大型结构件多机器人焊接协调及智能化技术概况

众所周知，航空航天装备结构件复杂，大而薄，焊缝多为空间曲线焊缝。保证焊接质量、提高效率，是推动航空航天装备制造水平的关键。在生产效率和产品质量并举的今天，单一机器人已不能很好地胜任现代制造业的要求，在开放体系结构的软硬件基础之上，如何实现多机器人的协调运动控制就成为焊接机器人柔性加工的研究重点之一。多机器人协调工作方式可以有效地提高生产力并增强实现复杂任务的通用性。一般而言，多机器人工作环境包括两类协调操作：紧协调操作和松协调操作。紧协调操作是指在同一工作空间里，多机器人操作手共同处理同一物体；松协调操作是指在同一工作空间里，每个机器人独立地完成各自任务。

多焊接机器人协调控制

一般地，可将工业机器人系统协调分为[1-2]：每个机器人在共享工作空间内独立执行各自的任务和所有机器人协调完成一项给定的任务两大类。多机器人协调操作具有以下特点[3]：

（1）两机械手抓住同一物体或构成特定形位关系后，双臂形成一个闭式运动链，两个操作臂之间的运动必须满足一定的运动约束关系。

（2）双臂协调的动力学比单臂更为复杂，双臂协调作业时的两个动力学方程可组合成单一的动力学方程，但维数的增加及相互耦合的关系使求解困难。

（3）双臂协调的控制结构比单臂的复杂，要实现不同机械臂间的协调运动控制，必须在机器人原控制系统之上增加协调控制级。

由于机器人双臂协调控制的复杂性与困难性，近年来，国内外学者对其进行了大量研究，主要工作集中在载荷分配、运动分解、避碰轨迹规划、闭链运动学和动力学模型及协调控制策略等方面[4-5]。

协调运动控制约束条件

多机器人协调的运动约束条件是焊接机器人协调控制研究的基础，Y.F.Zheng、J.Y.S.Luh [6]在这方面作了较突出的工作，其将两个机器人分为主动机器人和从动机器人，主动机器人的关节位移、速度和加速度根据运动规划预先给定，而从动机器人的对应值则通过机器人系统的主从关系来确定，并且首次推导出两个机器人在特定工作条件下末端执行器的位姿齐次约束方程，进而又将这一结果扩展到关节速度、加速度和广义力的约束方程[7]。Hong Suh等[8]对双臂协调机器人系统中一个机器人刚性地抓住物体的一端，另一个机器人在抓住物体的另一端时可沿被抓物体表面相对移动的情况进行了运动学研究，得到了从动机器人的广义解。毛祖铁[9]用回转变换张量的方法推导出两个机器人相对位姿保持不变，但两机器人同时有运动，以及两机器人均有运动，且其中一个机器人相对另一个机器人有相对运动规律两种情况下的运动学协调条件。杨成梧等[10]针对双臂协调机器人两手同时抓持同一物体运动时的结构与工作特点，由主手的运动状态推导出从手在其自身坐标系中的运动状态。汤宇松等[11]以空间复杂边缘跟踪任务为对象，基于矢量方程的方法在笛卡尔空间内提出了利用机器人双手协调解决此类问题的基本策略方法，为弧焊机器人系统协调控制研究提供了良好的借鉴。

协调运动控制

进行机器人系统双臂协调运动控制时，主要有3种控制方案，即位置—位置控制、位置—力控制及动力学控制[12]。位置—位置控制是机器人双臂协调研究过程中首先发展起来的一种控制方法，C.O.Alford[13]在位置控制方式下，控制主动机器人按预先规划的轨迹运动，而从动机器人则沿着由主动机器人轨迹导出的轨迹运动，实现了主从机器人间的协调运动。位置—位置控制时，由于每个机器人的依从性差，在刚性连接条件下运动位置误差将产生内应力，因而这种方法只适用于低速运动和非刚性连接的运动。为了克服上述不足，人们提出了位置—力控制，即主动机器人为位置控制，沿预先规划的轨迹运动，而从动机器人为力控制，利用腕部的力传感器所获得的力信息跟随主动机器人进行反馈运动控制。M.Uchiyama[14]在定义工作空间坐标和引入关节空间向量的基础上，推导出双臂机器人的运动学和静力学公式，成功地应用了混合位置—力控制。为保证机器人运动的精确性和良好的动态响应，研究人员在机器人双臂协调运动的研究中提出了动力学控制方案，应用非线性变换方法研究了双臂协调时两个机器人操纵单一物体的动力学混合控制算法，并把物体间的内力作为一个控制量来消除，只考虑物体位置时的逆动力学冗余问题，取得较好的控制效果。

系统采用集散控制，双面双机器人采用主从协调控制策略[15]，Motoman机器人为主手（正面），KUKA机器人为从手（背面），建立该系统协调运动的算法模型，根据主手焊枪末端位置和姿态，以工件基准路径平面为对称面，经过运动学坐标变换，推导出背面从手机器人工具末端的运动路径点，从而控制从手跟随主手协调运动，实现了双面双弧焊