多機(jī)器人柔性焊接的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏秀權(quán) 王勝華 蔣啟祥

摘要：針對(duì)機(jī)器人柔性焊接領(lǐng)域，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集中控制架構(gòu)和周期同步位置模式，基于通用的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法，完成從動(dòng)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)矩陣計(jì)算，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制器的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程及相應(yīng)的編程指令集，最后采用4臺(tái)凱爾達(dá)KR1440機(jī)器人組成多機(jī)器人柔性焊接系統(tǒng)，通過典型主從協(xié)調(diào)焊接任務(wù)的示教編程再現(xiàn)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人主從狀態(tài)的在線切換功能，驗(yàn)證了多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性，為進(jìn)一步提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)的柔性水平提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多機(jī)器人;主從協(xié)調(diào);在線切換;柔性焊接

0? ? 前言

隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，單臺(tái)機(jī)器人完成復(fù)雜環(huán)境任務(wù)的適應(yīng)能力明顯不足，多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)系統(tǒng)可以增大操作空間、提高工作效率，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境任務(wù)的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[1]將多機(jī)器人分為主動(dòng)機(jī)器人和從動(dòng)機(jī)器人兩類，主動(dòng)機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃預(yù)先給定關(guān)節(jié)位移、速度和加速度，從動(dòng)機(jī)器人通過主從關(guān)系來確定對(duì)應(yīng)值，并首次推導(dǎo)出兩臺(tái)機(jī)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。文獻(xiàn)[2]針對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在分析集中控制和分散控制的基礎(chǔ)上提出集散控制，并提出集散控制需要解決多機(jī)器人間的通訊、基準(zhǔn)時(shí)鐘同步和坐標(biāo)標(biāo)定等問題。文獻(xiàn)[3]提出一種主從控制方法，通過控制主動(dòng)機(jī)器人的位置而從動(dòng)機(jī)器人采用跟蹤控制來保持其在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的約束關(guān)系。文獻(xiàn)[4]提出了多機(jī)器人協(xié)作分為耦合運(yùn)動(dòng)和疊加運(yùn)動(dòng)，并提出了示教方法。文獻(xiàn)[5]給出了機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)約束方程，并提出了兩種主從機(jī)器人軌跡計(jì)算方法，保證末端位姿保持時(shí)間上的同步和空間上的約束。

在機(jī)器人焊接領(lǐng)域，文獻(xiàn)[6]在定義了協(xié)調(diào)跟隨運(yùn)動(dòng)和疊加運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接和搬運(yùn)的示教方法，同時(shí)提出了根據(jù)主動(dòng)機(jī)器人末端軌跡確定從動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的方法。文獻(xiàn)[7]從簡化運(yùn)算量的角度出發(fā)，提出了基于位置的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法，根據(jù)主動(dòng)機(jī)器人焊槍末端位置和姿態(tài)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)變換，推導(dǎo)出背面從動(dòng)機(jī)器人工具末端的運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了雙面雙弧焊機(jī)器人焊接。文獻(xiàn)[8]指出多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制是焊接機(jī)器人柔性加工的研究重點(diǎn)之一。

綜上所述，在機(jī)器人柔性焊接領(lǐng)域，多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制一般采用位置-位置控制模式。多機(jī)器人協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)約束條件是焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制研究的基礎(chǔ)。在目前已知的多機(jī)器人控制系統(tǒng)中，多個(gè)機(jī)器人間的主從關(guān)系一般都是固定的，在執(zhí)行任務(wù)的過程中，機(jī)器人間的主從關(guān)系無法在線切換，限制了多機(jī)器人完成復(fù)雜環(huán)境任務(wù)的適應(yīng)性。

文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以機(jī)器人柔性焊接為應(yīng)用背景的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建了由4臺(tái)機(jī)器人組成的柔性焊接主從協(xié)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了典型主從協(xié)調(diào)焊接任務(wù)的示教編程再現(xiàn)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人主從狀態(tài)的在線切換功能，為進(jìn)一步提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)的柔性水平提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

文中在凱爾達(dá)KC20機(jī)器人控制器平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示，KC20平臺(tái)是基于通用工業(yè)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)總線架構(gòu)機(jī)器人控制器。控制器硬件系統(tǒng)包括：通用工業(yè)計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、安全單元和示教器;通用工業(yè)計(jì)算機(jī)上同時(shí)安裝實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows，兩者通過共享內(nèi)存通訊;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS上運(yùn)行EtherCAT總線傳輸主站，伺服驅(qū)動(dòng)模塊和安全單元設(shè)定為EtherCAT從站，三者通過EtherCAT總線協(xié)議通訊。

多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用集中控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)機(jī)器人，每臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)模塊作為EtherCAT總線從站，在通用工業(yè)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS上運(yùn)行EtherCAT總線傳輸主站，實(shí)現(xiàn)集中控制。多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制采用周期同步位置模式，主動(dòng)機(jī)器人作為焊接變位系統(tǒng)，夾持待焊工件按預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，保證最佳的焊接位姿。從動(dòng)機(jī)器人作為焊接裝置，夾持焊槍沿焊縫軌跡運(yùn)動(dòng)施焊，保證連續(xù)變化的工件坐標(biāo)系上焊接速度和軌跡的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)焊接作業(yè)。

