（机械电子工程专业论文）双机器人协调操作运动规划及控制研究.pdf

中文摘要 双机器人协调操作运动规划及控制研究 摘要 随着机器人技术的发展和应用领域的不断扩大，要求机器人所完成的任务越 来越复杂，精度越来越高。在工业自动化和柔性生产中，存在这样一些情况，比 如，搬运较重和较大物体，跟踪给定的轨迹，并且保持物体某种姿态，在这种情 况下，如果采用两个机器人协同搬运，则可能实现。机器人在自动化加工中应用 最多的是机器人抛光，具有回转型自由益面零件的抛光，靠单个机器入难以胜任， 需要双机器人( 机器人和机器人或变位机) 协调操作才能完成。针对以上机器人 应用中遇到的实际问题，本文在对双机器人协调运动规划及控制基本理论进行系 统的总结和分析基础上，重点对双机器人紧耦合协调运动规划及控制，双机器人 协调完成复杂曲面抛光任务运动规划等有关主要问题进行研究，主要完成了以下 工作： 双机器人紧协调运动规划时，为满足双机器人紧协调相对位姿约束，得出双 机器人紧协调运动位姿误差模型，基于有界偏差关节路径规划法，给出一种双机 器人紧协调运动规划方法，该方法将规划分为物体位姿运动规划和关节空间规划 两步，物体位姿运动规划包括物体位置插补和物体姿态插补，采用四元数插补算 法来解决两物体姿态插补问题。关节空间规划，通过增加设置点的过程来克服机 器人正运动学非线性映射引起的偏差，从而满足双机器人在运动协调中所要求的 位置姿态精度，完成两机器人紧协调路径规划。 文中给出了一种双多机器人紧协调自适应控制方法，由物体的参考模型和 期望的运动轨迹，可以得到机器人运动轨迹，通过测量物体和机器人实际运动轨 迹和速度，可以对物体和机器人动力学参数进行自适应估计，所提出的方法不需 要测量机器人与物体间的接触力，而且能实现对各个机器人的分散控制。文中同 时给出一种无耦合内力动载抓取规划算法，该算法首先在物体空间规划出机器人 动载分配系数，然后在关节空间确定各机器人各个关节输入力矩，仿真实例表明 该算法简单易行。 给出了一种基于遗传算法双机器人运动轨迹优化方法，以最大加工速度即 最小加工时间作为优化目标，在机器人运动学约束和动力学约束下，对于给定的 跟踪轨迹，对两个机器人相对基坐标位置以及两个机器人的运动轨迹进行了优 化，通过两个三自由度平面机器人协调加工仿真实验表明，采用双机器人协调加 工，对双机器人运动轨迹进行优化，可以明显提高加工速度。 上海交通大学工学博士学住论文 回转型自由曲面是一种特殊的自由曲面，对这类特殊零件的抛光，靠单个机 器人难以完成。针对这一问题，提出采用双机器人协调操作来完成回转型自由曲 面抛光加工方法，双机器人协调完成抛光加工时，首先需要确定物体坐标系中曲 面的加工路径，然后通过双机器人协调条件确定两个机器人加工路径，最后生成 两个机器人控制指令。本文给出两种抛光路径生成方法，一种是基于参数曲面的 等距自适应研抛精加工路径规划方法，该方法能使刀具轨迹应尽量均匀分布在工 件表面上。另一种是直接由c a d c a m 系统生成的刀位数据c l 来规划抛光路径的 方法，采用四元数插补( q i ) 算法对两相邻刀位点数据进行精插补和突变区域的 刀轴矢量进行优化，实现两相邻刀位点间刀轴矢量连续平滑过渡。在离线情况下， 通过后置处理将刀位数据转化为双机器人加工路径和运动控制指令，利用p c 机、 两台m o t o m a n s v 3 工业机器人和x r c 控制器等构建了双机器人抛光实验平台，并 利用这一实验平台对有关理论进行了实验验证。 由于运动学建模和控制误差影响，在机器人抛光和双机器人紧协调操作过程 中，纯位置控制可能使物体和机器人之间产生很大的接触力，造成机器人及系统 的损坏。本文采用一种位置力修正补偿控制的方法，将六维腕力传感器与机器 人位置控制相结合，组成力控制系统，腕力误差信息则作为一种误差修正量迭加 到机器人的位置控制环上，论文通过对机器人抛光和双机器人紧协调操作实验， 验证了所给出控制方法的可行性和正确性。 关键词：双机器人系统，协调规划，位姿约束，协调自适应控制， 负载分配，轨迹优化，机器人抛光，刀具路径规划，四元数插补，力 补偿控制 i i a b s t r a c t p ! a t hp l a n n i n ga n dc o n t r o lo ft w o c o o r d i n a t e di n d u s t i u a lr o b o t s a b s t r a c t w i t ht h ee v e ri n c r e a s i n go ft h et e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fr o b o t si nt h e i n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，t h et a s ko p e r a t e db yt h er o b o ti sb e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d a n dd e x t e r o u s i ni n d u s t r i a la u t o m a t i o na n df l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s v a r i o u s r o b o t i ca p p l i c a t i o n st h a ta r eb e y o n dt h ec a p a c i t yo f