)用非線性變換方法研究了雙臂協(xié)調(diào)時(shí)兩個(gè)機(jī)器人操縱單一物體的動(dòng)力學(xué)混合控制算法，并把物體間的內(nèi)力作為一個(gè)控制量來消除，只考慮物體位置時(shí)的逆動(dòng)力學(xué)冗余問題，取得較好的控制效果。

系統(tǒng)采用集散控制，雙面雙機(jī)器人采用主從協(xié)調(diào)控制策略[15]，Motoman機(jī)器人為主手（正面），KUKA機(jī)器人為從手（背面），建立該系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的算法模型，根據(jù)主手焊槍末端位置和姿態(tài)，以工件基準(zhǔn)路徑平面為對(duì)稱面，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)變換，推導(dǎo)出背面從手機(jī)器人工具末端的運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn)，從而控制從手跟隨主手協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了雙面雙弧焊機(jī)器人焊接。圖1為多機(jī)器人協(xié)作焊接系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/330146.htm另外，文獻(xiàn)[16]研究了3機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)搬運(yùn)/操作大型物體到期望的位置/姿態(tài)過程中的軌跡規(guī)劃和控制策略問題。采用“Master-and-Two-slave Robot”的操作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的協(xié)調(diào)搬運(yùn)。

在機(jī)器人弧焊領(lǐng)域，從簡(jiǎn)化運(yùn)算量的角度出發(fā)，提出了基于位置的弧焊機(jī)器人與變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法。一種基于用戶坐標(biāo)系的雙機(jī)器人焊接系統(tǒng)[17-18]，分別在工件上建立用戶坐標(biāo)系，在用戶坐標(biāo)系進(jìn)行位姿轉(zhuǎn)換，此模型不需要機(jī)器人本身運(yùn)動(dòng)模型即可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

多機(jī)器人智能化焊接

在工業(yè)應(yīng)用中，多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)多采用集中式控制，由一個(gè)中央控制單元對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和決策。單個(gè)機(jī)器人只擁有很少的自主性或無自主性。每個(gè)機(jī)器人收集到的數(shù)據(jù)都發(fā)送給控制中心，然后由控制中心為所有的機(jī)器人制訂動(dòng)作。由于所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)都由控制中心來控制，所以多機(jī)器人的協(xié)調(diào)與沖突問題比較容易解決。

現(xiàn)代化焊接工廠已向數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、集成化、柔性化和智能化方法發(fā)展，尤其在航空航天大型空間曲線結(jié)構(gòu)件，焊接變形影響，焊縫軌跡復(fù)雜，需要多個(gè)機(jī)器人、變位機(jī)共同作業(yè)，必須需要外部的傳感系統(tǒng)，以及機(jī)器人仿真系統(tǒng)、焊接變形模擬系統(tǒng)等輔助下，才能實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的機(jī)器人智能化焊接。

譚民等[19]介紹了一個(gè)用于環(huán)縫焊接的多機(jī)器人平臺(tái)，它由12臺(tái)機(jī)器人承托船體，由一臺(tái)焊接操作機(jī)來實(shí)施焊接。采用一臺(tái)主控工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）作為上層控制單元，負(fù)責(zé)船體模塊的姿態(tài)控制、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、輸入設(shè)定及系統(tǒng)狀態(tài)的顯示等工作。王宗偉等[20]介紹了雙弧焊機(jī)器人在摩托車車架附件組焊中的應(yīng)用情況，采用主從協(xié)調(diào)控制完成焊接作業(yè)，主機(jī)器人控制器接收來自主機(jī)器人、從機(jī)器人、夾具、滑臺(tái)和工件的信號(hào)，協(xié)調(diào)它們之間的動(dòng)作。

多智能體系統(tǒng)（MAS）就是研究在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，各個(gè)分散的、相對(duì)獨(dú)立的智能子系統(tǒng)之間通過合作，共同完成一個(gè)或多個(gè)控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)。MAS適合于對(duì)于多機(jī)器人的協(xié)調(diào)問題，目前對(duì)于這一系統(tǒng)的研究比較多。

馬國(guó)紅等[21]利用Petri 網(wǎng)理論對(duì)多臺(tái)機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行了建模，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于局域網(wǎng)絡(luò)通信的軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局調(diào)度,通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)作，未發(fā)生動(dòng)作干涉。

邱濤[22]采用基于Petri網(wǎng)模型的離散控制與計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的接口方法，將WAPN的token調(diào)度控制特性融入到焊接柔性加工單元傳感控制信息與狀態(tài)信息的流向控制算法中，建立了較為完善的焊接柔性加工單元中央監(jiān)控軟件平臺(tái)的信息處理機(jī)制與實(shí)現(xiàn)方法。

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)焊接柔性制造單元多智能體系統(tǒng)WFMC[23]，此系統(tǒng)由3臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，兩個(gè)焊接過程監(jiān)控傳感器以及焊接電源組成，所有硬件資源均通過以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接。設(shè)計(jì)者把這個(gè)系統(tǒng)分為了系統(tǒng)管理智能體、焊接機(jī)器人智能體、搬運(yùn)機(jī)器人智能體、傳感器智能體、焊接電源智能體幾個(gè)功能模塊，并實(shí)現(xiàn)了各模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，各個(gè)功能模塊通過合作實(shí)現(xiàn)了3個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)完成指定任務(wù)。

合肥工業(yè)大學(xué)開發(fā)的一種雙機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)器人弧焊的控制系統(tǒng)[24]，該系統(tǒng)運(yùn)用多智能體Multiagent系統(tǒng)理論思想，把整個(gè)系統(tǒng)劃分為機(jī)器人作業(yè)模塊、焊接控制模塊、變位機(jī)伺服控制模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、本地操作模塊、網(wǎng)絡(luò)與接口模塊，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接。

王慧等[25]以基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)作為多機(jī)器人系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用C/S的方式實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人之間的通信。

在多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制策略的研究上，“集中”控制成本低、實(shí)現(xiàn)容易，是企業(yè)比較容易接受的控制方案，但是這種系統(tǒng)只能適應(yīng)于小規(guī)劃的多機(jī)器人系統(tǒng)。智能體控制理論使機(jī)器人單體更具有獨(dú)立性，系統(tǒng)各部分能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)解決相互協(xié)調(diào)的問題，魯棒性強(qiáng)，但智能化控制系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)困難。

結(jié)論及展望

對(duì)大型結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接，尤其針對(duì)航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，對(duì)人的依賴性高。如果機(jī)器人具有人的感官和智能學(xué)習(xí)等能力，也就是具有智能化技術(shù)。只有機(jī)器人具有智能化制造技術(shù)才能保證大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量穩(wěn)定性。

應(yīng)該大力發(fā)展多機(jī)器人協(xié)作、智能化傳感技術(shù)、智能化控制技術(shù)和數(shù)字化信息化技術(shù)，為航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能制造提供有力支撐。(end)