2 多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法

多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)需要具有協(xié)調(diào)關(guān)系的各主從機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中保持機(jī)器人末端位姿之間的相對(duì)位姿關(guān)系不變。由于從動(dòng)機(jī)器人跟隨主動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，因此從動(dòng)機(jī)器人不需要單獨(dú)的軌跡示教指令，整個(gè)系統(tǒng)的示教和規(guī)劃可以在主動(dòng)機(jī)器人的基坐標(biāo)系下完成。在多機(jī)器人系統(tǒng)中，任意時(shí)刻有且僅有一臺(tái)機(jī)器人作為主動(dòng)機(jī)器人，但可以存在多臺(tái)從動(dòng)機(jī)器人。

考慮到算法的通用性，設(shè)定多機(jī)器人中任意兩臺(tái)機(jī)器人的基座坐標(biāo)系OB與世界坐標(biāo)系OW的相對(duì)位姿關(guān)系是固定的，不會(huì)隨時(shí)間變化?；谧鴺?biāo)變換的機(jī)器人主從協(xié)調(diào)目標(biāo)矩陣計(jì)算如圖2所示，若Rm為主動(dòng)機(jī)器人，Rs為從動(dòng)機(jī)器人，則主從機(jī)器人基座坐標(biāo)系的相對(duì)位姿矩陣TBsBm為常量，可通過事先標(biāo)定程序獲得。TBmTm和TBsEs分別為主動(dòng)機(jī)器人Rm和從動(dòng)機(jī)器人Rs的正運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣，可根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻的關(guān)節(jié)角進(jìn)行計(jì)算，由式（1）可以計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻主從機(jī)器人末端坐標(biāo)系的相對(duì)位姿矩陣TEmEs。

機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃問題，可以描述為在已知TBsBm的條件下，在t時(shí)刻，主動(dòng)機(jī)器人Rm在其基座坐標(biāo)系OBm下的目標(biāo)軌跡矩陣為TBmEm（t），同時(shí)從動(dòng)機(jī)器人Rs在主動(dòng)機(jī)器人Rm末端坐標(biāo)系OEm下的目標(biāo)軌跡矩陣為TEmEs（t），根據(jù)式（2）同步計(jì)算t時(shí)刻從動(dòng)機(jī)器人Rs在其基座坐標(biāo)系OBs下的目標(biāo)軌跡矩陣TBsEs（t）。

3 多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程及指令集

在通用多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法基礎(chǔ)上，文中設(shè)計(jì)了如圖3所示的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程。

在該控制流程中，步驟1讀取作業(yè)程序中的指令;步驟2將每條指令轉(zhuǎn)換為指令列表并進(jìn)行存儲(chǔ)，指令列表內(nèi)包含每條指令的類型以及參數(shù);步驟3提取指令列表中的運(yùn)動(dòng)型指令并構(gòu)建運(yùn)動(dòng)指令集;步驟4解析運(yùn)動(dòng)指令集獲得每臺(tái)機(jī)器人的編號(hào)、當(dāng)前主從關(guān)系、當(dāng)前插補(bǔ)類型以及其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息;步驟5根據(jù)上述參數(shù)信息匹配事先標(biāo)定的主從機(jī)器人基座坐標(biāo)系的相對(duì)位姿矩陣;步驟6在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃中，根據(jù)每臺(tái)機(jī)器人的主從關(guān)系和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，調(diào)用多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法計(jì)算從動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)矩陣，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的主從協(xié)調(diào)控制運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人主從狀態(tài)的在線切換協(xié)調(diào)，開發(fā)了相應(yīng)的編程指令集，將每臺(tái)機(jī)器人當(dāng)前的主從信息集成于該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令中，可在一個(gè)執(zhí)行任務(wù)中根據(jù)不同階段需求在線切換多機(jī)器人間的主從狀態(tài)。在該編程指令集中，指令“ SMOV ”表示對(duì)應(yīng)的機(jī)器人為從動(dòng)狀態(tài)、指令“ MMOV ”表示對(duì)應(yīng)的機(jī)器人為主動(dòng)狀態(tài)，指令“ MOV ”表示對(duì)應(yīng)的機(jī)器人無主從狀態(tài)，不進(jìn)行主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。

將每臺(tái)機(jī)器人當(dāng)前的主從關(guān)系信息集成于該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令中，使得用戶可以通過機(jī)器人作業(yè)程序來設(shè)定每臺(tái)機(jī)器人的主從關(guān)系。由于機(jī)器人作業(yè)程序以指令的執(zhí)行順序從時(shí)序上限定了每個(gè)時(shí)刻各機(jī)器人的動(dòng)作，而基于作業(yè)程序指令獲得主從信息的控制方式使機(jī)器人的主從信息可以跟隨任務(wù)的時(shí)序變化，從而實(shí)現(xiàn)每臺(tái)機(jī)器人在不同任務(wù)階段內(nèi)主從關(guān)系的在線切換。

