多焊接機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)的資料概述

　　眾所周知，航空航天裝備結(jié)構(gòu)件復雜，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)復雜任務的通用性。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。

　　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：每個機器人在共享工作空間內(nèi)獨立執(zhí)行各自的任務和所有機器人協(xié)調(diào)完成一項給定的任務兩大類。多機器人協(xié)調(diào)操作具有以下特點：

　?。?）兩機械手抓住同一物體或構(gòu)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(xié)調(diào)的動力學比單臂更為復雜，雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)時的兩個動力學方程可組合成單一的動力學方程，但維數(shù)的增加及相互耦合的關系使求解困難。

　　（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)控制的復雜性與困難性，近年來，國內(nèi)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(guī)劃、閉鏈運動學和動力學模型及協(xié)調(diào)控制策略等方面。

　　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，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(jié)位移、速度和加速度根據(jù)運動規(guī)劃預先給定，而從動機器人的對應值則通過機器人系統(tǒng)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(zhí)行器的位姿齊次約束方程，進而又將這一結(jié)果擴展到關節(jié)速度、加速度和廣義力的約束方程。Hong Suh等對雙臂協(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研究，得到了從動機器人的廣義解。毛祖鐵用回轉(zhuǎn)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(guī)律兩種情況下的運動學協(xié)調(diào)條件。楊成梧等針對雙臂協(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)推導出從手在其自身坐標系中的運動狀態(tài)。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(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。

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　　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—力控制及動力學控制。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在位置控制方式下，控制主動機器人按預先規(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(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在定義工作空間坐標和引入關節(jié)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(tài)響應，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控制方案，應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，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(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。