as i n g l er o b o tr e q u i r et h ea d o p t i o n o ft w or o b o t si nl i e uo fas i n g l er o b o t ，t h e s ei n c l u d e ，f o ri n s t a n c e ，m a n i p u l a t i o no f h e a v yo rl a r g eo b j e c t sa l o n gag i v e np a t h ，p o l i s h i n go fr o t a t i o n a lf r e e f o r ms u r f a c e p a r t s i nt w oa b o v eg a s e s ，t h et w or o b o tc o o r d i n a t e ds y s t e m sa r eo f t e ni n d i s p e n s a b l e t h et w or o b o tc o o r d i n a t e ds y s t e m sm a k em a n u f a c t u r i n gs y s t e m sm o r ef l e x i b l ea n d d e x t e r o u sb ya l l o w i n gt h es y s t e mt oh a n d l ec o m p l e xt a s k s s e v e r a lc r u xp r o b l e m s a b o u tt h ec o o r d i n a t e di n d u s t r i a lr o b o t sp a t hp l a n n i n ga n dc o n t r o la r ei n v e s t i g a t e di n f u r t h e ra f t e rg e n e r a l i z ea n da n a l y s i so f t h er e l a t e db a s i ct h e o r y w h e nt w oi n d u s t r i a lr o b o t sg r a s pac o m m o no b j e c tr i g i d l y , t h ep o s i t i o na n d o r i e n t a t i o no ft h et w or o b o t sm u s ts a t i s f yas e to fh o l o n o m i ec o n s t r a i n t s t h e c o o r d i n a t e ds y s t e mc o n s t r a i n te q u a t i o n sa r eo b t a i n e d ab o u n d e dd e v i a t i o nj o i n t p a t h ( b d j p ) a l g o r i t h mi su s e di nc o n t i n u o u s - p a t hp l a n n i n gf o rt w or o b o tc o o r d i n a t e d s y s t e m s as i m p l e a n de f f e c t i v e p a t hp l a n n i n ga l g o r i t h m f o rd u a l - r o b o t t i g h t c o o r d i n a t i o ni sp r o p o s e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc o n s i s t so ft w os t a g e s ，t h ef i r s t s t a g ei st h ep a t hp l a n n i n go ft h eo b j e c tp o s i t i o na n do r i e n t a t i o n q ia l g o r i t h mi su s e d t oi n t e r p o l a t el i n e a r l yb e t w e e nt w oo b j e c to r i e n t a t i o n s t h es e c o n ds t a g ei st h et w o r o b o t sp a t hp l a n n i n gi nj o i n ts p a c e ，i nt h i ss t a g e ，e n o u g hi n t e r m e d i a t ek n o t sa l e g e n e r a t e d t oc o m p e n s a t et h ee r r o ro c c u r r e db yt h en o n l i n e a rm a p p i n go fr o b o t f o n v a r dk i n e m a t i c a na d a p t i v ec o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o df o rt w or o b o t sg r a s p i n gac o m m o n o b j e c tt i g h t l yi