（机械制造及其自动化专业论文）复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究.pdf

硕士论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 摘要 随着焊接自动化技术的发展，焊接机器人作为焊接自动化技术的关键设备日益发挥 出重要的作用。作为焊接机器人之一的点焊机器人在应用初期因工作简单、任务量小， 涉及其路径及轨迹规划的研究较少。但伴随着制造业特别是汽车工业的发展，点焊机器 人在得到广泛应用的同时，其焊接任务也日益繁重和复杂，因此对担任复杂任务的点焊 机器人的焊接路径及轨迹规划方法进行研究显得很有必要。 论文以汽车侧围结构为基础，研究了复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划 的方法，重点研究了焊接顺序优化方法、复杂框架建模方法、无碰路径避障策略及点焊 机器人轨迹规划技术等，并对提出的规划方法进行了实例论证与仿真研究。论文主要研 究内容有： ( 1 ) 在对点焊工艺系统进行分析的基础上，运用蚁群算法对分组后的侧围焊点的焊 接顺序进行了优化求解。基于焊点分组策略的焊接顺序优化，考虑了焊接工艺因素对焊 接顺序的影响，更有工程实用价值。 ( 2 ) 以侧围外板为对象分析了复杂框架焊件的结构特点，确定采用线框模型对复杂 框架结构的焊件进行建模。该模型能充分表达框架结构的特点，与以往的多面体模型相 比有较少的冗余信息、较低的模型数据量，有利于提高后续避障运算的效率。 ( 3 ) 以c 型点焊焊枪为例分析了焊枪的结构及运动特点对碰撞检测与处理的影响； 在建立的侧围外板线框模型的基础上，分析了碰撞过程参数对碰撞处理的影响，最终确 定了基本避障处理和动态避障处理相结合的避障策略。该避障策略基于复杂框架的线框 模型，用空间动态向量表达避障关键参数，对焊枪结构变化有一定适应能力，计算简单、 高效。 ( 4 ) 根据点焊机器人轨迹特点，结合一般机器人轨迹规划方法，最终确定了在焊接 轨迹处采用直角坐标空间的轨迹规划方法，而在非焊接轨迹处采用关节空间多项式插值 以及直角坐标空间圆弧插值相结合的轨迹规划方法。 ( 5 ) 根据本文的规划方法，采用s u a l b a s i c 编制了规划软件，并完成了侧围外板无 碰焊接路径及轨迹规划；采用离线编程软件r o b o t s t u d i o 进行了侧围外板的焊接轨迹进 行了仿真，验证了规划方法的可行性和有效性。 关键字：复杂框架结构，焊接机器人，无碰路径规划，轨迹规划，焊接仿真 硕上论文 复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w e l d i n ga u t o m a t i o nt e c t l i l o l o g y ，t h ew e l d i n gr o b o t s ，勰t h ek e y e q u i p m e n ti nw e l d i n g 肌t o m a t i o n ，p l a y 蛆i n c r e a s i n g l yi m p o r t a mr o l e s p o tw e l d i n gr o b o ti s o n ek i n do ft h ew e l d i n gr o b o t ，锄dt h es t u d yo fi t sp a t h 锄d t r 勾e c t o 巧p l a 衄i n gi sl e s st h 姐 o t 玉1 c rl ( i n do fr o b o ti ni t se a d ya p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l et a s k b u tw i t hn l e d e v e l o p m e n to fm em 咖f a c t u r i n gi n d u s 臼e s p e c i a l l yt h ea u t o m o t i v ei n d u s 旬嘎t h ew e l d i n g r o b o t sa r ew i d e l yu s e d 孤d 血ew e l d i n gt a s k sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，s oi ti s n e c e s s a 巧t 0s t u d yo nt l l ew e l d i n gp a t ha i l dt r 匈e c t o 巧o f t h es p o tw e l d i n gr o b o t sw i t hc o m p l e x t a s k t h i sp a p e rs 砌i e dc o l l i s i o n - n ew e l d i n gp a m 粕d 仃旬e c t o r yp l 砌m i n gm e t h o do f t h e w e l d i n gr o b o tw h i c ho ft h ew e l d i n g 母mc a n b ec h 如g e da n dt h ew e l d m e n t