大型結構件多機器人焊接協(xié)調及智能化技術(shù)概況
加入技術(shù)交流群
多焊接機器人協(xié)調控制
一般地，可將工業(yè)機器人系統協(xié)調分為[1-2]：每個(gè)機器人在共享工作空間內獨立執行各自的任務(wù)和所有機器人協(xié)調完成一項給定的任務(wù)兩大類(lèi)。多機器人協(xié)調操作具有以下特點(diǎn)[3]：
（1）兩機械手抓住同一物體或構成特定形位關(guān)系后，雙臂形成一個(gè)閉式運動(dòng)鏈，兩個(gè)操作臂之間的運動(dòng)必須滿(mǎn)足一定的運動(dòng)約束關(guān)系。
（2）雙臂協(xié)調的動(dòng)力學(xué)比單臂更為復雜，雙臂協(xié)調作業(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，但維數的增加及相互耦合的關(guān)系使求解困難。
（3）雙臂協(xié)調的控制結構比單臂的復雜，要實(shí)現不同機械臂間的協(xié)調運動(dòng)控制，必須在機器人原控制系統之上增加協(xié)調控制級。
由于機器人雙臂協(xié)調控制的復雜性與困難性，近年來(lái)，國內外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究，主要工作集中在載荷分配、運動(dòng)分解、避碰軌跡規劃、閉鏈運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型及協(xié)調控制策略等方面[4-5]。
協(xié)調運動(dòng)控制約束條件
多機器人協(xié)調的運動(dòng)約束條件是焊接機器人協(xié)調控制研究的基礎，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)機器人分為主動(dòng)機器人和從動(dòng)機器人，主動(dòng)機器人的關(guān)節位移、速度和加速度根據運動(dòng)規劃預先給定，而從動(dòng)機器人的對應值則通過(guò)機器人系統的主從關(guān)系來(lái)確定，并且首次推導出兩個(gè)機器人在特定工作條件下末端執行器的位姿齊次約束方程，進(jìn)而又將這一結果擴展到關(guān)節速度、加速度和廣義力的約束方程[7]。Hong Suh等[8]對雙臂協(xié)調機器人系統中一個(gè)機器人剛性地抓住物體的一端，另一個(gè)機器人在抓住物體的另一端時(shí)可沿被抓物體表面相對移動(dòng)的情況進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)研究，得到了從動(dòng)機器人的廣義解。毛祖鐵[9]用回轉變換張量的方法推導出兩個(gè)機器人相對位姿保持不變，但兩機器人同時(shí)有運動(dòng)，以及兩機器人均有運動(dòng)，且其中一個(gè)機器人相對另一個(gè)機器人有相對運動(dòng)規律兩種情況下的運動(dòng)學(xué)協(xié)調條件。楊成梧等[10]針對雙臂協(xié)調機器人兩手同時(shí)抓持同一物體運動(dòng)時(shí)的結構與工作特點(diǎn)，由主手的運動(dòng)狀態(tài)推導出從手在其自身坐標系中的運動(dòng)狀態(tài)。湯宇松等[11]以空間復雜邊緣跟蹤任務(wù)為對象，基于矢量方程的方法在笛卡爾空間內提出了利用機器人雙手協(xié)調解決此類(lèi)問(wèn)題的基本策略方法，為弧焊機器人系統協(xié)調控制研究提供了良好的借鑒。
協(xié)調運動(dòng)控制
進(jìn)行機器人系統雙臂協(xié)調運動(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—位置控制是機器人雙臂協(xié)調研究過(guò)程中首先發(fā)展起來(lái)的一種控制方法，C.O.Alford[13]在位置控制方式下，控制主動(dòng)機器人按預先規劃的軌跡運動(dòng)，而從動(dòng)機器人則沿著(zhù)由主動(dòng)機器人軌跡導出的軌跡運動(dòng)，實(shí)現了主從機器人間的協(xié)調運動(dòng)。位置—位置控制時(shí)，由于每個(gè)機器人的依從性差，在剛性連接條件下運動(dòng)位置誤差將產(chǎn)生內應力，因而這種方法只適用于低速運動(dòng)和非剛性連接的運動(dòng)。為了克服上述不足，人們提出了位置—力控制，即主動(dòng)機器人為位置控制，沿預先規劃的軌跡運動(dòng)，而從動(dòng)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(dòng)機器人進(jìn)行反饋運動(dòng)控制。M.Uchiyama[14]在定義工作空間坐標和引入關(guān)節空間向量的基礎上，推導出雙臂機器人的運動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)公式，成功地應用了混合位置—力控制。為保證機器人運動(dòng)的精確性和良好的動(dòng)態(tài)響應，研究人員在機器人雙臂協(xié)調運動(dòng)的研究中提出了動(dòng)力學(xué)控制方案，應用非線(xiàn)性變換方法研究了雙臂協(xié)調時(shí)兩個(gè)機器人操縱單一物體的動(dòng)力學(xué)混合控制算法，并把物體間的內力作為一個(gè)控制量來(lái)消除，只考慮物體位置時(shí)的逆動(dòng)力學(xué)冗余問(wèn)題，取得較好的控制效果。
系統采用集散控制，雙面雙機器人采用主從協(xié)調控制策略[15]，Motoman機器人為主手（正面），KUKA機器人為從手（背面），建立該系統協(xié)調運動(dòng)的算法模型，根據主手焊槍末端位置和姿態(tài)，以工件基準路徑平面為對稱(chēng)面，經(jīng)過(guò)運動(dòng)學(xué)坐標變換，推導出背面從手機器人工具末端的運動(dòng)路徑點(diǎn)，從而控制從手跟隨主手協(xié)調運動(dòng)，實(shí)現了雙面雙弧焊機器人焊接。圖1為多機器人協(xié)作焊接系統試驗平臺。