sp r o p o s e d i nt h em e t h o d ，t h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fb o t ht h eo b j e c t a n dt h er o b o t sa r ee s t i m a t e db ym e a s u r i n go n l yp o s i t i o n sa n dv e l o c i t i e so ft h eo b j e c t a n dt h er o b o t s t h ed e s i r e dm o t i o n so f t h er o b o t sa r eg e n e r a t e db ya l le s t i m a t e do b j e c t r e f e r e n c em o d e l ，w h i c hi se v a l u a t e du s i n gp a r a m e t e re s t i m a t e sa n dd e s i r e dm o t i o no f t h eo b j e c t t h em o t i o no fe a c hr o b o ti sc o n u o l l e di n d e p e n d e n t l ya n da d a p t i v e l y t h e 1 1 1 上海交通大学工学博士学位论文 p r o p o s e dc o n t r o lm e t h o dd o e sn o tn e e dt l l em e a s u r e m e n to ff o r c ea n dm o m e n ta t c o n t a c tp o i n t s c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nf o rt w or o b o t sh a n d l i n go n e o b j e c ti ss h o w n f o rm u l t i p l ec o o r d i n a t e dr o b o ts y s t e m ，a ne f f i c i e n ts o l u t i o na l g o r i t h mo ft h eo p t i m a l l o a dd i s t r i b u t i o np r o b l e mw i t hj o i n tt o r q u ec o n s t r a i n t si sp r e s e n t e d t i l i sa l g o r i t h m c a na v o i dt h eo b j e c td a m a g ew h e nm u l t i p l er o b o t s m a n i p u l a t i n gt h eo b j e c t 1 1 1 e o p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o np r o b l e mi sf o r m u l a t e da saq u a d r a t i co p t i m i z a t i o np r o b l e m i no b j e c ts p a c e w ec a ng e tt h ej o i n tt o r q u e sb yl o a dd i s t r i b u t i o ns c a l a rv a r i a b l e s f o r t h ec a s eo ft w op l a n a rr o b o t sm a n i p u l a t i n gas i n g l eo b j e c t ，t h eo p t i m a ls o l u t i o ni s g i v e ni nas i m p l ea n de f f i c i e n tc l o s e df o r ms ot h a tt h es o l u t i o ns c h e m ec a nb ee a s i l y b eu t i l i z e di nt h er e a lt i m ec o n t r o lo f t h et w or o b o t sc o o r d i n a t i o n an o v e la p p r o a c hb a s e do ng am e t h o di sp r e s e n t e df o rt h eo p t i m a lc o o r d i n a t i o n o ft w or o b o t sp e r f o r m i n gc o n t i n u o u s - p a t hm a n u f a c t u r i n gt a s k s t h er e s u l t i n go p t i m a l m o t i o nm i n i m i z e s t h eo p e r a t i o ne x e c u t i o n - t i m e ，t h u sy i e l d i n gt h eh i g h e s tp o s s i b l e o p e r a t i o ns p e e d , w i t h o