sh a v ec o m p l i c a t e d es 仃u c t u r e ，b a s e d0 nm ew e l d i n gp r o c e s so fs i d e 一行锄eo u t e rp a n e l t h ew e l d i n g s e q u e n c e 叩t i m i z a t i o n ，c o m p l i c a t e d 丘姗em o d e l i n 岛o b s t a c l ea v o i d a l l c es t r a t e g ) ，o f c o l l i s i o n - i 沁ep a ma n dp a t hp l a = 【1 1 1 i n gt e c h n o l o g yo fs p o tw e l d i n gr o b o th a v eb e e ns t u d i e d d e t a i l e d o t h e r w i s e ，廿l es u g g e s t e dp l a n n i n gm e m o d sa r ed e m o n s t r a t e dw i me x a r n p l e s 船d s i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h ea r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u s i n ga n tc 0 1 0 n ya l g o r i m mt oo p t i m i z e dt h ew e l d i n gs e q u e n c eo f t h eg r o u p e ds o l d e r j o i n t so f 出es i d e 。加m eo u t e rp a n e l ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es p o tw e l d i n gp r o c e s s i h e e f r e c to fm e w e l d i n gp r o c e s so nt h ew e l d i n gs e q u e n c ei sc o n s i d e r e di nt l l a tm e t l l o dw h i c hi s m o r ep i a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e ( 2 ) t h es 仉j c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l i c a t e d 行锄ew e l d l l l e n t sw 嬲a n a l y z e db y s t u d y i n gm es i d e f 疏n eo u t e rp a n e l w i r e 行锄em o d e li sd e t e m i n e dt om o d e lf o r t h e c o i n p l i c a t e d 仔a m e f e a t u r e so f 仔锄ec a nb ea d e q u a t e l ye x p r e s s e db ym i sm o d e lw h i c hh a s f e w e rr e d u l l d a n c ya n dl o w e rm o d e ld a t ac o m p l e t e dt ot h ep a s tp o l y h e d r a lm o d e l 1 1 1 i s m o d e l i n gm e t h o d i sb e n e f i c i a lt oi m p r 0 v et h ee 伍c i e n c yo f f o l l o w u po b s t a c l ea v o i i a n c e 叩e r a t i o n ( 3 ) t a k i n gc t y p eg u na s 锄e x a m p l e ，t h i sp 叩e ra n a l y z e dt h ee 脏c to fm es 仃u c t u l - e 趾d k i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e l d i n gg u no nt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o na n d 臼广e a n l l e n t t h e e f f e c to fm ep r o c e s s i n gp a r 锄e t e r so ft h ec o l l i s i o no nt h ec o l l i s i o nt r e a t m e n tw a sd i s c u s s e d b a s e do nt l l ew i r e - 觑哑em o d e lo ft h es i d e 一的m eo u t e rp