焊接遙操作機器人系統(tǒng)及人機協(xié)作控制策略的研究.pdf

1、實現(xiàn)核環(huán)境、水下環(huán)境、空間環(huán)境和其它極限環(huán)境下的遙控焊接是國際焊接領(lǐng)域面臨的重要課題。隨著機器人遙操作及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能實現(xiàn)半結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的某些遙操作任務。然而，遙控焊接操作復雜、精度要求高、控制參數(shù)較多以及焊接過程的實時性特點，限制了遙操作技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應用。本文將機器人遙操作與焊接智能化技術(shù)相結(jié)合，對焊接遙操作機器人系統(tǒng)及其控制策略進行了研究。
　　焊接遙操作的研究核心是通過提高遙操作的人機交互能力完成遙

2、控焊接任務。通過對遙控焊接任務空間從宏觀到微觀的分析，建立了焊接遙操作智能分配的人機協(xié)作模型。通過焊接過程分析，提出“宏觀遙控、局部自主”的控制思想，具體實現(xiàn)上設計了人機協(xié)作控制策略，任務執(zhí)行時，操作者的手動命令始終保持在系統(tǒng)中，通過自由運動區(qū)的宏觀引導，受限運動區(qū)的低速引導定位，焊接區(qū)的自主、自動或者共享控制實現(xiàn)遙控焊接。
　　由于人機協(xié)作控制策略具有面向具體任務的特點，提出并建立了基于任務的分層遞階體系結(jié)構(gòu)模型，劃分為：遙操作

3、控制層、任務調(diào)度與決策層、運動規(guī)劃與控制層、自主規(guī)劃層、任務執(zhí)行層和物理層，基于該系統(tǒng)模型，開發(fā)了焊接遙操作系統(tǒng)—弧焊遙操作機器人系統(tǒng)(AWTRS)。針對AWTRS的人機交互特點，提出了五種作業(yè)方式：直接控制、遙控示教、共享控制、自主跟蹤控制和虛擬環(huán)境監(jiān)督控制。通過分析該系統(tǒng)的信息交互機制，提出了虛擬控制單元(VCU)的概念，對AWTRS的焊接遙操作多模式人機界面、傳感系統(tǒng)等各功能子系統(tǒng)進行抽象表達，通過VCU之間的信息交互實現(xiàn)五種作業(yè)

4、方式。采用受控Petri網(wǎng)對具有典型混雜動態(tài)系統(tǒng)特征AWTRS進行建模，描述系統(tǒng)并發(fā)、異步和實時的特點。
　　對工業(yè)機器人傳統(tǒng)示教方法進行改進，提出一種新遙控示教技術(shù)－激光視覺傳感輔助遙控示教，并給出了激光視覺傳感輔助遙控示教算法，對焊縫特征點自動提取。遙控示教綜合了基于視覺臨場感的直接控制、激光視覺傳感和基于人機交互路徑規(guī)劃三種技術(shù)。采用速率解析算法焊接遙操作的直接控制，并開發(fā)了空間鼠標的接口程序。設計并建立了視覺臨場感系統(tǒng)，提

5、出其核心技術(shù)—立體視覺顯示的同步問題和閃爍問題的解決措施。激光視覺傳感輔助遙控示教能快速多種形式焊縫，增強了系統(tǒng)的執(zhí)行能力。
　　針對焊接遙操作的避障、提高控制精度和操作連續(xù)性問題，提出了基于共享控制的解決措施，建立了焊接遙操作的共享控制模型。針對不同類型的障礙，提出兩種焊槍運動的共享控制算法：自由度分割算法和自由度加權(quán)融合算法。通過共享控制，能夠進行避障、保持操作連續(xù)性和提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能；操作者專注于控制單獨的自由度，控制精度

6、提高。
　　AWTRS實現(xiàn)遙控焊接主要方式是監(jiān)督控制，包括任務規(guī)劃和任務執(zhí)行兩個階段。為了實現(xiàn)遙控焊接的多角度監(jiān)控，避免弧光對視覺反饋的影響，對基于虛擬環(huán)境的監(jiān)督控制深入研究，提出實現(xiàn)虛擬監(jiān)控的兩種方法：基于自主規(guī)劃的虛擬監(jiān)控、基于離線編程的虛擬監(jiān)控。虛擬環(huán)境監(jiān)督控制的實現(xiàn)為大時延下的遙控焊接研究奠定了基礎(chǔ)。為了建立遠端環(huán)境到虛擬環(huán)境之間的映射，開發(fā)了基于人機交互的環(huán)境標定算法，該算法充分利用遙操作中的人機交互，進行圖像特征點定位

7、，從而得到工件到焊槍的位姿轉(zhuǎn)換矩陣。該方法解決了模型已知而位姿關(guān)系未知的遙控焊接任務執(zhí)行的虛擬監(jiān)控問題。
　　為了增強對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應性和提高系統(tǒng)執(zhí)行能力，開發(fā)了AWTRS的多模式人機界面(WMHMI)，集成了視覺、系統(tǒng)狀態(tài)、空間鼠標、傳感器等多種信息，可完成直接控制、激光視覺傳感輔助遙控示教、共享視覺控制和監(jiān)督控制等。WMHMI與機器人控制器采用基于C/S的通訊方式，設計了信息傳遞的編碼規(guī)則，并開發(fā)了通訊模塊。
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