4 多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)

為了測試多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法的通用性，驗(yàn)證主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程及相應(yīng)編程指令集的有效性，構(gòu)建了如圖4所示的由4臺(tái)凱爾達(dá)KR1440機(jī)器人組成的柔性焊接主從協(xié)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行典型主從協(xié)調(diào)焊接任務(wù)的示教編程再現(xiàn)試驗(yàn)，同時(shí)測試多機(jī)器人主從狀態(tài)的在線切換功能。

在由4臺(tái)機(jī)器人構(gòu)成的主從協(xié)調(diào)控制柔性焊接系統(tǒng)中，R1和R2為焊接機(jī)器人，R3和R4為變位機(jī)器人。若設(shè)定R3為主動(dòng)機(jī)器人，則R4為從動(dòng)機(jī)器人，R3和R4共同夾持工件完成變位操作，同時(shí)設(shè)定R1和R2為從動(dòng)機(jī)器人，通過末端安裝的焊接作業(yè)工具實(shí)施焊接。目前商用機(jī)器人控制系統(tǒng)在機(jī)器人程序執(zhí)行過程中，機(jī)器人的主從關(guān)系是無法在線切換的，若在實(shí)際應(yīng)用中要求設(shè)定R4為主動(dòng)機(jī)器人，R3為從動(dòng)機(jī)器人，需要在示教狀態(tài)下重新配置主從關(guān)系，且一旦主從關(guān)系更改，原有根據(jù)舊的主從關(guān)系編寫的機(jī)器人作業(yè)程序失效，運(yùn)行原有作業(yè)程序?qū)聿豢深A(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)4臺(tái)機(jī)器人的6組主從機(jī)器人基座坐標(biāo)系的相對(duì)位姿矩陣進(jìn)行標(biāo)定，以其中一組R1與R2的標(biāo)定結(jié)果為例，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

針對(duì)如圖4所示的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)焊接系統(tǒng)和典型相貫線管道工件進(jìn)行系統(tǒng)測試驗(yàn)證，通過專用主從協(xié)調(diào)編程指令集進(jìn)行示教編程，編寫的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制示例程序如下

在再現(xiàn)模式下，運(yùn)行多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制示例程序。該程序的第2和11行，R3為主動(dòng)機(jī)器人，R4為從動(dòng)機(jī)器人，R1和R2不參與主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng);在第3到6行，R1和R2在線切換為從動(dòng)機(jī)器人，與主動(dòng)機(jī)器人R3做主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng);在第7到10行，R4在線切換為主動(dòng)機(jī)器人，R3在線切換為從動(dòng)機(jī)器人，R1、R2和R3同時(shí)與主動(dòng)機(jī)器人R4做主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證了多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法的通用性和主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程及相應(yīng)編程指令集的有效性，用戶在示教編程過程中可根據(jù)需求通過編程指令靈活切換每臺(tái)機(jī)器人不同任務(wù)階段的主從狀態(tài)，再現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)程序時(shí)各機(jī)器人的主從狀態(tài)可在線切換，提高了多機(jī)器人系統(tǒng)完成復(fù)雜任務(wù)時(shí)的適應(yīng)性。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以機(jī)器人柔性焊接為應(yīng)用背景的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用集中控制架構(gòu)和位置-位置控制模式，基于通用的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法完成從動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)矩陣計(jì)算，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制器的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程及相應(yīng)的編程指令集。試驗(yàn)結(jié)果表明，文中提出的多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法具有通用性，設(shè)計(jì)的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制流程合理有效，開發(fā)的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)編程指令集便捷高效，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人主從狀態(tài)的在線切換功能，為進(jìn)一步提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)的柔性水平提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

J Y S Luh，Y F Zheng. Constrained relations between two coordinated industrial robots for motion control[J]. The International Journal of Robotics Research，1987，6（3）：60-70.

曲道奎，談大龍，張春杰，等.雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)器人，1991，13（3）：6-11.

Kazuhiro Kosuge，Jun Ishikawa. Task-oriented control of single-master multi-slave manipulator system[J]. Robotics and Autonomous Systems，1994，12（1-2）：95-105.

孟石，戴先中，甘亞輝.多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)軌跡約束關(guān)系分析及示教方法[J]. 機(jī)器人，2012，34（5）：546-552，565.

王雷，徐翔鳴. 雙機(jī)器人主從協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，30（5）：55-57.

Gan Yahui，Dai Xianzhong. Kinematic cooperation analysis and trajectory teaching in multiple robots system for welding[C]// International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2011：1-8.

張華軍，張廣軍，蔡春波，等. 雙面雙弧焊機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制 [J]. 焊接學(xué)報(bào)，2011，32（1）：25-28.

張華軍，蔡春波，陸漢忠. 大型結(jié)構(gòu)件多機(jī)器人焊接協(xié)調(diào)及智能化技術(shù)概況 [J]. 航空制造技術(shù)，2013（22）：49-51.