a n e l 1 1 1 eo b s t a c l ea v o i d a n c e s 咖t e g y w 嬲f i n a l l ye s 协b l i s h e dw h i c hc o n s i s t so fm op a n s ：f i n a lb a s i co b s t a c l ea v o i d a n c ep r o c e s s i n g 觚dd y n a m i co b s t a c l ea v o i d 弛c ep r o c e s s i n g t h es t m t e g yi sb a s e do nt h ew i r e 1 6 r 锄em o d e lo f m 硕士论文 也es i d e 一觑衄eo u t e rp a n e l 加dt l l ek e yp a r 粕1 e t e ro ft h e0 b s t a c l ea v o i d a n c ei se x p r e s s e dw i t l l s p a c ed y n a m i cv e c t o rw h i c hb r i n g ss i m p l ec a l c u l a t i o n ，h i g he 伍c i e n c y 趾da d a p t i v ea b i l i t ) ，f 0 r l ec h a n g eo fw e l d i n gg u n ( 4 ) a c c o r d i n gt 0m ec h a r a c t 舐s t i c so ft h es p o tw e l d i n gr o b o t 锄dc o m b i n i n gw i t l lt h e p a mp l 锄i n gm e m o d so fg e n e r a lr o b o t ，t h ep 印e ru l t i m a t e l yd e t e 咖i n em ep a t hp l 锄i n g m e t l l o d so fu s i n gc a n e s i 觚s p a c ef o rt h ew e l d i n g 仃旬e c t o r i e s 孤dp a t hp l a n n i n gm e t h o d so f c o n 出i n i n gp o l y n o m i a l i n t e 印o l a t i o ni nt h ej o i n ts p a c ew i n la r ci n t e 印o l 撕o ni nt h ec a r t e s i 姐 s p a c ef o r t h en o n - w e l d i n gn 匈e c t o r i e s ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ep 1 猢i n gm e m o d o ft h i sp 印e r ，v i s u a lb a s i ci su s e dt oc 伽叩i l et h e p l 猢i n gs o r w a r c 趾d t 0c o m p l e t e l ep l a n n i n go fc o l l i s i o n - 丘e ew e l d i n gp a la n dm 巧e c t o 巧 o fm es i d e 一丘锄eo u t e rp a n e l t h ew e l d i n gt 啊e c t o 巧o fs i d e - 胁n eo u t e rp a n e l i ss i m u l a t e d w i m m eo 昏l i n ep r o g r a m m i n gs o f 【、) l r a r e ：r d b o ts t i l d i o ，w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i 哆锄d a v a i l a b i l i t yo fm ep 1 龇m i n gm e t h o d k e yw o r d ：c 伽叩l i c a t e df h m es 仃u c t u r e ，w e l d i n gr o b o t ，c o l l i s i o n - f r e ep a t hp l 卸n i n g ， 缸匈e c 白o r yp l 锄i n g ，w e l d i n gs i i n u l a t i o n 硕士论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 l 绪论 1 1 课题研究背景及意义 焊接是制造业中最重要的工艺技术之一，广泛应用于机械制造、核工业、航空航天 等行业中。随着技术的发展，焊接己由传统的以简单构件连接和毛坯制造为主要内容的 手工焊接，转变为制造行业的一项基础工艺和生产尺寸精确制成品的生产手段u 3 。近 3 0 年来，随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，以保证焊接质量稳定 性、提高生产率和改善劳动条件为核心的焊接自动化，己成为焊接技术的重要的发展趋 势之一，其中焊接机器人的广泛应用是焊接自动化的革命性进步。 