【《双机器人协调运动轨迹规划技术研究的国内外文献综述》4400字】

双机器人协调运动轨迹规划技术研究的国内外文献综述自工业机器人被首次提出，Unimation公司推出第一台机器人[2]到现在，单个机器人的研究已经有了相当多的技术积累，而双工业机器人相关问题的研究仍有所欠缺。由于机器人的工作任务越来越复杂，单机器人的工作模式无法满足实际，两个甚至多个机器人之间无法准确配合，且存在众多安全隐患，于是多机器人协调运动的概念被提出[3][4]，但最开始的研究相对零散，发展缓慢。这一领域发展的转折点是在美国召开的多机器人协调研讨会，会议提出了多机器人协调运动的相关问题[5]，自此，多工业机器人得到充分重视，发展迅猛。目前为止，双机器人协调系统有着长足发展，围绕双机器人之间如何保持运动协调，FANUC公司的CoordinatedMotion系统、KUKA公司推出的Roboteam系统、ABB公司推出的MultiMove功能都可以同时控制多个机器人[6]。而国内对双机器人协调运动的研究起步较晚，虽然如新松机器人、广州数控公司等厂商可以实现机器人协调作业功能，但无论在控制还是功能方面相比国外都存在不足[7]。综上，双机器人协调运动的研究包含多个方面，国内外学者对这一方面进行了详细分析，例如双机器人工作时的任务分配[8]、双机器人工具与工件的标定[9]、多种协调方式下的运动学与轨迹规划[10]、双机器人位置力协调控制[11]等。结合本课题研究内容，本文对“双机器人协作”、“双机器人空间位置关系”、“双机器人轨迹规划”三方面开展研究，并对国内外学者的研究现状进行归纳和总结。1.1双机器人协作研究现状随着工业自动化水平的需求越来越高，面对复杂生产条件，单机器人已经很难满足实际要求，例如搬运大型物件、装配孔轴类零件、复杂曲面的焊接等，都需要两台甚至多台机器人协作生产。与独立的机器人相比，双机器人不仅需要考虑每一个机器人的工作空间以及外界约束，还需要考虑机器人之间的运动协调关系，一台机器人在时间与空间上配合另一台机器人建立约束关系并完成相应的任务动作。双机器人协作的研究起始于上世纪70年代，目前已经有较为成熟的控制技术解决双机器人的协作问题。SaridisGN[12]提出了一种针对复杂环境的高级决策方式，该方式围绕智能与精度将系统分为三个层级，最底层的控制具有低智能、高精度的特点，最高层的控制则具有高智能，低精度的特点。Herannasanz等人[13]提出了一种双机器人协调的控制方法，如图1-2，通过手动操纵从机器人配合主机器人，增加了操作系统的适用范围，根据多种生产需求选择不同的从机器人完成配合，这样的控制方式使人力资源只需投入到生产任务而不用考虑两台机器人的末端类型。Kassagami等人[14]提出双机器人协调焊接的控制方法，一台机器人夹持工件，另一台夹持焊枪进行焊接，只对夹持工件的机器人进行示教，另一台机器人根据运动学约束关系自动寻找位置跟踪焊接，这种控制方式减小了多次示教带来的误差，也节省了准备时间。图1-2基于手动操纵的双机器人协作控制方法Fig.1-2Multi-robotcooperativemethodbasedonmanualmanipulation相较于国外，国内由于双机器人的研究起步较晚等因素对双机协作的研究较少。李洋[15]搭建了双工业机器人协调实验平台，通过自适应步长RRT规划两台机器人协调运动路径；王雷[16]采用集中控制系统约束双机器人协调运动轨迹，实现末端位姿在时间和空间上的同步，提出点对点规划和轨迹规划两种控制方式；孟石[17]分析了叠加与耦合运动的双机器人协调运动方式，并在Ke-Scope上对双机器人协作进行编程与仿真。综上所述，国内外学者在这个领域中研究较多的有轨迹规划、时间优化、控制器二次开发、同步控制、双机标定等等。我国对双机器人协作的研究相对较少，虽然可以控制双机器人进行运动，但距离实际应用仍存在较多的问题，尤其是在复杂作业的环境下。1.2双机器人基坐标系标定研究现状随着工业机器人使用的范围越来越广，在很多场景如精密加工中，对工业机器人精度的要求越来越高，尤其是末端执行器的空间位姿精度。