十自由度焊接机器人系统运动规划方法研究与实现

摘要

随着机器人和焊接技术的不断发展，含有外部轴的冗余机器人系统的应用越来越广泛，研究冗余系统的运动规划问题具有现实意义。本文以含有KUKA机器人、变位机和C型支撑的机器人系统为对象，研究十轴机器人系统运动规划方法，开发了相关软件包，主要研究并解决了三个问题:碰撞检测问题、变位机逆解问题和冗余系统运动规划问题。
　　在AABB包围盒碰撞检测算法中，STL模型中三角片的大小不均匀会导致包围盒树中的包围盒不能逐层有效收缩，使得算法的运行速度慢且不稳定。本文提出了基于三角片细分的包围盒构造方法，该方法先将模型三角片细分，得到一组大小均匀的三角片，之后根据细分后的三角片构造包围盒，引入两个参数分别控制三角片细分粒度和包围盒树层数，实现了包围盒更有效的收缩，稳定了碰撞检测速度。包围盒树构造完成后，释放细分之后三角片所占用的内存空间，降低了程序的空间需求。碰撞检测时，通过减少包围盒之间、三角片之间碰撞检测时坐标变换次数，避免了不必要的包围盒膨胀，提高了碰撞检测速度。
　　变位机逆解问题中，现有算法在逆解超出区间[-180°，180°]时，逆解会出现突变，本文提出了基于正反向搜索的逆解选择算法，在保证关节不超限的前提下，有效克服了逆解突变的问题。之后讨论了变位机和机器人的协调运动问题，为了控制焊枪相对于工件的移动速度，选择了基于工件坐标系位姿插补的同步方法，结合变位机逆解算法，能够在调整焊缝位姿的同时进行焊接作业，并保证各焊点在焊接时满足给定的焊缝转角和焊缝倾角。
　　在解决碰撞检测问题、变位机逆解问题的基础上，研究了冗余机器人系统运动规划问题。在分析了焊接工艺约束及系统运动学的基础上，确定了系统的冗余变量，并给出了单指标的正弦计算公式和多指标的乘法融合公式。采用差分进化算法对运动规划变量进行优化，研究了该算法的不同变种的优化效果，确定了最终使用的算法操作及相关参数。为了避免轨迹突变，选用局部最优策略为单条轨迹生成策略，该策略中起始点（起始焊点的规划结果）影响后续焊点的规划，在尝试多个起始点并生成多条候选运动轨迹后，根据所有焊点指标平均值最大的原则确定了最终的运动轨迹。
　　最后围绕以上算法，开发了相关软件，实现了多组件的碰撞检测及交线动态显示、变位机规划结果预览和十轴机器人系统运动规划，并实现了与通用平台ROBOLP的集成。直线、圆弧、相贯线焊缝的规划实验表明，规划结果满足船型焊、无碰撞、机器人无奇异、关节角不超限、关节角连续等约束，规划算法正确有效。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 碰撞检测研究现状

1．2．2 变位机逆解研究现状

1．2．3 冗余系统运动规划研究现状

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的章节安排

第二章 碰撞快速检测方法研究与实现

2．1 现有碰撞检测方法分析

2．1．1 AABB包围盒构造算法

2．1．2 AABB包围盒之间的碰撞检测

2．1．3 三角片之间的碰撞检测

2．2 改进的碰撞检测方法

2．2．1 基于三角片细分的包围盒构造方法

2．2．2 AABB包围盒之间碰撞检测的改进

2．2．3 基于交点坐标的三角片碰撞检测

2．2．4 碰撞检测流程

2．3 碰撞检测实验与参数选择

2．4 本章小结

第三章 RT型焊接变位机逆运动学建模

3．1 变位机逆运动学需求分析

3．2 焊缝转角和焊缝倾角的定义

3．3 RT型焊接变位机建模

3．4 RT型焊接变位机逆运动学求解

3．5 解的选择

3．6 变位机与机器人的协调运动

3．7 基于船型焊的变位机运动规划实验验证

3．8 本章小结

第四章 十轴机器人系统运动规划的建模与求解

4．1 运动规划问题

4．2 十轴机器人系统运动规划问题的数学建模

4．2．1 焊接过程分析及系统冗余度的确定

4．2．2 自变量

4．2．3 约束

4．2．4 指标设计及其融合

4．2．5 系统运动规划数学模型整体描述

4．3 差分进化算法

4．3．1 差分进化算法的计算过程

4．3．2 差分进化算法操作方式分析及参数确定

4．4 运动规划策略

4．4．1 指标函数作图方式说明

4．4．2 极值点策略的缺陷

4．4．3 全局最优策略的缺陷

4．4．4 局部最优策略的规划结果

4．4．5 起始点的选择

4．4．6 规划算法整体流程

4．5 本章小结

第五章 软件开发与系统集成

5．1 焊接机器人离线编程与仿真系统总体结构

5．2 碰撞检测软件开发及其与通用平台的集成

5．2．1 碰撞检测设置

5．2．2 交线的动态显示

5．3 变位机逆解、运动规划软件开发及其与通用平台的集成

5．3．1 十轴焊接机器人应用软件包与通用平台的接口

5．3．2 焊缝信息提取

5．3．3 焊缝坐标系调整

5．3．4 变位机规划结果预览

5．3．5 运动规划及再现

5．4 运动规划结果及系统有效性分析

5．4．1 相贯线焊缝的规划结果

5．4．2 系统有效性分析

5．4．3 直线和圆形焊缝的规划结果

5．5 中间语言生成及多轴协调运动的实现

5．5．1 机器人中间语言分析

5．5．2 基于中间语言的多轴协调运动的实现

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要工作进展和结论

6．2 存在的问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文