基于多Agent技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)

苗新剛 汪 蘇 懷其武 郭 倩

北京航空航天大學(xué),北京,100191

基于多Agent技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)

苗新剛 汪 蘇 懷其武 郭 倩

北京航空航天大學(xué),北京,100191

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)是集自動裝配、精確定位、誤差檢測、過程仿真、數(shù)據(jù)存儲等于一體的系統(tǒng),由柔性裝配工裝、工業(yè)機(jī)器人、激光跟蹤儀、激光掃描儀等單元組成,而各單元之間的合作與協(xié)調(diào)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過分析裝配過程發(fā)現(xiàn),多A gent技術(shù)非常適合該裝配過程的特點,因此,對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)進(jìn)行了多Agent建模,將系統(tǒng)分成若干個相互獨立的Agent,各Agent間通過局域網(wǎng)進(jìn)行通信,通過改進(jìn)的合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行協(xié)商,從而可以可靠地、有效地完成自動裝配任務(wù)。

飛機(jī)裝配;多A gent;激光跟蹤儀;激光掃描儀;機(jī)器人

0 引言

研究發(fā)現(xiàn),復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)由若干個相對獨立的子系統(tǒng)組成,是典型的分布式系統(tǒng),將多Agent的控制思想應(yīng)用到該裝配系統(tǒng)中,是解決各子系統(tǒng)間通信、協(xié)調(diào)和合作的最有效途徑。

1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)總體方案

1.1 裝配過程簡介

在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)工作時,由柔性裝配工裝來支撐和夾持飛機(jī)部件。在飛機(jī)部件的定位基準(zhǔn)點上安裝光學(xué)目標(biāo)反射器,由激光跟蹤儀測量這些光學(xué)目標(biāo)點的位置,以獲得位置信息。該信息與飛機(jī)部件模型信息比對后,將數(shù)據(jù)傳遞給裝配系統(tǒng)的運動控制器,從而驅(qū)動柔性裝配工裝來調(diào)整飛機(jī)部件的位姿,直到定位基準(zhǔn)點到達(dá)公差范圍內(nèi)的準(zhǔn)確目標(biāo)位置上,實現(xiàn)部件的精確對接定位。同時,輔助機(jī)器人夾持著激光掃描儀對裝配部件進(jìn)行掃描,獲得飛機(jī)部件的形面數(shù)據(jù),然后傳遞給數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng),實現(xiàn)對整個裝配過程的實時在線仿真。

1.2 系統(tǒng)的總體方案

如上所述,復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配實驗系統(tǒng)是一個集自動裝配、精確定位、適時檢測、批量數(shù)據(jù)處理、裝配過程仿真等一體的綜合系統(tǒng),涉及機(jī)械、控制、測量、計算機(jī)等方面的專業(yè)知識,系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛機(jī)裝配檢測一體化實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)柔性裝配工裝子系統(tǒng)。主要由柔性工裝機(jī)械本體、多姿態(tài)柔性裝配型架、UMAC運動控制器等部分組成。柔性裝配工裝子系統(tǒng)是整個裝配系統(tǒng)的主體,它接受產(chǎn)品數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù),并根據(jù)其內(nèi)部的控制算法來驅(qū)動機(jī)械本體,從而實現(xiàn)裝配定位的具體動作。

(2)數(shù)據(jù)采集與定位子系統(tǒng)。在裝配的過程中,裝配部件位置測量的準(zhǔn)確性直接影響裝配的成敗,而激光跟蹤測量系統(tǒng)是解決這一難題的最好手段。激光跟蹤儀是近十幾年才發(fā)展起來的新型測量儀,它可對空間運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時測量其空間三維坐標(biāo),具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優(yōu)點。

(3)裝配適時檢測與仿真子系統(tǒng)。采用三維激光掃描儀,可快速準(zhǔn)確地對工件原型進(jìn)行三維掃描和高精度數(shù)字化復(fù)制,從而建立工件的數(shù)學(xué)模型,產(chǎn)生出裝配全過程的三維動態(tài)仿真,并顯示裝配工裝系統(tǒng)的生成時間、飛機(jī)部件的裝配時間以及裝配操作性、安全性的檢查評估報告。該系統(tǒng)由輔助機(jī)器人末端夾持激光掃描儀來實現(xiàn)。

(4)裝配機(jī)器人子系統(tǒng)。當(dāng)定位完成后,由裝配機(jī)器人按照裝配工藝的要求,對零部件進(jìn)行裝配連接。

(5)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)?；贠rical數(shù)據(jù)庫,利用多線程技術(shù)并行實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與在線監(jiān)控,將產(chǎn)品數(shù)據(jù)集、裝配工作數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實時保存,并提供一個友好的用戶界面。

