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双臂机器人协调运动规划方法研究

双臂机器人协调运动规划方法研究

作者：林志峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着社会的高速发展和科技的日益成熟,机器人在社会生产和生活各领域中的应用愈加广泛。人们迫切的期望机器人能够具备更多的类人的功能来满足人类在工业生产、医疗和服务等方面不断提高的要求。双臂机器人相比于单臂机器人,在装配搬运... 详细信息

随着社会的高速发展和科技的日益成熟,机器人在社会生产和生活各领域中的应用愈加广泛。人们迫切的期望机器人能够具备更多的类人的功能来满足人类在工业生产、医疗和服务等方面不断提高的要求。双臂机器人相比于单臂机器人,在装配搬运、设备维护、人员营救、勘探检测、手术医疗甚至家庭陪护等方面有着更加广泛的应用前景。本文以实验室自主研制的WLR-III机器人双臂系统为研究对象,建立了该双臂机器人系统的正逆运动学模型,基于ROS/Move It!开发环境搭建了双臂机器人仿真实验平台,重点对双臂机器人协调运动规划方法展开研究,最后在WLR-III机器人双臂系统上完成实验验证。首先,分析了WLR-III机器人双臂系统的结构特征,采用D-H方法完成了双臂机器人的参数化表示,并确定了双臂的D-H参数。结合逆向思维推导出了封闭形式的双臂机器人运动学正逆解,提出了一种逆运动学解的优化方法,并分析了其奇异性。推导了双臂的瞬时运动学,求解了基本雅可比矩阵,并完成了机器人工作空间的求取和分析,为后续双臂机器人运动规划奠定基础。其次,基于包围盒碰撞检测方法,结合WLR-III机器人的结构特点,提出了基于球体、圆柱体和胶囊体的混合包围盒的双臂机器人碰撞检测策略,建立了用于碰撞检测的双臂机器人简化模型,分析了双臂机器人在运动过程中可能出现碰撞的各种情形,将碰撞检测问题转化为求解空间点线间的最小距离,且可以实现碰撞预警,并采用二次投影法提高了碰撞检测的效率。再次,研究了基于RRT算法的双臂机器人运动规划算法,该算法以随机采样的方式进行运动规划,并研究了改进的RRT-Connect和RRT*算法的特点和性能,针对WLR-III机器人,提出了特定轨迹的规划方法和轨迹插补算法,并以抓取工具并放回为应用场景进行了运动规划仿真和实验验证。最后,研究了双臂机器人协调运动规划方法,根据双臂之间的运动约束关系,将双臂协调运动分为双臂独立运动、松协调运动以及紧协调运动。采用主从规划的方式分析和推导了上述三种协调运动的位姿和速度约束关系,并以双臂搬运物体为应用场景进行了双臂协调运动仿真和实验验证。

关键词：双臂机器人机器人操作系统运动学碰撞检测协调运动规划

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双臂机器人协调运动规划研究

双臂机器人协调运动规划研究

作者：庄照波山东科技大学

学位级别：硕士

随着加工任务对于自动化和智能化的要求越来越高,单臂机器人由于自身的局限性,已经不能满足复杂的生产加工要求。双臂机器人因其具有更高的灵活性和更好的适应能力,能够适应复杂多变的工作任务,所以被广泛应用在精密装配和搬运重物等场... 详细信息