但是机器人本身的制造误差、安装误差、长时间使用后的磨损误差等都是不可避免的。机器人标定可以获得机器人本体、工具、工件的真实位置信息，在双机器人系统中，还需要使一台机器人获得另一台机器人各关节及末端执行器的位姿信息，如果标定没有准确实行，将会导致无法加工甚至机器人相互碰撞等事故[18]。因此双机器人标定技术是保证两个机器人满足工作需求所必不可少的关键技术之一。实现双机器人协调运动，首先应解决双机器人基坐标系标定问题，基坐标系空间位置关系是构建协调控制闭环运动链的必要条件。但是几乎所有的工业机器人在出厂时就将基坐标系的原点设置在内部，无法直接测量机器人之间的相互关系，因此常采用间接测量法。根据国内外学者的研究，基坐标系标定分为接触式标定和非接触式标定[19]。非接触式标定指借助外部辅助仪器进行机器人标定，例如工业相机、激光跟踪仪、自动经纬仪等等。魏振忠[24]将工业相机与一台机器人末端绑定，记录另一台机器人末端法兰的运动状况，通过矩阵计算，得到双机器人之间的基坐标系变换矩阵。Fraczek[25]采用电子经纬仪标定两台机器人的基坐标系，经过代数计算得出每台机器人的基坐标系原点到世界坐标系原点的位姿变换矩阵。非接触式标定需要通过精密仪器进行测量计算，得出的标定精度普遍比接触式标定高，但是仪器本身需要安装调试，也增加了设备成本和标定时间。接触式标定指机器人末端夹持特殊标定工具如顶针相互接触，再通过一些特殊点位，得出机器人之间基坐标系的空间位置关系。唐创奇[20]提出用于求解弧焊机器人与变位机的基坐标系之间关系的三点标定法，这种方法简单实用，但没有应用于双机器人之间的标定。燕浩[21]将视觉相机与三点标定法相结合，得到两台机器人末端之间的位置关系，再通过矩阵计算共同完成手眼参数标定和基坐标标定，这种方法需要同时控制多个机器人和工业相机，操作难度大，相机设备昂贵；侯仰强[22]使用“基于公共靶标的三点两步法”对双机器人标定，通过计算两个机器人之间的公共靶与各机器人之间的空间位姿关系，同时进行双机器人标定和工件坐标系的标定，这种方法需要辅助公共靶，且需要进行两次三点标定；Bonitz[23]将校准板安装到工业机器人的末端执行器上，然后每个机器人末端运动到一校准板的指定位置，并且使校准板之间能够相互配合，从而建立标定方程，但在实际操作过程中难以将校准板准确配合，存在的误差较大。图1-3接触式标定Fig.1-3Contact-typecalibration综上所述，机器人标定分为接触式和非接触式，接触式标定的特点是操作相对简单，只需要控制机器人本体即可，由于无需额外的电子设备成本也较低，但是相对的精度难以保证；非接触式标定的特点是因使用其他设备而具有较高的精度，但是也增加了投入成本，而且设备本身也需要标定，增加操作难度。1.3双机器人协调运动轨迹规划技术研究现状单机器人与双机器人轨迹规划的区别在于，相比单机器人不会发生物理接触，双机器人需要考虑每一个机器人运动学间的空间约束，在保证能够完成任务的基础上避免空间中的碰撞。在双机器人协调轨迹规划技术的研究中，可以按照机器人的运动形式分为松约束运动和紧约束运动[26]。松约束运动指在工作中两台机器人之间的运动约束关系允许发生变化，如图1-4中双机器人协调装配和焊接作业，在装配或焊接中，一个机器人保持稳定不变，另一个机器人根据变化的约束关系调整末端位姿最终完成装配或焊接。紧约束运动与松约束运动相反，指两台机器人在工作中的运动约束关系始终保持不变，例如图1-5中双机器人搬运工作，当两个机器人夹持物件后，机器人之间会形成闭环的运动链系统，它们之间没有相对运动，位姿始终一致。图1-4双机器人松约束运动Fig.1-4Dual-robotLoosecoordinatedmotion图1-5双机器人紧约束运动Fig.1-5Dual-robotstrictcoordinatedmotion国内外学者对双机器人协调运动的轨迹规划技术开展了深入研究，国外研究由于起步较早，理论技术相对成熟。