2.1 文獻(xiàn)檢索結(jié)果 初檢獲得相關(guān)文獻(xiàn)498篇，閱讀題目和摘要后納入74篇文獻(xiàn)，然后按納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，最終納入10篇文獻(xiàn)[4-13]，共541例。文獻(xiàn)篩選流程，見圖1。

2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)的多Agent建模

2.1 系統(tǒng)的多Agent建模

通過對系統(tǒng)的特征分析我們可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中包含有功能不同、相互獨立的資源,采用傳統(tǒng)的集中式控制存在一定的困難。而多Agent[4-11]思想符合飛機(jī)自動裝配系統(tǒng)分布式控制的特點,并且該系統(tǒng)中的獨立資源,如柔性裝配子系統(tǒng)、激光掃描儀、激光跟蹤儀、裝配機(jī)器人等,它們都是Agent的最佳代表。因此,本文選擇多Agent的思想作為系統(tǒng)的控制模型,從而建立系統(tǒng)的多Agent結(jié)構(gòu),如圖2所示。

系統(tǒng)中各 Agent的功能如下:系統(tǒng)管理Agent負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理工作,用戶Agent通過系統(tǒng)管理Agent提供的界面與裝配過程進(jìn)行交互;柔性裝配工裝Agent負(fù)責(zé)系統(tǒng)的裝配任務(wù),包括基本的機(jī)械構(gòu)件及控制模塊,是整個裝配系統(tǒng)的主體;數(shù)據(jù)采集與定位Agent負(fù)責(zé)系統(tǒng)的精確定位,一般由三臺激光跟蹤儀組成,可對空間的定位點提供精確地三維坐標(biāo);定位完成后,由裝配機(jī)器人Agent進(jìn)行裝配連接;適時檢測Agent由工業(yè)輔助機(jī)器人手持激光掃描儀組成,主要完成裝配零部件的關(guān)鍵部分輪廓掃描,得到該特征的三維實體模型;裝配過程仿真Agent一方面要根據(jù)裝配零部件生成相關(guān)的裝配工藝,另一方面還要根據(jù)反饋的信息對裝配過程進(jìn)行適時仿真,從而監(jiān)控整個裝配過程;數(shù)據(jù)庫Agent將裝配過程中生成的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。所有的Agent通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信,并采用改進(jìn)的合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行協(xié)商,從而共同完成整個裝配任務(wù)。

圖2 飛機(jī)自動裝配系統(tǒng)的多Agent模型

2.2 Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模

Agent的體系結(jié)構(gòu)一般包括以下三種[12-13]:慎思型結(jié)構(gòu)、反應(yīng)型結(jié)構(gòu)、混合型結(jié)構(gòu)。其中,混合型結(jié)構(gòu)是慎思型結(jié)構(gòu)和反應(yīng)型結(jié)構(gòu)的結(jié)合,既能實現(xiàn)面向目標(biāo)的長期規(guī)劃,又具有實時性的特點,是多Agent應(yīng)用中最常用的體系結(jié)構(gòu)。

在考慮Agent基本結(jié)構(gòu)和實際裝配生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)上,本文提出了如圖3所示的混合式Agent模型。

各模塊功能如下:

(1)總控模塊 初始化內(nèi)部知識庫,調(diào)入領(lǐng)域?qū)＜叶x的協(xié)作描述,應(yīng)用交互協(xié)議與其他專家Agent交互,控制任務(wù)隊列中任務(wù)的提交和委托等。它是各個Agent內(nèi)部的控制機(jī)構(gòu)。

(2)反應(yīng)模塊 使得Agent具備了反應(yīng)性;繼承了反應(yīng)型Agent的優(yōu)點。

(3)通信模塊 與其他 Agnet的接口,使Agent不再是孤立的,具備和其他Agent的交互能力,從而使Agent具有了社會性。本系統(tǒng)通信協(xié)議采用改進(jìn)的合同網(wǎng)協(xié)議,通信語言采用KQM L語言。

(4)局部任務(wù)規(guī)劃模塊和協(xié)作模塊 使Agent根據(jù)自己的目標(biāo)、能力及狀態(tài)做出決定,而不受其他系統(tǒng)干涉,保證了Agent具有自主性和能動性。