焊接机器人突破了焊接刚性自动化的生产方式，使得柔性自动化生产成为可能幢1 。 机器人的高重复定位精度使得焊接质量的稳定性得到保证，其可编程的特点使得焊接机 器人对不同的焊接任务和复杂的焊接环境有很强的适应性，同时降低了操作人员的劳动 强度，大大提高了生产效率。目前，全世界年产3 0 万辆的汽车制造厂家，普遍采用焊 接机器人柔性生产线。国内以焊接机器人为核心的自动化柔性生产线的建立虽然比国外 晚，但开发速度快、技术起点高。以上海大众为例，工作在上海大众三厂车身焊装线的 焊接机器人达6 1 台之多b 1 ，在南京工厂机器人使用量在2 0 0 台左右，其自动化程度可见 一斑。 正由于焊接机器人在焊接自动化中的重要地位，焊接机器人技术的受到了相关行业 技术人员的重视。焊接机器人主要分为弧焊机器人和点焊机器人两种h 1 。由于弧焊工艺 早已经在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、金属结构等行业得到广泛的应 用。因此针对弧焊机器人的研究也已经比较成熟，从弧焊电源系统、焊接任务规划、工 艺参数规划、弧焊轨迹规划到弧焊焊枪姿态规划，遍及弧焊机器人系统的各个方面。此 外，随着现代传感器技术应用于弧焊机器人系统，弧焊机器人正朝着更加柔性化、智能 化的方向发展m 1 。 相比较而言，由于点焊最初主要用于部分焊接工位的补焊操作，并不是主要的焊接 方式，因此在焊接机器人应用初期对点焊机器人的研究并不重视。汽车工业是点焊机器 人的重要应用领域，近年来随着汽车工业的迅猛发展，点焊机器人得到了大范围的应用， 且点焊作业的工作量日益增加。在装配汽车车体时，大约有6 0 的焊点由机器人完成旧1 ， 点焊机器人的使用范围由增强焊作业扩大到各种定位焊作业，因而点焊机器人系统的研 究又重新得到重视。在焊接参数、焊接任务规划、焊接路径及轨迹规划等方面都取得的 成果，为点焊机器人系统的进一步研究提供了技术基础。然而随着市场需求的多样化以 及生产线柔性化的扩大，点焊机器人研究面临一些新问题： 1 绪论 硕士论文 ( 1 ) 焊件结构日益复杂，由此带来了焊点处机器人位姿信息的复杂化。点焊结构中 最常见的是梁柱、桁架结构以及壳体结构盯1 ，其代表产品就是汽车车身。由于消费需求 的多样化，车身结构变化日新月异，对生产中车身焊接任务规划提出了新的更高要求。 ( 2 ) 焊接生产线柔性化需求扩大，生产线上机器人具有变换焊接工具( 焊枪) 的能 力以适应焊接任务的要求，这无疑增加了焊接任务规划的难度。 点焊焊接任务规划的重要内容就是焊接路径及轨迹规划，因此研究针对复杂结构焊 件的焊接路径及轨迹规划有着很重要的学术意义和实际应用需求。 1 2 点焊机器人无碰路径规划研究现状 点焊机器人路径规划是指针对一定的焊件规划出无碰撞的焊枪运动路径呻1 。路径规 划的好坏直接关系到焊接任务是否能够安全、高效地完成。点焊机器人采用的是点位焊 接，在焊接时虽然不需要像弧焊机器人那样严格控制焊枪在焊缝上任意时刻的位姿，但 仍需要确保焊枪在焊点处的正确位姿。且由于焊枪在焊点与焊点之间运动路径的不确定 性，这就造成了焊接过程中焊枪与工件等障碍物之间干涉情况的不确定性。 对于弧焊机器人，焊接路径规划包括焊缝规划、焊枪姿态规划2 1 ，其中焊枪姿态 规划由于关系到焊接无碰处理，因此是研究的重点；而点焊机器人由于是断续焊接，因 此点焊焊接路径规划主要包含三方面内容：点焊顺序规划、焊点处焊枪姿态规划、路径 中碰撞检测与处理【1 3 19 1 ，其中焊接顺序规划和碰撞检测与处理是研究的重点和难点。 1 2 1 点焊机器人焊接顺序规划的研究 点焊焊接顺序问题是焊接工艺人员最先考虑的问题之一。点焊作业过程是：机器人 携带焊枪，从焊接原点出发，按照一定路径一次经过各个焊点，然后再回到焊接原点。 该路径即是焊接任务点与辅助焊点按照一定的顺序连接而成的，通常的方法是将该问题 转化为旅行商问题( t r a v e l i n gs a l e s m 趾p r o b l e m ，t s p ) ，如图1 1 。 起起 图1 1t s p 问题示意图 t s p 问题的求解方法有多种，既有传统的穷举搜索法、动态规划法、启发式方法等， 也有遗传算法、神经网络等智能算法【2 0 1 。 2 硕士论文 复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 陈燕【2 1 】等采用动态规划法，将路径求解过程分解为若干阶段，每个阶段的决策为从 个焊点到下一个焊点，在建立动态规划的递推关系的基础上，把一个大的t s p 问题分 解为几个小的t s p 问题来解决，即以各个关节运动方向变化趋势为基础来设计动态规划 的递推函数，规划出焊接任务中的焊点顺序。 同济大学的刘江海【1 6 】采用启发式的节约算法，该方法简单、灵活性好、易于理解。 它的基本思想是首先把各点单独与原点o 相连，构成一条仅含一个点的线路。总费用： |l z = 气+ c f 。 括lj 1 “；为机器人从0 点到i 点的路径，c ；。为机器人从f 点到0 点的路径。然后计算将f 点 和，点连接在一条线上的节约值为： j ( f ，) = q o + c o ，一勺 ( 1 2 ) j 越大说明把f 点和，点连接在一起的总路程减少越多。