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        眾所周知,航空航天裝備結構件復雜,大而薄,焊縫多為空間曲線焊縫。保證焊接質量、提高效率,是推動航空航天裝備制造水平的關鍵。在生產效率和產品質量并舉的今天,單一機器人已不能很好地勝任現代制造業的要求,在開放體系結構的軟硬件基礎之上,如何實現多機器人的協調運動控制就成為焊接機器人柔性加工的研究重點之一。多機器人協調工作方式可以有效地提高生產力并增強實現復雜任務的通用性。一般而言,多機器人工作環境包括兩類協調操作:緊協調操作和松協調操作。緊協調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;松協調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。
        多焊接機器人協調控制
        一般地,可將工業機器人系統協調分為:每個機器人在共享工作空間內獨立執行各自的任務和所有機器人協調完成一項給定的任務兩大類。多機器人協調操作具有以下特點:
        (1)兩機械手抓住同一物體或構成特定形位關系后,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系。
        (2)雙臂協調的動力學比單臂更為復雜,雙臂協調作業時的兩個動力學方程可組合成單一的動力學方程,但維數的增加及相互耦合的關系使求解困難。
        (3)雙臂協調的控制結構比單臂的復雜,要實現不同機械臂間的協調運動控制,必須在機器人原控制系統之上增加協調控制級。
        由于機器人雙臂協調控制的復雜性與困難性,近年來,國內外學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、避碰軌跡規劃、閉鏈運動學和動力學模型及協調控制策略等方面。
        協調運動控制約束條件
        多機器人協調的運動約束條件是焊接機器人協調控制研究的基礎,Y。F。Zheng、J。Y。S。Luh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,主動機器人的關節位移、速度和加速度根據運動規劃預先給定,而從動機器人的對應值則通過機器人系統的主從關系來確定,并且首次推導出兩個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,進而又將這一結果擴展到關節速度、加速度和廣義力的約束方程。HongSuh等對雙臂協調機器人系統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研究,得到了從動機器人的廣義解。毛祖鐵用回轉變換張量的方法推導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律兩種情況下的運動學協調條件。楊成梧等針對雙臂協調機器人兩手同時抓持同一物體運動時的結構與工作特點,由主手的運動狀態推導出從手在其自身坐標系中的運動狀態。湯宇松等以空間復雜邊緣跟蹤任務為對象,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調解決此類問題的基本策略方法,為弧焊機器人系統協調控制研究提供了良好的借鑒。
        協調運動控制
        進行機器人系統雙臂協調運動控制時,主要有3種控制方案,即位置—位置控制、位置—力控制及動力學控制。位置—位置控制是機器人雙臂協調研究過程中首先發展起來的一種控制方法,C。O。Alford在位置控制方式下,控制主動機器人按預先規劃的軌跡運動,而從動機器人則沿著由主動機器人軌跡導出的軌跡運動,實現了主從機器人間的協調運動。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生內應力,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,沿預先規劃的軌跡運動,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在定義工作空間坐標和引入關節空間向量的基礎上,推導出雙臂機器人的運動學和靜力學公式,成功地應用了混合位置—力控制。為保證機器人運動的精確性和良好的動態響應,研究人員在機器人雙臂協調運動的研究中提出了動力學控制方案,應用非線性變換方法研究了雙臂協調時兩個機器人操縱單一物體的動力學混合控制算法,并把物體間的內力作為一個控制量來消除,只考慮物體位置時的逆動力學冗余問題,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調控制策略,Motoman機器人為主手(正面),KUKA機器人為從手(背面),建立該系統協調運動的算法模型,根據主手焊槍末端位置和姿態,以工件基準路徑平面為對稱面,經過運動學坐標變換,推導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調運動,實現了雙面雙弧焊機器人焊接。圖1為多機器人協作焊接系統試驗平臺。
        另外,文獻研究了3機器人協調系統搬運/操作大型物體到期望的位置/姿態過程中的軌跡規劃和控制策略問題。采用“Master-and-Two-slaveRobot”的操作模式實現對工件的協調搬運。
        在機器人弧焊領域,從簡化運算量的角度出發,提出了基于位置的弧焊機器人與變位機的協調運動控制算法。一種基于用戶坐標系的雙機器人焊接系統,分別在工件上建立用戶坐標系,在用戶坐標系進行位姿轉換,此模型不需要機器人本身運動模型即可實現雙機器人的協調運動。
        多機器人智能化焊接
        在工業應用中,多機器人協調系統多采用集中式控制,由一個中央控制單元對整個系統進行規劃和決策。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據都發送給控制中心,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,所以多機器人的協調與沖突問題比較容易解決。
        現代化焊接工廠已向數字化、信息化、自動化、集成化、柔性化和智能化方法發展,尤其在航空航天大型空間曲線結構件,焊接變形影響,焊縫軌跡復雜,需要多個機器人、變位機共同作業,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,才能實現大型構件的機器人智能化焊接。
        譚民等介紹了一個用于環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。采用一臺主控工業計算機(IPC)作為上層控制單元,負責船體模塊的姿態控制、逆運動學、機器人軌跡規劃、輸入設定及系統狀態的顯示等工作。王宗偉等介紹了雙弧焊機器人在摩托車車架附件組焊中的應用情況,采用主從協調控制完成焊接作業,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,協調它們之間的動作。
        多智能體系統(MAS)就是研究在一定的網絡環境,各個分散的、相對獨立的智能子系統之間通過合作,共同完成一個或多個控制作業任務的技術。MAS適合于對于多機器人的協調問題,目前對于這一系統的研究比較多。
        馬國紅等利用Petri網理論對多臺機器人焊接系統進行了建模,根據系統的特點設計了基于局域網絡通信的軟件控制系統,實現系統的全局調度,通過試驗實現系統各個機器人協調動作,未發生動作干涉。
        邱濤采用基于Petri網模型的離散控制與計算機程序實現的接口方法,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現方法。
        上海交通大學設計了一個焊接柔性制造單元多智能體系統WFMC[23],此系統由3臺工業機器人,兩個焊接過程監控傳感器以及焊接電源組成,所有硬件資源均通過以太網和TCP/IP協議進行連接。設計者把這個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功能模塊,并實現了各模塊點對點的通信,各個功能模塊通過合作實現了3個機器人協調完成指定任務。
        合肥工業大學開發的一種雙機協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,把整個系統劃分為機器人作業模塊、焊接控制模塊、變位機伺服控制模塊、狀態監控模塊、本地操作模塊、網絡與接口模塊,實現了雙機器人協調焊接。
        王慧等[25]以基于TCP/IP協議的以太網作為多機器人系統的通信網絡結構,采用C/S的方式實現了多機器人之間的通信。
        在多機器人協調控制策略的研究上,“集中”控制成本低、實現容易,是企業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通信網絡解決相互協調的問題,魯棒性強,但智能化控制系統復雜,實現起來相對困難。
        結論及展望
        對大型結構件實現機器人自動化焊接,尤其針對航空航天復雜結構件,對人的依賴性高。如果機器人具有人的感官和智能學習等能力,也就是具有智能化技術。只有機器人具有智能化制造技術才能保證大型復雜結構件的焊接質量穩定性。
        應該大力發展多機器人協作、智能化傳感技術、智能化控制技術和數字化信息化技術,為航空航天復雜結構件實現機器人智能制造提供有力支撐。

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