点作为初始位置P。； 步骤102)预估计下一个焊点位置：根据前一焊点和焊缝曲线，利用式（1)预估计下一 个焊点位置P1;式中，预估焊点位置？1用（Xl，yi，Zl)表示，（Xl，yi，Zl)表示预估焊点在笛卡尔坐标系 中的坐标，笛卡尔坐标系的原点为工件模型中心或者夹具中心，X轴方向为平行于工件的 方向，z轴方向是垂直于工件的方向，由X轴方向和z轴方向根据右手法则确定y轴方向； (Xii，yi1，Zii)表示位于预估焊点之前的一个焊点在笛卡尔坐标系中的坐标；i= 1、2、…、 〇,i的初始值为1，〇表示焊点的总数； 步骤103)获得实际步长：对步骤101)和步骤102)获得的相邻焊点，根据弧微分公式 (2)，获得相邻两焊点之间的实际步长s1;式中，(t)表示第i段步长在X轴方向上的偏导数，< (t)表示第i段步长在y轴 方向上的偏导数，^ (t)表示第i段步长在z轴方向上的偏导数，t。表示实际步长的开始 时间，t表示实际步长的终止时间； 步骤104)对下一个焊点进行校正：根据步骤103)获得的实际步长Sl，与步骤101)设 定的最小步长s比较，若s<Sl，则下一个焊点离散完成，步骤102)预估计的焊点位置PiS 下一个焊点的离散点；若s>Sl，则舍弃步骤102)预估计的焊点位置，并在公式（2)中，以最 小步长s校正得到下一个离散点P1; 步骤105)获得所有离散点：返回步骤102)，直到获得所有的离散点，实现对空间曲线 焊缝的特征提取。3. 根据权利要求1或2所述的基于任务解耦的多机器人协作焊接路径的生成方法，其 特征在于：所述的第二步包括以下步骤： 步骤201)建立机器人工作的混合最优目标U，如式（3)所示： U=w1U1+w2U2 式（3) 式中，Wl表示工作时间最短化优化目标的权重，ui表示工作时间最短化优化目标，u =1，2,3，"·，α}，ν表示编号为y的机器人的运动时间，a表示机器人的总 数;《2表示各机器人工作时间均衡性最优化目标的权重，1]2表示各机器人工作时间均衡性 最优化目标，Uj^minlmaxUr)-η?η(ν)}; 步骤202)建立约束条件：约束条件包括空间可达性约束、碰撞约束、运动学约束、同步 焊接约束和安全时间约束； 对于同步焊缝，建立如式（4)所示的同步焊接约束条件： tys=tws,tve=twe)dv=dw (v,wGS) 式（4) 式中，tvs表示焊缝V的开始焊接时间，tws表示焊缝W的开始焊接时间，t%表示焊缝V的结束焊接时间，tWf；表示焊缝w的结束焊接时间，dv表示焊缝v的焊接方向，d"表示焊缝w 的焊接方向，即满足时间相等，且运动方向相同，S表示所有焊缝的集合； 对于竞争焊缝，建立如式（5)所示的安全时间约束条件： t<tws-tveIIt<tvs-twe (v,weS) 式（5) 式中，t表示焊缝需要的冷却时间，为常数；焊缝v的开始时间要晚于焊缝w的结束时 间加t，或者焊缝w的开始时间要晚于焊缝v的结束时间加t，S为所有焊缝的集合；式（5) 中两条平行竖向表示或者； 对于所有焊缝，建立如式（6)所示的空间可达性约束条件： Pv(i)eR(veS) 式（6) 式中，Ρνω表示步骤103)获得的在第v条焊缝上相对于整条焊缝起点位置的第v(i) 个焊点，R表示机器人的工作空间，即焊点要在R的工作空间中； 对于所有焊缝，建立如式（7)所示的碰撞约束条件：式中，RWP表示待焊接工件所占空间，RP表示机器人P所占空间，Rq表示机器人q所占 空间；待焊接工件、机器人P所占空间不能重合； 机器人运动学约束条件：所有机器人的运动速度和加速度要在各机器人设定的范围内 运动。 步骤203)建立混合最优模型：将步骤201)建立的混合最优目标和步骤202)建立的约 束条件结合，建立多机器人协作焊接的任务规划混合最优模型。4.根据权利要求1所述的基于任务解耦的多机器人协作焊接路径的生成方法，其特征 在于：所述的第三步包括以下步骤： 步骤301)确定适应度函数：根据第二步建立的混合最优模型，确定如式（8)所示的适 应度函数：其中，队表示步骤201)建立的第k个优化目标，?ζ:表示第k个优化目标在初代种群中 的平均值，ck表示第k个优化目标在混合优化模型中的权重，η表示步骤201)建立的优化 目标的数量，η= 2 ; 步骤302)建立多染色体：根据步骤202)建立的多个约束条件，建立三染色体方案，第 一条染色体为焊缝ID，第二条染色体为该焊缝分配给的机器人，第三条染色体为焊缝的焊 向； 步骤303)建立多算子模型； 步骤304)获取最优分配结果：根据步骤302)和步骤303)建立的模型，进行迭代遗传， 获得多机器人焊接任务的分配。