大型結(jié)構(gòu)件多機器人焊接協(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，如何實現(xiàn)多機器人的協(xié)調(diào)運動控制就成為焊接機器人柔性加工的研究重點之一。多機器人協(xié)調(diào)工作方式可以有效地提高生產(chǎn)力并增強實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的通用性。一般而言，多機器人工作環(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，每個機器人獨立地完成各自任務(wù)。

多焊接機器人協(xié)調(diào)控制

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

（1）兩機械手抓住同一物體或構(gòu)成特定形位關(guān)系后，雙臂形成一個閉式運動鏈，兩個操作臂之間的運動必須滿足一定的運動約束關(guān)系。

（2）雙臂協(xié)調(diào)的動力學(xué)比單臂更為復(fù)雜，雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)時的兩個動力學(xué)方程可組合成單一的動力學(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，要實現(xiàn)不同機械臂間的協(xié)調(diào)運動控制，必須在機器人原控制系統(tǒng)之上增加協(xié)調(diào)控制級。

由于機器人雙臂協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜性與困難性，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量研究，主要工作集中在載荷分配、運動分解、避碰軌跡規(guī)劃、閉鏈運動學(xué)和動力學(xué)模型及協(xié)調(diào)控制策略等方面[4-5]。

協(xié)調(diào)運動控制約束條件

多機器人協(xié)調(diào)的運動約束條件是焊接機器人協(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，其將兩個機器人分為主動機器人和從動機器人，主動機器人的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度根據(jù)運動規(guī)劃預(yù)先給定，而從動機器人的對應(yīng)值則通過機器人系統(tǒng)的主從關(guān)系來確定，并且首次推導(dǎo)出兩個機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，進而又將這一結(jié)果擴展到關(guān)節(jié)速度、加速度和廣義力的約束方程[7]。Hong Suh等[8]對雙臂協(xié)調(diào)機器人系統(tǒng)中一個機器人剛性地抓住物體的一端，另一個機器人在抓住物體的另一端時可沿被抓物體表面相對移動的情況進行了運動學(xué)研究，得到了從動機器人的廣義解。毛祖鐵[9]用回轉(zhuǎn)變換張量的方法推導(dǎo)出兩個機器人相對位姿保持不變，但兩機器人同時有運動，以及兩機器人均有運動，且其中一個機器人相對另一個機器人有相對運動規(guī)律兩種情況下的運動學(xué)協(xié)調(diào)條件。楊成梧等[10]針對雙臂協(xié)調(diào)機器人兩手同時抓持同一物體運動時的結(jié)構(gòu)與工作特點，由主手的運動狀態(tài)推導(dǎo)出從手在其自身坐標系中的運動狀態(tài)。湯宇松等[11]以空間復(fù)雜邊緣跟蹤任務(wù)為對象，基于矢量方程的方法在笛卡爾空間內(nèi)提出了利用機器人雙手協(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)運動控制

進行機器人系統(tǒng)雙臂協(xié)調(diào)運動控制時，主要有3種控制方案，即位置—位置控制、位置—力控制及動力學(xué)控制[12]。位置—位置控制是機器人雙臂協(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，控制主動機器人按預(yù)先規(guī)劃的軌跡運動，而從動機器人則沿著由主動機器人軌跡導(dǎo)出的軌跡運動，實現(xiàn)了主從機器人間的協(xié)調(diào)運動。位置—位置控制時，由于每個機器人的依從性差，在剛性連接條件下運動位置誤差將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而這種方法只適用于低速運動和非剛性連接的運動。為了克服上述不足，人們提出了位置—力控制，即主動機器人為位置控制，沿預(yù)先規(guī)劃的軌跡運動，而從動機器人為力控制，利用腕部的力傳感器所獲得的力信息跟隨主動機器人進行反饋運動控制。M.Uchiyama[14]在定義工作空間坐標和引入關(guān)節(jié)空間向量的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出雙臂機器人的運動學(xué)和靜力學(xué)公式，成功地應(yīng)用了混合位置—力控制。為保證機器人運動的精確性和良好的動態(tài)響應(yīng)，研究人員在機器人雙臂協(xié)調(diào)運動的研究中提出了動力學(xué)控制方案，應(yīng)用非線性變換方法研究了雙臂協(xié)調(diào)時兩個機器人操縱單一物體的動力學(xué)混合控制算法，并把物體間的內(nèi)力作為一個控制量來消除，只考慮物體位置時的逆動力學(xué)冗余問題，取得較好的控制效果。

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

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/330146.htm另外，文獻[16]研究了3機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)搬運/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”的操作模式實現(xiàn)對工件的協(xié)調(diào)搬運。

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

多機器人智能化焊接

在工業(yè)應(yīng)用中，多機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)多采用集中式控制，由一個中央控制單元對整個系統(tǒng)進行規(guī)劃和決策。單個機器人只擁有很少的自主性或無自主性。每個機器人收集到的數(shù)據(jù)都發(fā)送給控制中心，然后由控制中心為所有的機器人制訂動作。由于所有機器人的運動都由控制中心來控制，所以多機器人的協(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，需要多個機器人、變位機共同作業(yè)，必須需要外部的傳感系統(tǒng)，以及機器人仿真系統(tǒng)、焊接變形模擬系統(tǒng)等輔助下，才能實現(xiàn)大型構(gòu)件的機器人智能化焊接。

譚民等[19]介紹了一個用于環(huán)縫焊接的多機器人平臺，它由12臺機器人承托船體，由一臺焊接操作機來實施焊接。采用一臺主控工業(yè)計算機（IPC）作為上層控制單元，負責(zé)船體模塊的姿態(tài)控制、逆運動學(xué)、機器人軌跡規(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)，主機器人控制器接收來自主機器人、從機器人、夾具、滑臺和工件的信號，協(xié)調(diào)它們之間的動作。

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

馬國紅等[21]利用Petri 網(wǎng)理論對多臺機器人焊接系統(tǒng)進行了建模，根據(jù)系統(tǒng)的特點設(shè)計了基于局域網(wǎng)絡(luò)通信的軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的全局調(diào)度,通過試驗實現(xiàn)系統(tǒng)各個機器人協(xié)調(diào)動作，未發(fā)生動作干涉。

邱濤[22]采用基于Petri網(wǎng)模型的離散控制與計算機程序?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)控軟件平臺的信息處理機制與實現(xiàn)方法。

上海交通大學(xué)設(shè)計了一個焊接柔性制造單元多智能體系統(tǒng)WFMC[23]，此系統(tǒng)由3臺工業(yè)機器人，兩個焊接過程監(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)議進行連接。設(shè)計者把這個系統(tǒng)分為了系統(tǒng)管理智能體、焊接機器人智能體、搬運機器人智能體、傳感器智能體、焊接電源智能體幾個功能模塊，并實現(xiàn)了各模塊點對點的通信，各個功能模塊通過合作實現(xiàn)了3個機器人協(xié)調(diào)完成指定任務(wù)。

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

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

在多機器人協(xié)調(diào)控制策略的研究上，“集中”控制成本低、實現(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)劃的多機器人系統(tǒng)。智能體控制理論使機器人單體更具有獨立性，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，但智能化控制系統(tǒng)復(fù)雜，實現(xiàn)起來相對困難。

結(jié)論及展望

對大型結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)機器人自動化焊接，尤其針對航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，對人的依賴性高。如果機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)件實現(xiàn)機器人智能制造提供有力支撐。(end)