u tv i o l a t i n ga n yo fk i n e m a t i ca n dd y n a m i cc o n s t r a i n t s a s i m u l a t i o no fac o n t a c tm a c h i n i n g - t y p eo p e r a t i o nb yt w oi d e n t i c a lp l a n a rr o b o t si s p e r f o r m e dt ot e s tt h ep r o p o s e dm e t h o d r o t a t i o n a lf r e e - f o r ms u r f a c ep o l i s h i n gi sb e y o n dt h ec a p a b i l i t yo fas i n g l e r o b o t t h em e t h o db yu s i n gt w oc o o r d i n a t e dr o b o t sh a sb e e nd e v e l o p e di np o l i s h i n go f r o t a t i o n a lf r e e f o r ms u r f a c e t h em a i np a t h 、i t l lr e s p e c tt ot h ew o r k p i e c ei sg e n e r a t e d f r o mt h ec a d c a ms y s t e m ，t oa c t u a l l yp o l i s h 谢t hd u a lr o b o t s ，i ti sn e c e s s a r yt o t r a n s f o r mt h em a i np a t hi nt h ew o r kc o o r d i n a t es y s t e mt ot h a ti nd u a lr o b o tc o o r d i n a t e s y s t e m s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ep o s i t i o na n da t t i t u d eo ft h ew o r k p i e c e t w op a t h p l a n n i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d o n ei sa na d a p t i v ep a t hg e n e r a t i o nm e t h o db a s e do n t h ep a r a m e t r i cs u r f a c e s ，t h eo t h e ri sp a t hp l a n n i n gb a s e do nt h ec ld a t a a na d a p t i v e p a t hg e n e r a t i o nm e t h o db a s e do nt h ep a r a m e t r i cs u r f a c e sc a ng e n e r a t ee v e nt o o lp a t h s a n di m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t y t or e a l i z et h es m o o t hi n t e r p o l a t i o no f t o o lo r i e n t a t i o n ， aq u a t e r n i o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ( q ia l g o r i t h m ) b e t w e e nt w oc ld a t ai sa l s o p r o p o s e d ，w h i c hc a nr e a l i z et h es m o o t hi n t e r p o l a t i o no fr o b o te n d e f f e c t o rp o s i t i o n s a n do d e n t a f i o n s o f f - 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i np o s i t i o nc o n t r o l l e r sa n dd on o t a l l o wd i r e c ta c c e s st oa c t u a t o rt o r q u e t h ep o s i t i o n b a s e df o r c ec o n t r o l l e ra t t a c h e di n t h ef o r c eo u tl o o pi su s e d t h em e t h o dd o e sn o tc h a n g et h er o b o tc o n t r o l l e r t h e r e s e a r c hd e s c r i b e di nt h i sp a p e ri s p r i m a r i l yf o c u s e do na c h i e v i n gc o o r d i n a t