5. 根据权利要求4所述的基于任务解耦的多机器人协作焊接路径的生成方法，其特征 在于：所述的步骤303)包括以下步骤： 步骤3031)预处理算子：对专属作业区的焊缝和同步焊缝分配给对应机器人，对竞争 焊缝随机分配给一个机器人，完成焊缝分配的初始化； 步骤3032)选择算子：采用最优个体保留和轮盘赌选择相结合的方法，选择并保留每 代中的最优个体，并用最优个体代替下一代中的最差个体，以保证每代种群的最优个体适 应度不会变差； 步骤3033)交叉算子：采用部分匹配交叉方法对染色体进行交叉，随机选取当代种群 中的两个个体部分染色体基因片段加以交换，重组生成新的个体，以提高遗传算法的全局 搜索能力； 步骤3034)变异算子：随机选取当代种群中的某个个体，并通过随机对换某染色体中 的任意两条焊缝和随机对某染色体中的焊向进行取反来实现变异； 步骤3035)校验算子：通过对换同一机器人的两条同步焊缝次序的方法，对交叉和变 异后产生的同步焊缝焊向不一致或者死锁的情况进行校验，将同步焊缝调整到焊向一致 状态，且无死锁现象的发生。6. 根据权利要求1所述的基于任务解耦的多机器人协作焊接路径的生成方法，其特征 在于：所述的第四步包括以下步骤： 步骤401)建立多机器人主从式机器人运动学协调模型：根据主机器人工具手、从机器 人工具手相对于待焊接工件的位姿变化关系，获得主从式机器人运动闭合链，并建立式（9) 所示的适用于紧耦合和松耦合的主从式机器人运动学协调模型：式中，suSitep表示从机器人基座标系到从机器人工具手的位姿变换矩阵，mus表示主机 器人基座标系到从机器人基座标系的变换矩阵，表示主机器人基座标系到主机器人 工具手的位姿变换矩阵，表示从机器人工具手到主机器人工具手的位姿变换矩 阵，m'tepUSitep(t)表示主机器人工具手到从机器人工具手的位姿变换矩阵； 步骤402)确定主机器人轨迹：根据第一步中提取的焊缝特征，按机器人的示教方法， 获得主机器人的一系列离散化的焊点{Ρηι1，Ρηι2,. . .，pj，作为主机器人的运动轨迹；Ρηι1表示 主机器人的第1个轨迹点，pm2表不主机器人的第2个轨迹点，pmn表不主机器人的第η个轨 迹点； 步骤403)确定从机器人轨迹：根据步骤401)建立的主从式机器人运动学协调 模型以及步骤402)获得的主机器人运动轨迹，获得从机器人的一系列离散化的焊点 {psl,ps2,. . .，psn}，作为从机器人的运动轨迹；psl表不从机器人的第1个轨迹点，ps2表不从 机器人的第2个轨迹点，psn表不从机器人的第η个轨迹点； 步骤404)主从机器人同步焊接：根据步骤402)和步骤403)获得的主机器人和从机器 人的运动轨迹，将焊缝分成若干小段轨迹，使主从机器人在每一小段的运行时间相同，进而 保证主从机器人整个轨迹的同步运动； 依据式（10)调整各机器人的焊接速度：式中，Pni(1+1)表示步骤402)中确定的主机器人的第i+Ι个焊点，Pnu表示步骤402)中确 定的主机器人的第i个焊点，ps(1+1)表示步骤403)中确定的从机器人的第i+Ι个焊点，pS1 表示步骤403)中确定的从机器人的第i个焊点，i为整数，1 <i<n-1;T表示机器人在步 长内的运动时间，单位：ms;vmi表示同步调整后的主机器人在步长内的运行速度，单位：_/ ms;vsi表示同步调整后的从机器人在步长内的运行速度，单位
【专利摘要】本发明公开了一种基于任务解耦的多机器人协作焊接路径的生成方法，包括以下步骤：第一步：根据待焊接工件模型，采用弦公差与最小步长相结合的方法，通过非等距取点对焊缝进行离散化处理，提取空间曲线焊缝特征；第二步：建立多机器人协作焊接任务规划模型；第三步：采用多算子多染色体结构的改进遗传算法，进行多机器人焊接任务的分配；第四步：建立基于运动闭合链的多机器人主从式协作运动模型，生成紧耦合和松耦合下的多机器人协作路径。该方法能针对主从式多机器人的耦合关系，建立统一的多机器人协作焊接模型，有效地多机器人协作焊接的任务规划效率。
【IPC分类】G05B19/19
【公开号】CN105302062
【申请号】CN201510664567
【发明人】周波, 吴宝举, 戴先中, 孟正大, 曲志兵
【申请人】东南大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月15日