多机器人协同装配单元的布局优化与调度方法研究

In real production environment, it is common that a Multi-robot Assembly Cells (MrACs)possess the characteristics of multi-robots cooperative assembly, multi-end -effectors and multi-assembly-stations. Because the layout of MrACs affects the scheduling in complex rules, it is hard to get optimal assembly efficiency by using traditional methods of layout design and simplified scheduling model. Aim to the Multi-robot Cooperative Assembly Cells (MrCACs) as described above, an idea of simultaneous optimization for layout and scheduling is proposed. A two-steps model for the optimization is created, and the multi-objective evolutionary algorithm for the model is proposed as well. As a result, the purpose of layout optimizing with the object of best scheduling scheme is fulfilled. In order to overcome the shortcomings of lower assembly efficiency of existing robotic collision strategies, the Constraints Model of Robots Collision (CMRC) is created with the goal of maximum utilization of robots. Furthermore, the typical MrCACs is modeled based on the CMRC, and the analysis of the solvability in polynomial time for the model is conducted. The method of complexity analysis and modeling is normalized to general model which posses arbitrary number of robots and stations, and the swarm intelligence algorithm is investigated to optimize the model, so as to get the scheduling scheme with optimal assembly efficiency. The project is important to provide theory basis and technical guidance for the design and application of MrCACs, thus improving the real application of this kind of cells greatly.

实际生产中的多机器人装配单元具有多机器人协同装配、多末端操作工具和多装配站等特点，其单元布局对调度方案具有复杂的影响规律，基于传统的单元布局设计方法和简化调度模型难以实现装配效率的最优化。针对具有上述特点的多机器人协同装配单元，提出一种单元布局和调度同步优化的思想，建立其两步优化模型，并探索该模型的多目标进化求解算法，实现以调度方案最佳为目标的单元布局优化。同时，针对现有机器人装配避碰策略效率低下的缺点，构建一种以机器人利用率最大化为策略的避碰约束，并籍此建立典型多机器人装配单元的调度模型，进而对其在多项式时间内的可解性进行分析和证明。将上述典型模型及复杂度分析方法扩展到任意台机器人的一般化单元，并探索该模型的群体智能求解算法，从而获得装配效率最优的调度方案。项目的研究可以为多机器人协同装配单元的设计和应用提供理论基础和技术指导，对该类单元的实际应用起到极大的推动作用。

机器人单元装配系统在中小批量生产、大批量个性定制化生产模式中具有非常重要的作用。然而，基于固定不变的单元布局设计难以实现装配效率的最优化。.本项目提出了一种单元布局重构和调度同步优化的思想，建立其同步优化数学模型，并探索这类问题的求解算法。项目主要研究内容及结果包括四个方面：.（一）实现了对多机器人单元布局重构与调度问题的抽象和建模，提出了序列对编码方法对布局问题进行描述，并提出采用控制点进行机器人避碰的策略，实现了该类问题的数学描述；.（二）针对抽象出的双C机器人装配单元和2C2L机器人装配单元，分别建立了多订单情况下的机器人可操纵性、库存成本、节能JIT生产、最小末端工具更换、物料转运调度、有限缓存等因素的布局与调度优化数学模型，结合具体问题建立了动态布局重构与调度优化模型，并提出各种问题标准测试集的生成方法；.（三）针对上述模型，综合研究了这类问题的群体智能编码和解码方法，不但采用了GA、PSO和NSGA-II等经典算法进行求解，还对萤火虫算法、果蝇算法、EDA算法、Petri网的A*-BS搜索算法等进行了研究、改进和应用；通过对标准测试算例集的求解，通过对比分析和统计，验证了单元布局重构和调度同步优化获得的结果更具有实用性，同时分析了不同算法对这些问题的求解性能。.（四）将多机器人装配单元布局重构与调度同步优化的思想与方法，分别应用到机器人冲压单元的排样图模板选配与调度同步优化和机器人制造单元集成式工艺规划与调度中；此外，课题组还将这种机器人装配单元控制与管理的方法应用于再制造的激光熔覆、以及机器人线缆锡焊系统中。.本项目研究的成果一方面可以应用于多机器人装配单元调度问题，对于提高装配单元性能、推广该类单元的应用水平具有重要的科学和实际意义；另一方面，对于两个因素（如布局和调度、排版和调度）相互耦合、且具有一定柔性的生产管理问题，也有广泛的应用前景。