在機器人弧焊領(lǐng)域，從簡(jiǎn)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)調運動(dòng)控制算法。一種基于用戶(hù)坐標系的雙機器人焊接系統[17-18]，分別在工件上建立用戶(hù)坐標系，在用戶(hù)坐標系進(jìn)行位姿轉換，此模型不需要機器人本身運動(dòng)模型即可實(shí)現雙機器人的協(xié)調運動(dòng)。
多機器人智能化焊接
在工業(yè)應用中，多機器人協(xié)調系統多采用集中式控制，由一個(gè)中央控制單元對整個(gè)系統進(jìn)行規劃和決策。單個(gè)機器人只擁有很少的自主性或無(wú)自主性。每個(gè)機器人收集到的數據都發(fā)送給控制中心，然后由控制中心為所有的機器人制訂動(dòng)作。由于所有機器人的運動(dòng)都由控制中心來(lái)控制，所以多機器人的協(xié)調與沖突問(wèn)題比較容易解決。
現代化焊接工廠(chǎng)已向數字化、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(xiàn)結構件，焊接變形影響，焊縫軌跡復雜，需要多個(gè)機器人、變位機共同作業(yè)，必須需要外部的傳感系統，以及機器人仿真系統、焊接變形模擬系統等輔助下，才能實(shí)現大型構件的機器人智能化焊接。
譚民等[19]介紹了一個(gè)用于環(huán)縫焊接的多機器人平臺，它由12臺機器人承托船體，由一臺焊接操作機來(lái)實(shí)施焊接。采用一臺主控工業(yè)計算機（IPC）作為上層控制單元，負責船體模塊的姿態(tài)控制、逆運動(dòng)學(xué)、機器人軌跡規劃、輸入設定及系統狀態(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(chē)車(chē)架附件組焊中的應用情況，采用主從協(xié)調控制完成焊接作業(yè)，主機器人控制器接收來(lái)自主機器人、從機器人、夾具、滑臺和工件的信號，協(xié)調它們之間的動(dòng)作。
多智能體系統（MAS）就是研究在一定的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，各個(gè)分散的、相對獨立的智能子系統之間通過(guò)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適合于對于多機器人的協(xié)調問(wèn)題，目前對于這一系統的研究比較多。
馬國紅等[21]利用Petri 網(wǎng)理論對多臺機器人焊接系統進(jìn)行了建模，根據系統的特點(diǎn)設計了基于局域網(wǎng)絡(luò )通信的軟件控制系統，實(shí)現系統的全局調度,通過(guò)試驗實(shí)現系統各個(gè)機器人協(xié)調動(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算機程序實(shí)現的接口方法，將WAPN的token調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控軟件平臺的信息處理機制與實(shí)現方法。
上海交通大學(xué)設計了一個(gè)焊接柔性制造單元多智能體系統WFMC[23]，此系統由3臺工業(yè)機器人，兩個(gè)焊接過(guò)程監控傳感器以及焊接電源組成，所有硬件資源均通過(guò)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接。設計者把這個(gè)系統分為了系統管理智能體、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(gè)功能模塊，并實(shí)現了各模塊點(diǎn)對點(diǎn)的通信，各個(gè)功能模塊通過(guò)合作實(shí)現了3個(gè)機器人協(xié)調完成指定任務(wù)。
合肥工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種雙機協(xié)調機器人弧焊的控制系統[24]，該系統運用多智能體Multiagent系統理論思想，把整個(gè)系統劃分為機器人作業(yè)模塊、焊接控制模塊、變位機伺服控制模塊、狀態(tài)監控模塊、本地操作模塊、網(wǎng)絡(luò )與接口模塊，實(shí)現了雙機器人協(xié)調焊接。
王慧等[25]以基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)作為多機器人系統的通信網(wǎng)絡(luò )結構，采用C/S的方式實(shí)現了多機器人之間的通信。
在多機器人協(xié)調控制策略的研究上，“集中”控制成本低、實(shí)現容易，是企業(yè)比較容易接受的控制方案，但是這種系統只能適應于小規劃的多機器人系統。智能體控制理論使機器人單體更具有獨立性，系統各部分能夠通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )解決相互協(xié)調的問(wèn)題，魯棒性強，但智能化控制系統復雜，實(shí)現起來(lái)相對困難。
結論及展望
對大型結構件實(shí)現機器人自動(dòng)化焊接，尤其針對航空航天復雜結構件，對人的依賴(lài)性高。如果機器人具有人的感官和智能學(xué)習等能力，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)才能保證大型復雜結構件的焊接質(zhì)量穩定性。
應該大力發(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)和數字化信息化技術(shù)，為航空航天復雜結構件實(shí)現機器人智能制造提供有力支撐。(end)
評論