多机器人无夹具焊接系统中的协作控制研究

无夹具（弧焊）焊接是多机器人协作系统在柔性化制造系统中的典型应用。基于申请人在焊接机器人领域积累的研究经验与已建立的多工业机器人协作系统实验平台，本项目以实现3机器人协作的无夹具焊接为研究目标，主要研究内容为：①实用化的多机器人系统基坐标系标定方法；②无夹具焊接过程中的多机器人轨迹协调控制方法。研究思路的创新点是：①通过在协作机器人之间构造特定的握手姿态，仅借助机器人本身的位置传感器和运动学方程完成机器人基坐标系的标定；②依据多机器人协作运动时末端位姿间的约束关系，将轨迹协调运动分为同步、耦合、叠加三类，针对每种形式的协作运动分别研究相应的运动控制算法。项目将构建由3台工业机器人组成的柔性化多机器人协作焊接系统，完成管管接口（焊缝轨迹为三维曲线）的无夹具协作焊接，达到国际先进水平。开展本项研究，理论上可弥补当前研究工作在多机器人轨迹协调控制方面的不足，应用上能够提高我国焊接自动化的水平。

弧焊焊接是目前制造领域最重要的连接方式，传统的单机器人焊接工作站已难以适应当前市场小批量、定制化的生产需求。多机器人协作焊接系统采用机器人代替变位机提高了系统灵活性，是焊接自动化发展的重要方向。.本项目着眼于解决当前焊接工程中的重大技术需求，首次在国内完成典型的多机器人协作焊接实验。研究成果集中在：.(1) 创新性的提出了一种多机器人系统协作运动的分类方式，并以此为基础归纳出一组新的协作运动过程中机器人工具手位姿和关节速度间的约束关系。该研究为解决多机器人协作系统运动控制的关键问题提供了控制基础。采用针对协作运动分类研究的方式与以往不加区分的统一控制方式相比，极大降低了机器人轨迹规划、运动控制的实现难度，针对单一协作运动形式所设计的控制器的结构更简单、控制精度也更高。.(2) 提出了一种全新的用于主从式多机器人系统的协作运动的轨迹示教和规划方法，进而提出了一组全新的用于实现协作运动编程再现的原型指令。该研究解决了多机器人系统采用何种示教操作方式、如何编程再现的关键问题。提出的协作运动的示教方法和原型指令在实现步骤、规划原理和指令形式上均是全新的。. (3) 创新性的提出了一种基于多机器人协作实现空间复杂曲线焊缝焊接的机器人运动轨迹规划方法，并首次在由两个机器人组成的协作焊接系统上成功实现了管管相接马鞍形曲线焊缝的焊接任务。该研究解决了多机器人协作焊接过程中轨迹规划的关键问题。.在本项目的资助下，课题组已在国内外著名期刊、会议上发表论文26篇（其中SCI检索6篇，EI检索17篇），获得国家发明专利授权2项、申请国家发明专利1项。本项目的研究成果能够为多机器人协作焊接系统的实现提供了理论上的指导，双机器人协作管管焊接实验的完成也为多机器人协作焊接系统的工程应用提供了良好的示范。目前，课题组在多机器人协作焊接方向的研究工作已经得到了2015年度国家自然科学基金的持续资助（项目名称：多机器人协作焊接系统中的轨迹规划与位置力协调控制研究），有望通过进一步的研究最终推动多机器人协作焊接系统在弧焊焊接领域的广泛应用，进一步提高我国弧焊焊接技术的自动化、智能化水平。尽管课题组的研究工作以弧焊应用为背景，但针对多机器人协作系统所提出的创新研究思路与相关控制方法相信对于其它领域中的多机器人协作控制问题也具有一定的借鉴作用。