构造路径时按s 由小到大的 顺序进行。 近年来，智能优化算法被越来越多的人应用于路径规划问题的研究，罗生斌【1 7 】针对 穷举搜索法计算量大、动态规划法建模复杂的缺点，选择具有很强搜索能力的遗传算法 来解决焊点顺序规划的旅行商问题。作者将总焊接时间作为算法选择顺序的优化指标， 将求解焊接时间的最小值作为遗传算法的主要任务。王家海【l9 】采用了将蚁群算法与遗传 算法以及模拟退火算法进行了比较( 见表卜1 ) ，得出了在求解5 1 0 0 个节点的组合优化 问题上，选择合适的参数，蚁群算法的收敛速度及优化结果普遍好于另外两种智能算法， 该结论对生产中但焊接机器人焊接顺序规划有着很好的借鉴价值。 表l 一1 三种智能算法优化结果对比 然而实际的点焊顺序要受到焊接工艺、焊点分布状况等因素的影响，并不仅是简单 的数学问题。若点焊顺序规划不考虑这些因素，则规划的焊接顺序虽然在数学意义上是 最优的，但可能在实际上是不可行的。因此，针对焊接工艺对焊接顺序的影响进行研究 显得很有必要。 l 绪论 硕士论文 1 2 2 路径规划中的障碍物建模的研究 无碰是路径规划的重要目标之一，障碍物模型的建立是确定合理的避障策略的基 础，因此对焊接环境内障碍物建模的研究就成为了研究的重点。 焊接环境内的障碍物主要指工件、定位座、夹具、焊接辅助设备等静态障碍物及部 分动态障碍物。动态障碍物一般是同工作组的焊接或搬运机械手，一般可以通过设置互 锁工作空间或合理的生产节拍，便可解决运行过程中的碰撞问题；而焊接作业环境的静 态障碍物特别是工件和定位座，位于焊接机器人的作业空间，且体积大，结构复杂，对 这些障碍物建模的研究已经比较成熟。 环境障碍物建模方法依据建模空间主要可以分为以下三类： ( 1 ) 二维空间建模方法。二维空间障碍物建模方法主要适用于移动机器人。此种情 况下，机器人的尺寸可以忽略或者采用障碍物尺寸扩张的方法将机器人简化为二维空间 的一点，而障碍物的表达形式则有多种，如障碍栅格【2 2 】( 如图1 2 ) 、多边形【2 3 】等。 图1 2 栅格法不恿图 ( 2 ) 三维空间建模方法。由于焊接环境障碍物多是具有三维尺寸的实体，因此最直 接的建模思路就是用障碍物的三维精确模型作为避障策略研究的基础，然而这样一来， 障碍物模型的信息量就会很大，这对于后续基于此模型的计算是很不利的。因此通常采 用特征点、线段、圆柱、( 椭) 球和多面体等模型逼近实际的障碍物模型【2 4 1 ，这样可以 减少障碍物模型的信息量，以减少计算量。如最小包容长方体法、最小外接圆法眩别、凸 多面体法啪1 、分层圆柱包裹法心刀等，如图1 3 所示。 謦 图1 3 最小包容长方体法和最小外接圆法( 剖面线部分为障碍物) 虽然也有研究者采用将障碍物( 工件) 的三维模型通过两次投影的方法，转换到二 维空间去求解碰撞问题啪1 ，但该尝试也只能针对三维形状规则或者二维投影具有对称特 点的工件，因此不具有代表性和普遍性。 4 硕上论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 ( 3 ) c 一空间建模方法。在c 空间( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ，c s p a c e ) ，机器人的任意位 姿可以表示为一个点，在障碍物边界上寻找特征点，利用机器人在特征点处的碰撞临界 角( 如图1 4 ) 来确定障碍物在c 空间模型的上下界，从而得到c 空间的障碍物边界【2 9 1 ， 该方法避免了大量繁琐的计算，具有较高的计算效率。 a 上下临界碰撞角b 有效临界碰撞角 图1 4 点的临界碰撞角 以上建模方法各有各自的特点，二维空间的建模方法最简单，且其描述的障碍物也 是最简单的，对于三维空间的障碍物则不适用；采用空间多面体与其他三维模型结合的 三维建模方法，能够充分表达障碍物的特征，但是基于三维模型的后续避障处理的计算 量仍比较大，且采用完全的三维模型表达障碍物，存在大量冗余信息；从c 空间法的思 路可以看出，当针对自由度小的机器人、规则结构的障碍物时，该方法有很高的计算效 率，但当面对复杂的障碍物且机器人为六轴时，仅仅是将障碍物从笛卡尔坐标空间映射 到c 空间的计算量就已经相当可观，因此该方法不适用于高自由度的机器人运行环境的 障碍物建模。 此外，需要指出的是，目前的障碍物建模大多是用于解决机器人作为一个连杆机构 与环境障碍物之间的碰撞问题，对局部的如焊接工具与工件之间的碰撞则很少研究。然 而在实际点焊过程中，如果规划不当，焊枪与焊接工件之间的碰撞往往是最可能发生的。 因此要实现点焊的无碰规划，需要建立焊枪与焊接件的避障模型，使其既能准确预测碰 撞，又能简化后续的避障计算。 1 2 3 路径规划中避障策略的研究 合理的避障策略是无碰规划的关键，不同的避障策略都是建立在不同环境障碍物模 型的基础上的，因此可以说避障策略与障碍物建模是相辅相成的。避障策略主要包含碰 撞检测与碰撞处理，针对不同的环境障碍物建模方法，碰撞检测与处理方法和形式各不 相同，国内外有很多研究。 ( 1 ) 基于二维空间环境障碍物模型的壁障策略研究。 栅格法是目前针对二维空间环境障碍物建模的研究最广泛的一种，如图1 2 所示， 将障碍物及环境用栅格形式表示，整个机器人运动区域划分为障碍物栅格区域和自由栅 l 绪论 硕士论文 格区域，将一系列自由栅格串联起来就形成了一条无碰路径，栅格的大小取决于机器人 尺寸的大小，也决定了规划路径的分辨率们。 