随着加工任务对于自动化和智能化的要求越来越高,单臂机器人由于自身的局限性,已经不能满足复杂的生产加工要求。双臂机器人因其具有更高的灵活性和更好的适应能力,能够适应复杂多变的工作任务,所以被广泛应用在精密装配和搬运重物等场合,并成为机器人研究领域中的热点之一。双臂机器人并不是两个单臂机器人的简单组合,双臂之间存在严格的运动约束关系,如何实现双臂在不碰撞的前提下,协调完成指定的作业任务已成为研究的难点。本文对双臂机器人协调运动规划进行了深入研究,主要完成了下列工作:本文以六自由度双臂机器人为研究对象,采用D-H参数建模法建立坐标系并确定D-H参数,求出了双臂机器人运动学正逆解方程。提出了将双臂机器人协调操作模式分为独立操作模式、部分约束操作模式和全约束操作模式,并针对这三种操作模式,推导了被搬运物体之间、双臂与被搬运物体之间及双臂之间的位姿和速度约束关系,提出了一种基于主从式双臂的力/位混合控制方式,解决了传统协调控制方法的不足,采用主从式工作方式,主臂的轨迹预先设定,根据不同操作模式下的协调运动约束关系实时推导出从臂的位姿。利用MATLAB Robotics Toolbox对双臂机器人分别在关节空间和笛卡尔空间进行了轨迹规划仿真,绘制出了相应的变化曲线。针对机器人双臂之间的碰撞问题,提出了一种基于简化几何体的碰撞检测方法,并用MATLAB编写碰撞检测程序进行了仿真,验证了碰撞检测算法的正确性,提出了一种双臂协调运动规划方法,并利用协调搬运作业对该方法进行了仿真验证。对双臂机器人的动力学进行了研究,利用拉格朗日法推导了机器人动力学方程,采用ADAMS软件和MATLAB软件相结合的方式,分别对双臂协调搬运和轴孔装配作业进行了联合仿真,通过采用将虚拟样机技术与控制系统仿真技术相结合的方法,较为全面的分析了双臂机器人的运动学、动力学和控制系统的性能。

关键词：双臂机器人运动学协调运动规划碰撞检测动力学联合仿真

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焊接机器人与变位机的协调运动规划

焊接机器人与变位机的协调运动规划

作者：罗辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

焊接在实际的产品制造中占据重要的地位，工业产品的品质很大程度上都依赖于焊接的优劣。焊接机器人系统能够提高焊接生产的效率，降低人力成本，获得更加优异的焊缝质量，从而愈加广泛的应用在工业生产中。本文基于6自由度非正交偏置... 详细信息

焊接在实际的产品制造中占据重要的地位，工业产品的品质很大程度上都依赖于焊接的优劣。焊接机器人系统能够提高焊接生产的效率，降低人力成本，获得更加优异的焊缝质量，从而愈加广泛的应用在工业生产中。本文基于6自由度非正交偏置串联机器人和2轴俯仰变位机，搭建了一个完整的实验系统。考虑到管板接头焊缝，相贯线焊缝，螺旋线焊缝为工业生产中常见的曲线焊缝，本文将它们作为主要的实验对象，并给出了焊点在待焊工件空间下的位置和姿态的求解方法，同时建立了表征焊枪姿态的坐标系。对于非正交偏置串联机器人，综合应用几何法和旋量法研究了机器人的逆运动学问题，并根据关节位移最小的原则，找到了一组最优关节角。根据本文的机器人构型，使用较为简单的方法得到了雅可比矩阵的导数。同时，分析了船型焊的焊接工艺特点，给出了变位机实现任意待焊点处于船型焊位姿的算法。为了得到该实验系统各设备之间的协调运动的最佳路径，针对焊接生产对机器人运动性能和工艺参数的需求，建立了用于评估运动过程中焊枪姿态、机器人的可操作性和运动平稳性优劣的三个指标函数，依照关注方向的不同，构造了两种优化的目标函数。一方面，根据多性能融合控制算法，采用线性加权的方式给出了目标函数，并采用遗传算法，针对工业生产中典型的三种焊缝进行了路径规划，并将获得的结果跟前人的结果进行了对比，结果表明，该算法正确可行，机器人和变位机关节运动更为平稳，能够获得优异的焊接质量。另一方面，由于焊接过程对机器人的可操作性要求较高，故将机器人的可操作性函数作为目标函数，其它函数作为约束条件，同样采用遗传算法，对焊缝进行了路径规划，将获得的结果与多性能融合控制算法的结果进行了对比，结果表明，虽然在所有的待焊点序列，机器人都处于具有较好可操作性的位形，但关节速度、关节加速度波动较大，容易产生较差的产品成型。

关键词：偏置船型焊协调运动规划多目标单目标

基于双矩阵编码混合蛙跳算法的多焊接机器人任务分配

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计算机集成制造系统 2024年第5期30卷 1779-1788页

作者：常浩刘银华赵文政程晓明上海理工大学机械工程学院上海200093

焊接工艺是整车制造的重要环节之一,多机器人焊接工艺问题涉及任务分配、多机协调与运动规划等多个子问题,这些子问题之间的耦合关系导致工艺规划问题求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题,... 详细信息