圖 3 Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(5)任務(wù)模塊和任務(wù)隊列 系統(tǒng)中的問題求解和協(xié)作均以任務(wù)為單位進(jìn)行,任務(wù)處理模塊對本地用戶提交的問題進(jìn)行分析,將超出自身知識領(lǐng)域的部分問題分解成一個或多個子任務(wù)并放入任務(wù)隊列,將其轉(zhuǎn)化成推理模塊可以識別的信息格式以進(jìn)行推理。

(6)推理模塊 是專家Agent的執(zhí)行機(jī)構(gòu),由任務(wù)處理模塊啟動,推理機(jī)體現(xiàn)了知識運用的方法。

(7)知識庫 記錄本地專家Agent和協(xié)作問題求解過程中的中間信息。存放專家Agent間協(xié)作的策略、知識、方法,以及采用的交互協(xié)議。

從系統(tǒng)的開發(fā)方式來看,該模型既具有反應(yīng)層的特性又復(fù)合慎思層的要求,以適應(yīng)系統(tǒng)對反應(yīng)速度和智能水平的不同要求。有了這樣的混合型Agent內(nèi)核,可以實現(xiàn)更多原有系統(tǒng)的重用,同時原有子系統(tǒng)的重用也為新系統(tǒng)的開發(fā)提高了效率、節(jié)約了成本。

3 裝配實例

圖4為用多Agent系統(tǒng)進(jìn)行裝配定位的一個實例。裝配要求為:某機(jī)翼的翼梁模型由三段連接而成,3個三坐標(biāo)的柔性工裝上分別夾持其中一段進(jìn)行對接,由激光跟蹤儀進(jìn)行定位測量。為了對比效果,分兩次進(jìn)行對接,一次是基于傳統(tǒng)的集中式控制方法,另一次是基于多Agent方法。

對接完成后再次使用激光跟蹤儀對其設(shè)計軸線的同軸度進(jìn)行測量,測量方法是在每段翼梁上分別取一個測量點A、B、C,分別測其空間 X、Y、Z的坐標(biāo),每個點測量三次,測量結(jié)果如表1和表2所示。

圖4 裝配實例圖

表1 集中式控制方法測量的同軸度

表2 基于Agent方法測量的同軸度

從表中可以看出,與傳統(tǒng)的集中式控制相比,運用基于多Agent的控制方法裝配的定位精度(同軸度)大約提高了30%。另外,由于多Agent系統(tǒng)在控制方式和數(shù)據(jù)傳遞上都比集中式控制減少了中間環(huán)節(jié),所以,其裝配效率有很大提高。

4 結(jié)束語

本文首先設(shè)計了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件裝配檢測一體化系統(tǒng)的總體方案,該方案是一個集自動裝配、適時檢測、精確定位、批量數(shù)據(jù)處理、裝配過程仿真等一體的綜合系統(tǒng)。其次,提出了基于多Agent技術(shù)的控制思想,對系統(tǒng)進(jìn)行了多Agent建模,將整個系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理Agent、柔性裝配工裝Agent、數(shù)據(jù)采集與定位Agent等獨立的Agent,并根據(jù)裝配過程的實際情況設(shè)計了單Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動裝配系統(tǒng)的各子系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。裝配實驗表明,基于多Agent技術(shù)的控制方法,其定位精度和裝配效率都得到很大的提高。

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Comp lex-structure Automatic Assembly System Based on Multi-agent

M iao Xingang Wang Su HuaiQiwu Guo Qian
Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing,100191

Comp lex-structure assemb ly detection integrated system included autom atic assemb ly,precision orientation,error checking,process simulation and data storage.Itwasmade up by flexible numerical control assem bly p latform,industrial robot,laser tracker and laser scanner.The cooperation of all parts is the key techno logy.It can be seen from analyses that the technology of multi-agent is very suitable for theassembly,so themulti-agentmodel ismade.Thewhole system can be divided into several separate agents,they can communicate by local area network,and they can negotiation by contract net protocol,so they can accom plish the assembly task reliably and effectively.

aircraft assembly;multi-agent;laser tracker;laser scanner;robot

TP273

1004—132X(2011)12—1440—04

2010—07—23

北京市教育委員會共建項目專項資助(20091024)

(編輯 何成根)

苗新剛,男,1973年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院博士研究生。研究方向為焊接機(jī)器人設(shè)計及控制系統(tǒng)、飛機(jī)自動裝配系統(tǒng)。發(fā)表論文10余篇。汪 蘇,男,1959年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。懷其武,男,1985年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院碩士研究生。郭 倩,女,1987年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院碩士研究生。