相比较栅格法而言，自由空间法则更具灵活性。其采用预先定义的锥型和凸多边形 等基本形状构建自由空间，并将自由空间表示为连通图，然后经过搜索连通图来进行路 径规划，即使路径起始点和目标点发生变化，也不需要重建连接图b u 。但该方法的复杂 程度与障碍物的多少成正比，且不能保证能搜索到最短路径，因此只适用于路径精度要 求不高、机器人速度低的场合。 可视图法与上述方法类似，将机器人缩小为一点，而障碍物模型则按一定比例进行 扩展，然后通过将起始点和目标点及障碍物顶点之间的连线来构造可视图口2 j 。以上三种 点之间的连线都不能穿越障碍物，即这些直线是可视的。经过这些可视直线从起点到终 点的最短路径即为最优无碰路径。 以上方法都是将障碍物空间和自由空间严格区别开，因此在自由空间寻找路径时不 需要再考虑障碍物空间的影响，即避碰策略包含在了环境障碍物建模的过程中。在自由 空间划分出之后，最终路径的优劣程度与后续采用的在自由空间的搜索算法直接相关。 此外还有一些避障策略，如人工势场法，不依赖具体的障碍物模型【3 3 1 。人工势场法 是k h a t i b 提出的一种虚拟方法，其基本思想是将机器人在位置环境的运动视为在虚拟人 工受力场中的运动，目标对机器人产生引力、障碍物对机器人产生斥力，两者的合力决 定了机器人的最终运动。该方法适用于未知障碍物环境机器人运动规划，其不足之处是 存在局部最优解。 ( 2 ) 基于三维空间环境障碍物模型的避障策略研究。 三维空间障碍物一般都是具有实体外形的，因此三维障碍物模型与二维障碍物模型 虽然只多了一维，但复杂度增加很多。对于三维障碍物环境的避障策略研究，目前有两 种思路：一种思路与前述二维空间的思路类似，即将机器人工作环境分割为障碍物空间 和自由空间，然后在自由空间寻找最优路径；另一种在初步路径规划的基础上，进行碰 撞检测与处理，通过增加避障点或姿态，形成新的无碰的路径，这种方法主要用在有路 经点约束的场合。 漆向军等采用同心圆柱结合切面分割法来描述焊接机器人工作空间的障碍物【2 7 】，如 图1 5 所示，同心圆柱的轴线通过路径初始点，路径终点则位于最大圆柱的面上。切面 切割同心圆柱后，障碍物也同样被切割，得到包含障碍物在该切面投影的一系列同心圆， 则在该切面上的障碍物可以用以路径起始点投影为圆心的扇形区域表达。各个切成障碍 物组合便形成了障碍物空间，只需要在自由空间寻找最优路径即可。 6 硕士论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 圈柱分铜 再切层 广1 。叫 图1 5 同心圆柱分层再切割 相似地，k d i c h ih 锄a d a 等蚓采用八叉树法，首先将机器人的三维工作空间分割为 八个相等的六面体，检测每个六面体与障碍物的干涉情况。若六面体不与障碍物干涉， 则该六面体空间为自由空间；若六面体与障碍物干涉，则继续以同样的方法分割该六面 体，直到达到一定尺寸精度为止( 如图1 6 ) 。 l 、 l r 、一嗣皆孽 一 、 1 茏 蓬 羹鋈蕊 奄、 l 。燮划 一 明l 一 、- ， ! 。、 1 1 图1 6 八叉树法分割工作空间( 阴影部分为障碍物) 以上两种分割机器人工作空间的方法，思路清晰，且空间划分后路径的优劣决定自 由空间寻优算法的效果，然而该算法的总体精度取决于空间划分的分辨率。以八叉树法 为例，最低级别的六面体尺寸越小，则障碍物表达越精确，然分割算法的计算量就越大， 特别是针对三维外形复杂的障碍物，分割算法的计算量就更大。 另外一种避障思路是建立在初步路径规划的基础上的，也即根据规划的具体路径点 约束，在规划出全局机器人运动路径的基础上，对路径点之间的路径进行碰撞检测与碰 撞处理。 刘达新等【3 5 】讨论了三坐标测量仪的测量头在待测点之间移动时的碰撞检测与处理 问题，其工作方式与点焊有些类似。针对测量头在待测点之间移动时侧头旋转的特点， 该文在已建立的测量序列的基础上，建立测量头在两测点之间运动形成的扫描体，通过 判断该扫描体与工件( 障碍物) 模型的干涉情况来判断是否存在碰撞。 7 l 绪论硕士论文 a 圆弧表面两点间避障点的确定b 包围盒法避障策略 图1 7 一般避障和包围盒避障 当碰撞发生时，若测点分布在一般外圆面，则在两点之间增加1 2 个中间避障点( 如 图1 7a 所示) ；若测点分布在非规则的工件表面，则通过在工件模型外部建立包围盒， 包围盒是测量头的自由空间，检测到碰撞存在后，测量头沿测头工作反方向退回到包围 盒表面进行避撞( 如图1 7b 所示) ，并继续检测该避撞点与下一测点间直线路径的碰撞 情况，直到碰撞不再发生。 总的来说，基于已知路径的碰撞检测方法主要有基于距离计算和模型求交重叠测试 的静态检测及基于路径离散化( 如中值检测法、行进方向矢量优化法【3 6 】) 等的动态检测。 基于距离计算和路径离散化的碰撞检测侧重于碰撞的定性判断，有利于检测后避碰的量 化处理；如文献 3 5 中的基于测量工具扫描体与工件等障碍物模型求交的碰撞检测方法 侧重于碰撞的定性判断，为避碰方向的选取提供参考。无论是定性还是定量判断都各有 优缺点，其中规划运算量、规划精度是重要的参考标准，在实际中也有多种方法综合使 用的情况。 ( 3 ) 基于c 空间环境障碍物建模的避障策略研究 在c 空间建立环境障碍物一直是c 空间法应用的难点，一方面将机器人的位姿从 关节空间转换到c 空间的计算复杂；另一方面，在c 空间建立障碍物需要将机器人在 关节空间与障碍物碰撞的位姿都转化到c 空间，虽然文献 2 9 】中采用二维空间碰撞临界 角的方法确定c 空间障碍物的上下界，以减少运算量，但针对三维空间障碍物转换工作 仍存在运算量大的问题，因此c 空间往往被离散并只用于对一些离散值的测试。 1 3 焊接机器人轨迹规划方法研究现状 焊接机器人轨迹规划是将规划的焊接路径转变的机器人实际运行程序的重要步骤， 其目的是是机器人在运行程序时避开机器人的关节极限和机器人奇异点，并保证机器人 运动的灵活性和平稳性【1 1 。 机器人轨迹规划任务主要分为两种：第一种任务是根据机器人在路径插值点上的位 姿、速度和加速度要求，选取合适的参数化轨迹对节点进行插值，以满足约束条件：第 8 硕上论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 二种任务中，运动轨迹的解析式是己知的，需要在关节或直角坐标空间确定一条轨迹来 逼近预定的解析路径邛j 。 针对第一种规划任务，常见方法是将机器人在路径点处的约束转化到关节空间，即 关节空间的轨迹规划。 由于机器人的运动控制是在关节空间的，因此关节空间的轨迹规划研究比较多，如 多项式插值法【3 7 】、带抛物线过渡的线性插值法等【3 8 1 。王仲民等采用三次样条曲线对关节 变量进行插值【3 9 】，得到光滑的机器人点到点运动轨迹。针对实际应用中关节空间角速度 和角加速度不确定的情况，袁辉等采用遗传算法对以角速度和角加速度约束条件的轨迹 进行了优化【删，得到了由多段多项式轨迹构成且过渡平滑的轨迹；文献【4 l 】采用r b f 神 经网络算法对关节空间非线性轨迹进行了参数优化，轨迹类型、运动学与动力学约束、 关节转角范围作为输入变量，直接输出便于控制的实时转角速度和加速度f 4 。 图1 8 关节空间多项式插值 总的来说，在第一种方法中，约束的设定是在关节空间进行的，规划结果能够满足 关节空间的约束。由于关节空间规划的结果最终要反映到机器人末端在直角坐标空间的 轨迹，虽然机器人各关节转角轨迹是确定的或优化的，但是机器人末端轨迹却是不确定 的，因此该类规划方法适用于只有路径点约束而在直角坐标空间没有严格轨迹要求的规 划任务，如搬运、点焊等。 针对第二种规划任务，一般是指机器人末端工具在直角坐标空间的轨迹及其约束是 确定的，由于机器人控制器直接驱动的是关节电机，因此直角坐标空间的轨迹规划结果 最终还是要转化到关节空间。因此直角坐标空间轨迹规划最直接的思路就是将直角坐标 空间的轨迹点都转换到关节空间，显然这个计算量是相当大的。因此直角坐标空间轨迹 规划大多关注该空间内轨迹插值方法以及优化方法。 直角坐标空间【4 2 】路径点的轨迹是十分复杂的，常见的轨迹有直线、圆弧及有特定解 析式的空间曲线。通常采用定时或定距的方法对己知空间轨迹进行中间点插补，再将插 补点的位姿反解到关节空间，最后在关节空间用样条曲线( 多项式、抛物线等) 对中间 9 l 绪论 硕士论文 件进行插值，得到直角坐标空间与设定轨迹逼近的空间曲纠4 3 1 ，逼近的精度取决于中间 点选取的密度。 陶其铭【删等采用驱动变换原理对空间直线轨迹进行了位置与姿态联合插补，减少了 运动学反解的计算量，使得规划更直观；费向海【3 8 提出对空间三点圆弧插补时圆弧轨迹 各点坐标的求法，解决了圆弧插补中间点的计算问题；与关节空间规划方法类似，直角 坐标空间亦有以减少规划时间、提高机器人运行效率为目的的轨迹优化，如最小时间优 化法【4 5 1 、最小能量法( 带关节角加速度、转矩约束) 【删等。 其实在直角坐标空间，机器人末端工具姿态的插补是最困难的。机械人末端工具的 位姿通常由齐次变换矩阵来描述，矩阵中三个变量描述位置，其他九个变量描述姿态。 由于齐次变换阵中描述姿态的旋转矩阵各元素并不独立，因此不能简单对单个元素进行 独立插值。通常的方法是将工具姿态用欧拉角或者i 冲y 变换进行描述，然后再进行独 立插值运算，由于本研究中点焊机器人对路径精度要求不高，具体姿态插值方法就不在 赘述。 由于直角坐标空间是机器人末端工具的轨迹最直观的空间，因此第二种方法一直都 是研究的热点和难点，特别是在弧焊、涂胶等需要严格控制机器人轨迹等应用场合。 1 4 面临的问题 通过以上分析可知，虽然点焊机器人路径及轨迹规划的研究已经取得了很多成果， 但仍存在一些有待深入和改进的方面： ( 1 ) 焊接顺序规划是焊接路径规划的重要步骤，将焊接顺序规划转化为简单的孤立 点之间最短路径规划，并不能完全体现焊接工艺的要求，单纯数学意义上的最优路径可 能会带来路径上焊枪避障任务的繁重，因此如何将焊接任务中相关工艺因素考虑到焊接 路径的初步规划中有很重要的应用需求。 ( 2 ) 以往的焊接碰撞主要集中在焊接机器人本体与环境障碍物之间，然而点焊件以 及点焊焊钳的复杂结构，决定了点焊过程中最可能的碰撞发生在焊枪与焊件之间。因此， 如何建立简单适用的焊件障碍物模型，是准确预测焊枪与焊件之间碰撞、简化避障计算 需要解决的首要问题。 ( 3 ) 焊接工具的结构、路经点两端焊点分布状况、焊接框架模型的参数等都对点焊 过程中的碰撞程度有重要影响。如何综合考虑各方面因素，建立对包括焊枪结构尺寸的 变换在内的相关参数有一定适应性的壁障策略，是避障研究的新问题。 ( 4 ) 点焊机器人焊枪t c p 点运动轨迹兼有连续轨迹和非连续轨迹的特点，因此需要 对点焊机器人轨迹规划方法进行研究，使焊接轨迹满足机器人运行特性及焊接工艺要 求。 l o 硕士论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 1 5 本课题的研究内容 通过以上分析，针对点焊机器人应用所面临的新情况要求，本课题对具有复杂框架 结构的焊接件在使用可换焊枪的机器人进行点焊时的焊接路径及轨迹规划方法进行研 究，以期对该类焊件的焊接路径及轨迹规划提供一定的技术参考。研究内容分为以下几 个方面： ( 1 ) 通过研究分析焊接过程中焊点分布信息、复杂框架的焊接结构焊接工艺以及焊 接机器人的运动特性，确定焊接路径初步规划的技术路线，并选用合适的方法对焊接路 径进行初步规划。 ( 2 ) 以汽车车身为例分析复杂框架焊接件的结构特点，根据焊点在框架结构上的分 布及分组状况，确定复杂框架结构焊接件的避障模型的构建方法，为寻找合理的避障策 略建立基础。 ( 3 ) 在上述框架模型的基础上，提取和分析影响避障效果的各方面因素( 焊枪结构 形式、焊点分布状况、复杂框架模型各参数等) ，确定合理的避障策略，以完成无碰路 径规划任务。 ( 4 ) 研究点焊过程中焊枪t c p 点运动轨迹的特点，通过分析一般机器人轨迹规划的 方法，确定适用于点焊机器人的轨迹规划的方法。 ( 5 ) 综合路径规划方法及避障策略，编制复杂框架结构焊接路径及轨迹规划程序， 并通过离线编程软件实现焊接轨迹的再现，验证前述路径及轨迹规划方法的可行性与实 用性。 硕士论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 2 复杂框架结构机器人无碰焊接路径规划技术研究 焊接机器人路径规划属于底层规划法范畴，其目的是在综合考虑影响焊接质量和效 率的多方面因素的基础上，在众多焊接路径中找到一条满足焊接需求的最优路径。无论 是焊件的几何外形、焊点信息及其分布状况还是焊接机器人运动特性都对焊接路径的规 划有着很重要的影响。本章在已有路径规划研究的基础上，引入了复杂结构的焊接件以 及焊枪结构形式等要素进行分析，并针对以上要素提出了具有一定适应能力的路径规划 方法。 2 1 焊接路径规划任务分析 机器人点焊作业是指：焊枪从焊接原点出发，遍历焊件上所有任务焊点，最后再回 到焊接原点。焊接路径规划就是要找到一条最优路径，既能完成每个焊点的焊接任务， 满足焊接工艺的要求，同时保证焊接过程安全、高效。影响点焊焊接机器人的焊接路径 规划的因素有三个：焊接对象( 焊接件、焊点) 、焊接工具( 主要指焊枪) 、机器人系统。 2 1 1 点焊焊接件结构 汽车车身焊接是电阻点焊的重要应用领域且极具代表性。应用电阻点焊的车身构件 有车身覆盖件、梁柱等车身结构件以及部分结构加强部件。其中车身覆盖件具有较大的 空间曲面形状的表面【4 7 】；梁柱等结构件是车身主要的承载结构，具有单方向尺寸较大的 特点，主要以框架形式体现，如图2 1 所示。 。 。 图2 1 车身承载的框架结构 由于焊件多带有直线、圆弧等几何特点，其结构形式多样性和复杂性带来了以下两 个问题： 焊点分布复杂，局部焊点二维分布，整体焊点呈现三维分布，造成了焊接顺序 规划的困难； 焊接环境复杂，主要体现在焊枪移动时与焊件等障碍物的碰撞几率增大。不仅 仅焊接件有自身几何尺寸，作为焊接工具的焊枪同样有自身的特征尺寸，焊接件结构越 l 玉 2 复杂框架结构机器人无碰焊接路径规划技术研究 硕士论文 复杂，依附焊接件的焊点分布情况也越复杂，焊枪移动过程中与焊接件等障碍物发生碰 撞的概率也越大。 图2 2 车身点焊机器人工作情况 2 1 2 点焊焊枪结构形式分析 焊枪是完成焊接的直接工具，其特点必然与焊接任务规划相关。点焊焊枪一般有两 种典型的结构形式：x 型和c 型，如图2 3 所示( 还有一种p 型焊枪，其结构与x 型焊 枪类似，应用范围窄，在此就不再赘述) 。x 型焊枪的驱动部件通过杠杆原理驱动电极， 两个电极都参与焊接动作；而c 型焊枪的驱动部件直接驱动焊接电极，只有一个电极参 与焊接动作。x 型焊枪一般焊极臂比较长，适合构件中间部分焊点；c 型焊枪结构简单， 电极力大且稳定，但是不如x 型灵活，适合与比较边缘位置的焊点1 3 j 。 ax 型焊枪bc 型焊枪 图2 3x 型焊枪与c 型焊枪的结构 根据点焊工艺的要求，焊点位于焊件上离焊件边缘至少1 6 m m 的位置，焊接时焊枪 电极与焊件接触，即此时焊枪与焊接件的几何模型存在干涉，但这种干涉是不可避免的， 同时也是允许存在的。因此点焊时通常在焊点附近设置焊接进入或退出点等辅助点，使 得焊枪t c p 点安全到达指定焊点，如图2 4 所示。 1 4 硕上论文复杂框架结构机器人无碰焊接路径及轨迹规划研究 进入点 退出点 图2 4 焊接辅助点设置 而当焊枪在焊接辅助点之间的移动时，由于没有预设的路径约束，因此焊枪有可能 与焊件及其他焊接环境内的障碍物发生碰撞。此外，焊枪在两路径点之间移动时焊枪绕 t c p 点空间旋转，不同特征尺寸或类型的焊枪在移动过程中因旋转而扫掠的范围不同， 其与焊接环境内障碍物碰撞情况亦有不同。 2 1 3 点焊焊接工艺分析 电阻点焊的工作原理如图2 5 所示，工件3 、4 被压紧在电极1 和5 之间，施加电 极压力后，阻焊