焊接工艺是整车制造的重要环节之一,多机器人焊接工艺问题涉及任务分配、多机协调与运动规划等多个子问题,这些子问题之间的耦合关系导致工艺规划问题求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题,综合考虑机器人的可达性、机器人与静态环境无碰与多机器人无冲突等条件,提出一种面向多焊接机器人协调运动规划的任务分配新方法。首先,构建候选轨迹库与轨迹冲突表,在此基础上建立面向焊点任务分配与焊接轨迹协调规划的优化模型,提出基于双矩阵编码的改进混合蛙跳算法进行优化求解。通过加入两种交叉算子、一种变异算子与贪婪放置策略,获得多机器人焊接任务近似最优规划结果。最后,通过某白车身焊接案例验证了所提方法有效性。同时,结果证明,工位焊接周期平均下降16.26%,多机器人运行时间一致性提升30.87%。

关键词：焊接工艺任务分配多约束优化协调运动规划

基于双矩阵编码混合蛙跳算法的多焊接机器人任务分配

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计算机集成制造系统 2023年

作者：常浩刘银华赵文政程晓明上海理工大学机械工程学院

焊接工艺是整车制造的重要环节之一，多机器人焊接工艺规划涉及任务分配、多机协调与运动规划等子问题耦合导致求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题，综合考虑机器人的可达性、机器人与静态... 详细信息

焊接工艺是整车制造的重要环节之一，多机器人焊接工艺规划涉及任务分配、多机协调与运动规划等子问题耦合导致求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题，综合考虑机器人的可达性、机器人与静态环境无碰与多机器人无冲突等条件，提出一种面向多焊接机器人协调运动规划的任务分配新方法。首先，构建候选轨迹库与轨迹冲突表，在此基础上，建立了面向焊点任务分配与焊接轨迹协调规划的优化模型，提出基于双矩阵编码的改进混合蛙跳算法进行优化求解。通过加入两种交叉算子，一种变异算子与贪婪放置策略，获得多机器人焊接任务近似最优规划结果。最后，通过某白车身焊接案例验证了所提出方法有效性。同时结果证明，工位焊接周期平均下降16.26%，多机器人运行时间一致性提升30.87%。

关键词：焊接工艺任务分配多约束优化协调运动规划

重型车辆高强钢主体结构变位工装设计与工艺试验研究

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重型车辆高强钢主体结构变位工装设计与工艺试验研究

作者：刘剑南京理工大学

学位级别：硕士

本文在复合热源螺柱焊机器人系统的研究前提下,将变位机系统与机器人进行整合,建立机器人变位机工作站,并对变位机系统进行分析与设计。对重型车辆高强钢结构件进行了工艺试验研究,针对重型车辆的高强钢GY5、GY4和(?)16mm和(?)22mm的碳... 详细信息

本文在复合热源螺柱焊机器人系统的研究前提下,将变位机系统与机器人进行整合,建立机器人变位机工作站,并对变位机系统进行分析与设计。对重型车辆高强钢结构件进行了工艺试验研究,针对重型车辆的高强钢GY5、GY4和(?)16mm和(?)22mm的碳钢附座,开展复合热源螺柱焊接工艺试验,并从抗剪强度、宏观断口等方面对焊接质量进行分析。对重型车辆主体结构件附座复合热源机器人工作站总体设计。根据复合热源螺柱焊接工艺和机器人焊接的特点,引进了变位机系统,针对变位机系统与复合热源机器人自动焊接系统的耦合与解耦进行分析,进行机器人工作站设计,实现自动螺柱焊接的目的。对机器人变位机系统进行整体规划,对机器人系统、螺柱焊系统、变位机系统和电气控制系统等各个部分的设计要求进行分析与阐述。设计变位机系统以及工作台倾斜与回转装置,根据相关技术参数选择相应的控制模块,设计变位机的工装夹具,使其满足工件的装夹要求。规划机器人变位机系统协调运动,并对其可行性进行分析与模拟,讨论焊接姿态对焊接质量的影响。分解变位机运动任务,得出相应的位置变换矩阵,进行机器人变位机运动学的耦合与解耦分析,提出机器人变位机工作站运动学规划及仿真系统设计方案。根据变位机的类型,计算工件旋转扭矩、转矩等参数,根据参数计算、选型、分析、校验变位机内部各个部件,主要部件包括倾斜齿轮、涡轮、蜗杆、倾斜轴、涡轮轴和蜗杆轴。

关键词：变位机系统工装夹具协调运动规划工业试验