e d m o v e m e n to ft w oi n d u s t r i a lr o b o t st h r o u g ht h eu s eo faf o r c e t o r q u es e n s o l1 1 1 e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o di s p r o v e dt h r o u g ht h ei n d u s t r i a l p o l i s h i n ge x p e r i m e n ta n dt h eo b j e c tc o n v e y i n ge x p e r i m e n tb yt w oc o o r d i n a t e d i n d u s t r i a lr o b o t s k e y w o r d s ：d u a l r o b o tw o r k c e l l ，c o o r d i n a t e dp l a n n i n g ，c o o r d i n a t e d s y s t e m c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s ，a d a p t i v e c o o r d i n a t e d c o n t r o l ，l o a d d i s t r i b u t i o n ，t r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o n ，r o b o t i cp o l i s h i n g ，t o o l - p a t h p l a n n i n g , q u a t e m i o ni n t e r p o l a t i o n ，f o r c ec o m p e n s a t i o n c o n t r 0 1 v c o n c l u d i n gp a p e r s 上海交通大学学位论文答辩决议书 页码，l l 申请者 林风云 0 所在学科( 专业) | | 机械电子工程 l 论文题日f i 双机器人协调操作运动规划及控制研究 一 l 答辩日期0 2 0 0 5 - 0 9 - 1 0 9 答辩地点 l |机械楼2 1 0l 答辩委员会成员i 担仟职务 姓名旷职称 所存工作单能备注0 签名i 主席 钟廷修0 教授 上海交通大学无8 屑确趟幺l 委员陈兆能l教授上海交通大学无i i 约吻劳刃 委员姚志良教授上海大学无i 舸岳j ；d 委员周明傅教授同济大学无 l 俐i r 叫【i 委员h 曹其新 | 教授一l l 土毒交通大学无l 嗍基脚。i 委员杨建国0 教授 东华大学无7u 童璺0 量量生0 壑量 上海交通大学垂i i 渐= i 评语和津议： 转风云圃学尊 粤士学位论享双机器人协调操作运动规划及控制研究，对双机器人紧抓持物体协调运 动规划、双机器人协调完成复杂曲面抛光加工运动学规划中的关键问题进行研究，论文选题正确，对取机 器人协调及其在工业生产中的应用有一定的学术意义和实际价值 ， 论享首先基于有界偏差关节路径规划法，提出了一种双机器人紧协调操作运动规划方法，以满足双机 器人紧协调运动时的姿态和位置精度要求，并采用四元数插补算法来解决两物体姿态插朴问题；其次，捂 出了种双机器套紧协调位置力跟踪自适应控制方法，可实现对两机器人分散控制：此外，论文针对双机 警a 协调毒堕商羹触的曲线跟踪问题t 利用自适应遗传算法对双机器人运动轨迹进行优化，并针对双机器 人协调完成回转型复杂曲面连续抛光问题，对抛光路径进行规划给出了一种由抛光路径来生成双机器人 抑千路丝和雄童0 擐全的方法：论文最后采用位置一力修正补偿方法，将六维力传感器与机器人位置控制相 结合，组成力控制系统，来改善协调控制能力。 论文立论正确，条理清晰，结论明确，并针对双机器人协调控制的具体问题进行了相关实验，取得了 瞠棼明星的进展t 已达到博士学位论文的要求答辩中表述清楚，能正确回答问题。表明林风云同学尸- - 堂t 握本学科的前沿知识，具有扎实的专业理论基础和较强的独立科研能力。经答辩委员会讨沦和投票一致 = 通过林风云同学的博士学位论文答辩并建议授予工学博士学位。 墨 表决绪果： 公暑甬z 寸 j 、一、一 答辩委员会主席彳白脚拳签名) 加。，年9 只i _ f f 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：林，丸i 日期：伽f 年罗月i a 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：群f 见 ， 指导教师签名：计 e i ；n ：彬年夕月c , e t 日期：刎年夕月口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 课题研究的背景 目前，双机器人系统在工业中的应用大多局限于非协调运动，如生产线上的 机器人，它们之间并不发生物理接触，是一种无耦合非协调运动，其研究主要包 括避碰算法，工作空间分配等。随着社会的发展和科学探索向更高更广领域的拓 展，要求机器人完成的任务和使用范围越来越广，其操作精度要求也会越来越高 1 1 p 1 。在工业自动化和柔性生产中，存在着这样一些特殊情况，需要两个机器人 或更多的机器人协调操作才能完成。 ( i ) 当搬运比较大的物体时，物体的重量和体积超出了单个机器人所能承载 能力和操作空间，有些时候，还要求搬运的物体需要沿着一定的轨迹，并且保持 某种姿态【3 】，在这时，需要两个机器人协同搬运，才能实现，当机器人夹持刀具 或其他工具，进行雕刻、倒角、抛光等作业时，有时要求机器人系统有较大的加 工能力和平稳的运行过程，在这时，如果用两台机器人共同夹持刀具，协调操作， 则可能实现。 ( 2 ) 现代机械制造中常会遇到一些回转型自由曲面( 异形曲面) 的加工问 题，例如人工关节、鞋楦、叶片以及螺旋铣刀等，此类工件在人们的生活和生产 中起到至为关键的作用。近年来，人工关节的研制与需求越来越广泛，人工关节 置换手术作为有效治疗方法在国内外得到了广泛应用，而人工关节匹配面的研抛 精度，是直接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要 因素。其中膝关节是一种典型的异形曲面，最后抛光加工目前还没有很好的解决 方法。叶片是汽轮机，螺旋桨等动力装置的关键零件，其表面粗糙度和加工精度 对这些动力装置的性能有决定性影响。叶片的压力面加工般是采用数控铣削 后，再由操作工进行研抛来满足使用要求，其人工抛光劳动强度大，效率低。鞋 楦是皮鞋设计和制造的依托，是制鞋过程中不可替代的重要模具，鞋楦是由复杂 不规则的异形曲线和曲面所组成的自由闭合曲面体，传统的加工方式多为手工加 工、仿形加工。 回转型自由曲面( 异形曲面) 是一种特殊的自由曲面，对这类特殊零件的抛 光，使用单个机器人或数控机床加工，存在加工盲区，工件本身可能遮挡了机器 人，无法实旌连续加工，靠单个机器人难以完成。解决这类特殊曲面抛光问题是 现代制造业需要迫切解决的重要课题之。针对以上机器人应用中出现的实际问 题，本文对双机器人紧耦合协调运动规划及控制，双机器人协调完成复杂曲面加 上海交通大学工学博士学位论文 工任务规划等几个关键性问题进行了研究，为双机器人在工业中的应用打下基 础，其中双机器人紧耦合协调运动规划及控制的研究也是多飞行机器人紧耦合协 调控制中的关键基础技术研究课题的前期准备。 1 1 2 课题研究的意义 双机器人协调是提高机器人系统操作能力、负载能力、可靠性以及扩展操 作空间的有效途径，双机器人协调可以完成对于单个机器人而言较为困难或根本 无法完成的任务【4 】【5 1 ，对于一些可由单机器人完成的作业，如果使用双机器人协 调工作，也可减少机器人的复杂性，提高效率，增加灵活性和稳定性【6 】【7 1 。目前， 双机器人协调系统的研究引起了日益广泛的重视l 钔，在生产制造 9 l 、军事【1 0 】、航 空航天【l i 】n 2 】、空间探索f 1 3 】、高压带电作业及危险品操作等领域得到了广泛应 用。 ( 1 ) 当两个机器人固定抓取工件进行搬运物体时，机器人与物体间没有相 对运动，对这一类操作称为紧耦合协调操作【7 j i ”j 。目前，双机器人紧耦合协调操 作研究主要集中在p t p 点位控制上，如搬运、上下料等【6 h ”j ，只要求物体在运动 终点达到精确位置，不要求运动中路径精确。在很多情况下，不仅要求物体或加 工刀具在运动终点准确定位，而且要求搬运的物体跟踪要求的轨迹，双机器人紧 协调操作物体时，很难对双机器人相对位姿约束进行控制，相对约束条件的违背 可能导致机器人和物体的损坏，这就对双机器人协调规划和控制提出了更高要求 【1 6 】。双机器人紧协调系统通过被操作物体构成具有封闭位形的运动链，由于所构 成韵封溺回路系统具有冗余特性，加上两个机器入通过物体相互作用，因此对双 机器人协调系统动载分配的研究具有挑战性。 ( 2 ) 双机器人协调操作为制造业柔性加工发挥越来越重要的作用【l ”。随着 制造业的发展，产品的生命周期越来越短，产品的复杂性越来越高，对生产制造 系统的柔性提出了更高要求。机器人加工精度和加工范围远不及数控加工，但关 节型机器入有开放式豹动力学结构和良好的柔性度，动作灵活等特点【i ”，使得机 器人系统在模具自动化抛光、快速原型加工 2 0 1 、激光材料表面工程口1 1 以及空 间曲线轨迹跟踪f 2 2 】等得到越来越广泛的应用。 曲面的模具抛光，工作单调、耗时长，环境恶劣，劳动强度高，已成为提 高模具制造水平和质量的瓶颈1 2 3 2 4 。工件曲面抛光加工是一种少或无切削量加 工，刀具与工件接触力比较小，正好避开了机器人图q 性弱蛉缺点【“。因此，机器 人抛光在柔性加工中得到了广泛应用i 嘲。对于回转型自由曲面( 异形曲面) 工件 的抛光，采用单个机器人抛光，有时存在加工盲区，无法实旌连续加工。正像人 类双手比单手操作更灵活样，双机器人协调操作，具有较强的作业能力和较高 第一章绪论 的操作性能【9 1 ，一个机器人抓持工件，不断改变工件的位置和姿态，另一个机器 人抓持刀具，跟踪加工轨迹，工件搬运机器人可作为一个灵活的工件夹具使用 两个机器人协调操作可实现对回转型曲面的连续加工，加工速度更快，提高了加 工效率，避免工件的二次装夹所带来的加工误差。 ( 3 ) 通常机器人可以通过手动示教生成工作程序，即示教编程，当示教点 数增加示教复杂性增大时，采用“示教再现”( t e a c h i n ga n dp l a y b a c k ) 方法将 很难满足实际工业应用的要求 2 6 】【”l 。本文建立机器人及其工作环境的模型，在 离线情况下对双机器人加工路径进行规划确定两台机器人各自的加工路径，在 机器人坐标系中分别编制出两台机器人的加工程序，然后将程序输入机器人控制 器控制机器人加工。 国内外将工业机器人用于抛光的研究正在起步。