[发明专利]一种基于主从式的工业机器人协作作业方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人作业的技术领域，尤其是指一种基于主从式的工业机器人协作作业方法。

背景技术

目前，人们对工业机器人的要求越来越高，希望工业机器人能够代替人类做更多和更复杂的工作。为此，人们渴望研制出功能更为复杂和强大的工业机器人。但是，工业机器人本身非常复杂，如果还要在其中再增加其它更多的功能，这无疑会大大地增加工业机器人的复杂度，而且把众多功能集成到一台工业机器人中，则其可靠性会降低，效率也不一定会显著提升，反而会加大工业机器人在设计和制造及维护上的困难。更何况很多作业靠单个工业机器人根本无法完成，需要多个工业机器人协作才能完成。

多个工业机器人协作，是指通过多个工业机器人相互配合完成某些作业。由多个工业机器人组成的协作系统并不是将多个工业机器人简单的组合或叠加，而是每台工业机器人除了要完成自身的控制目标之外，还要通过相互之间的动作协作和动作组合来完成更为复杂的作业。多个工业机器人协作时，每台工业机器人采取行动时，要考虑其它工业机器人的行动，行动要同步化，以达到所有工业机器人之间协作一致地完成作业。多个工业机器人协作比单个工业机器人具有更多的优势，因为多个工业机器人协作在空间上是分布式的，在时间上是并行的，且灵活性更好，容错能力强，资源利用率高，开发成本更低。

多个工业机器人协作研究始于20世纪70年代。从那时起国外许多机构和大学对多个工业机器人协作进行了大量的研究。1997年，欧盟专门设立了一个用于搬运的多自主机器人系统项目，在该项目中对多个工业机器人协作研究给予了大力的支持。目前，德国KUKA机器人公司已经成功地在奔驰汽车生产车间里实现了由15台工业机器人共同作业的工业机器人协作系统，而且参加协作的工业机器人数量还有望不断增加。在车身焊装车间里，有大量由8～12台工业机器人组成的工业机器人协作系统，每台工业机器人被有组织地安排在一个小区域内，对车身或板件进行焊接、传递、装配和搬运等，图2所示为工业机器人协作系统。其中，每台工业机器人可以单独工作，也可以和其它工业机器人协作。并且所有的工业机器人都采用标准的KUKA机器人，它们通过100Mbit/s的高速以太网进行通信连接和数据交换。因为KUKA机器人控制系统KRC2是基于微软WindowsXP操作系统的，这也使得互联网及技术作为通信端口，在工业机器人协作系统中的应用得到了充分的发挥。

日本对多个工业机器人协作研究一直没有间断过，许多机构和大学都进行了大量的研究。迄今已经建立了一系列比较具有代表性的工业机器人协作系统。美国也采用自下而上的路线，建立了许多工业机器人协作系统。图3所示为美国Robai公司生产的Cyton双臂机器人，它的每条机械臂有8个自由度(包括机械手有一个自由度)，跟人的手臂结构类似，共有16个自由度。中国科学院沈阳自动化所针对制造装配作业，采用了分散与集中相结合的分层体系结构建立了一个工业机器人协作装配实验系统MRCAS(Multi-robotcooperativeassemblysystem)。该系统由一台普通计算机构成协作组织级，协作作业由AGV、PUMA760、PUMA562和AdeptI等工业机器人完成。MRCAS为日后深入研究多个工业机器人协作理论和方法提供了一个非常好的实验平台。清华大学智能技术与系统国家重点实验室针对存在障碍物的空间中两台工业机器人协作搬运物体的规划问题，提出了基于快速探索随机树的改进算法，并且完全按照真实的工业机器人模型，建立了工业机器人协作仿真平台，以及设计完成了运动规划仿真实验。

一般而言，多个工业机器人协作大致上可以分为主从式、分布式和混合式。目前，多个工业机器人协作研究主要围绕着控制方法、路径规划、作业方法等领域展开。控制方法是工业机器人协作系统的基础，它包括各台工业机器人之间在逻辑上和物理上的信息和控制总和。路径规划是生成工业机器人各个关节运动轨迹的方法，通过主工业机器人(主机械手)与从工业机器人(从机械手)之间的约束关系，计算出从工业机器人(从机械手)的运动轨迹。作业方法包括每台工业机器人之间的协作关系，主要是针对不同的协作任务，设计相应的约束条件及实施具体的作业分解和完成方法，这也是完成协作任务的关键所在。