Nagai等人[27]在两个机器人夹持物体的研究中分析了闭环运动链的约束关系，并根据约束关系得出每个机器人的运动学方程，首次提出绝对运动的概念。LuhJYS[28]对双机器人夹持工件、抓取工件等运动展开研究，通过紧约束运动分析得出每个机器人末端执行器的位姿、速度以及加速度的约束关系。BasileF[29]提出了一种面向任务的通用协作双机器人运动规划方法，在描述双机器人协作任务的技术上设计了一种面向工件的协同任务通用公式，从而实现机器人的轨迹规划。国内的研究虽然起步晚，但仍有一些研究成果，北京航空航天大学的丁希仑[30]根据工作形式将双机器人协调运动进行分类，也就是松约束运动和紧约束运动，并对每一种运动的特点进行运动学分析，得出两个协调运动中机器人与工件的位姿、速度及加速度约束关系。哈尔滨工业大学的张福海[31]对双机器人松约束运动中的螺栓螺母装配进行分析，研究了装配工作中的约束关系，并仿真实验验证了结果的可靠性。东南大学的甘亚辉[32]研究了双机器人协调焊接工作，计算出机器人末端执行器的位姿和关节速度的约束关系矩阵，并用机器人对马鞍形曲线进行焊接验证。上述文献对双机器人协调的轨迹规划提供了非常好的研究基础，但紧约束运动中，都是在双机器人末端姿态保持不变的基础上进行的研究。在实际任务中，如果移动的路径存在障碍物，就必须变化姿态越过障碍，因此研究复杂轨迹下的机器人协调运动方法是有必要的。参考文献[1]包翔宇,曹学鹏,张弓等.多机器人协同系统的研究综述及发展趋势[J].制造技术与机床,2019(11):26-30.[2]冯旭,宋明星,倪笑宇等.工业机器人发展综述[J].科技创新与应用,2019,(24),52-54.[3]FRivard,JBisson,FMichaud.Ultrasonicrelativepositioningformulti-robotsystems[J].IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,2018:323-328.[4]TakaseK.Thedesignofanarticulatedmanipulatorwithtorquecontrolability[C].Symp.onIndustrialRobots,Tokyo:1974.[5]KoivoAJ.Reportofworkshoponcoordinatedmultiplerobotmanipulators-planning,control,andapplications[J].IEEEjournalofroboticsandautomation,1988,4(1):91-93.[6]AhmedKharidege.IndustrialApplicationswithCollaborativeRobotsSynchronousTowardsAMethodologytoBuildRoboticManufacturingSystem[D].北京:北京化工大学,2017.[7]王润东.面向多机器人协调的运动规划方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.[8]张涛,刘天威,李富章.基于改进烟花算法的多目标多机器人任务分配[J].信号处理,2020,36(08):1243-1252.[9]于淼,新星,陈山凤.基于空间投影法的双机器人运动学建模的研究与仿真[J].中国仪器仪表,2019,(10),25-28.[10]姚俊,李俊渊,李明富等.双机器人松协调装配轨迹规划方法研究[J].机械制造与自动化,2020,49(03):138-141.[11]曹学鹏,包翔宇,张弓等.基于模糊自适应和优化阻抗的双机器人力/位主从协同控制方法[J].工程科学与技术,2020,52(04):226-234.[12]SaridisGN.Intelligentroboticcontr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