将双机器人协调操作用于 零件加工方面的研究还很少，还有许多技术问题有待解决，本文主要对双机器人 完成回转型复杂曲面的抛光路径规划进行了研究，影响实际抛光效果的因素很 多，很多文献对抛光工艺进行了研究1 2 ”，由于精力和时间有限，而对抛光工艺方 面没有展开研究，随着研究的深入，双机器人协调系统会在加工制造方面有很好 的发展前景。 综上所述，开展对双机器人协调系统运动规划的研究，对拓宽机器人应用领 域和提高加工制造业自动化具有重要的现实意义和理论研究价值。本文的研究得 到了上海交通大学承接的国家自然科学基金多自主飞行机器人紧耦合协调控制 中关键基础研究科研项目支持。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 多机器人协调操作基本概念 多机器人协调系统研究是近年来发展起来的重要领域，它集机器人学、刚体 力学、控制理论、系统工程、人工智能、计算机与电子技术等学科为一体，受到 各国的有关研究机构的高度重视峭j 。 1 2 。1 1 多机器人协调操作应用特点 美国c l e m s o n 大学机器人与控制实验室用d e c v a x l l 7 5 0 计算机控制两个 p u m a 5 6 0 机器人，并利用两个机器人进行简单的搬运实验【3 0 】。意大利p r i s m a 实 验室c a c c a v a l en a t a l e 利用两台工业机器人s m a r t 一3 s 进行双机器人协调实验， 其中一台机器人的本体安装在线性移动导轨上每个机器人控制器采用c 3 g 9 0 0 0 控制单元，两个机器人进行了插孔实验】。美国爱荷华大学l i m 和c h y u n g 针对 两机器人搬运物体进行了基于位置控制的实验口2 】，先规划好物体的运动轨迹。每 个机器人的微分变换可以从已规划的轨迹的微分变换计算得到，每个臂的运动可 上海交通大学工学博士学位论文 用微小的位移增量进行控制。实验工作是由两个r h i n o 机器入共同抓取一水平放 置的长圆柱体，并将其以垂直姿态放在指定位置。美国d u k e 实验室的 g a r d ，d ，f a t h ，a 等利用两台a b b i r b l 4 0 工业机器人进行了协调控制实验【1 6 1 。 沈阳自动化研究所，根据集散控制原理，采用分层递阶结构建立了三级机构 双机器人协调控制系统，利用该系统成功地进行了p u m a 5 6 0 机器人和p u m a 7 6 0 机 器人点位协调和轨迹协调【3 ”。从以上多机器人应用实例来看，多机器人有如下特 点： 1 ) 当对操作物重量接近或超过单个机器人的负载能力，单个机器人末端执 行器难以承受较大力矩，影响单机器人的控制性能1 6 1 ；或者操作体积很大的物体 时，操作空间超出机器人的工作空间【3 4 1 ： 2 ) 当对操作物体运动轨迹或刀具 加上轨迹有较高精度要求时，采用双机 器人协调操作是提高物体或刀具跟踪 精度和稳定性的种有效途径7 1 f 3 5 1 ； 3 ) 由于受到机器人本身机构和性 能的限制，当加工具有复杂空间曲面的 工件时，机器人对工件操作时可能存在 死区，如图1 一l 所示，工件本身可 能遮挡了机器人，机器人很难对工件实 行连续加工，采用双机器人协调能够以 任意姿态达到工件曲面任意一点，对具 仃空j 口j 曲面的工件连续加工，提高了加 工效率，避免工件二次装夹所带来的加 工误差： 4 ) 有许多任务如轴孔装配、复杂工 件的焊接等，为保证装配精度和柔性， 图1 一i 多机器人装配 f i g 1 - 1a s s e m b l et a s kb ym u l t i p l em a n i p u l a t o r 图1 2 双机器人协调装配 f i g 1 2 a s s e m b l eb yc o o r d i n a t e dr o b o t s 单个机器人无法完成1 3 7 】【3 8 1 ，如图1 2 所示，两个f u n a c 机器人协同进行精密装配作业。 1 2 1 2 多机器人协调操作分类 双机器人协调操作按照作业的性质的分为三类【峙1 。 ( 1 ) 非协调运动( l o o s ec o o r d i n a t i o n ) 非协调运动中的两个机器人跟踪事先设定的运动，两个机器人可以工作在同 工作空间，但它们之间并不发生物理接触，彼此间没有冲突，如生产线上的机 器人。非协调运动研究主要包括，两个机器人避碰算法 3 9 1 ，机器人优化算法【4 0 1 ， 第一章绪论 任务的分解以及工作空间的分配【4 l 】等。 ( 2 ) 紧协调运动( t i g h tc o o r d i n a t i o n ) 双机器人抓住同一刚体，机器人末端抓手和刚体间无相对运动，称机器人和 刚体间的约束为刚性约束 6 1 1 ”】。这种情形是双机器人协调中最基本的形态，也是 理论研究所采用的理想化模型。 ( 3 ) 松协调运动 松耦合协调中的各个机器人的运动存在空间几何约束，但不是全方位的各 个机器人之间允许有相对运动，也就是说机器人之间的约束关系是可以变化的。 松协调运动主要包括以下几种情况： a 1 双机器人各自抓一个刚体进行协调操作，例如，两个机器人各自抓取一 个物体进行轴孔装配，一个机器人夹持工件，另外一个夹持刀具进行加工操作， 这类问题除了进行力控制问题外，主要是两个机器人协调运动轨迹规划 9 1 1 4 2 】： a 2 双机器人抓住一个本身具有一自由度的双刚体h 3 1 1 4 5 1 ，或一柔性体【2 3 】： a 3 多指手操作，两个机器人类似于手指对物体进行操作【4 6 】【4 7 1 。多指手抓持 和操作物体时，手指与物体的约束是单向的，在操作物体时具有很好的灵巧性， 能够有效地抓取和操作工件【4 8