多機器人柔性焊接的主從協調運動控制系統設計

魏秀權 王勝華 蔣啟祥

摘要：針對機器人柔性焊接領域，設計實現了一種多機器人主從協調運動控制系統。該系統采用集中控制架構和周期同步位置模式，基于通用的多機器人主從協調運動控制算法，完成從動機器人的協調運動目標矩陣計算，并設計了機器人控制器的主從協調運動控制流程及相應的編程指令集，最后采用4臺凱爾達KR1440機器人組成多機器人柔性焊接系統，通過典型主從協調焊接任務的示教編程再現試驗，實現了多機器人主從狀態的在線切換功能，驗證了多機器人主從協調運動控制系統的有效性，為進一步提高機器人焊接系統的柔性水平提供了技術基礎。

關鍵詞：多機器人;主從協調;在線切換;柔性焊接

0? ? 前言

隨著工業機器人的應用領域越來越廣泛，單臺機器人完成復雜環境任務的適應能力明顯不足，多機器人協調作業系統可以增大操作空間、提高工作效率，增強對復雜環境任務的適應性。文獻[1]將多機器人分為主動機器人和從動機器人兩類，主動機器人根據運動規劃預先給定關節位移、速度和加速度，從動機器人通過主從關系來確定對應值，并首次推導出兩臺機器人在特定工作條件下末端執行器的位姿齊次約束方程。文獻[2]針對機器人控制系統結構，在分析集中控制和分散控制的基礎上提出集散控制，并提出集散控制需要解決多機器人間的通訊、基準時鐘同步和坐標標定等問題。文獻[3]提出一種主從控制方法，通過控制主動機器人的位置而從動機器人采用跟蹤控制來保持其在運動學上的約束關系。文獻[4]提出了多機器人協作分為耦合運動和疊加運動，并提出了示教方法。文獻[5]給出了機器人協調運動約束方程，并提出了兩種主從機器人軌跡計算方法，保證末端位姿保持時間上的同步和空間上的約束。

在機器人焊接領域，文獻[6]在定義了協調跟隨運動和疊加運動的基礎上，提出了一種基于雙機器人協調焊接和搬運的示教方法，同時提出了根據主動機器人末端軌跡確定從動機器人運動路徑的方法。文獻[7]從簡化運算量的角度出發，提出了基于位置的協調運動控制算法，根據主動機器人焊槍末端位置和姿態，經過運動學坐標變換，推導出背面從動機器人工具末端的運動路徑點，從而實現了雙面雙弧焊機器人焊接。文獻[8]指出多機器人協調運動控制是焊接機器人柔性加工的研究重點之一。

綜上所述，在機器人柔性焊接領域，多機器人協調運動控制一般采用位置-位置控制模式。多機器人協調的運動約束條件是焊接機器人協調控制研究的基礎。在目前已知的多機器人控制系統中，多個機器人間的主從關系一般都是固定的，在執行任務的過程中，機器人間的主從關系無法在線切換，限制了多機器人完成復雜環境任務的適應性。

文中設計實現了一種以機器人柔性焊接為應用背景的多機器人主從協調運動控制系統，構建了由4臺機器人組成的柔性焊接主從協調試驗系統，進行了典型主從協調焊接任務的示教編程再現試驗，實現了多機器人主從狀態的在線切換功能，為進一步提高機器人焊接系統的柔性水平提供了技術基礎。

1 多機器人主從協調運動控制系統

文中在凱爾達KC20機器人控制器平臺設計實現了多機器人主從協調運動控制系統，如圖1所示，KC20平臺是基于通用工業計算機的實時總線架構機器人控制器。控制器硬件系統包括：通用工業計算機、伺服驅動模塊、安全單元和示教器;通用工業計算機上同時安裝實時操作系統RTOS和非實時操作系統Windows，兩者通過共享內存通訊;實時操作系統RTOS上運行EtherCAT總線傳輸主站，伺服驅動模塊和安全單元設定為EtherCAT從站，三者通過EtherCAT總線協議通訊。

多機器人主從協調運動控制系統采用集中控制架構，實現一臺通用計算機控制多臺機器人，每臺機器人對應獨立的伺服驅動模塊作為EtherCAT總線從站，在通用工業計算機的實時操作系統RTOS上運行EtherCAT總線傳輸主站，實現集中控制。多機器人協調運動控制采用周期同步位置模式，主動機器人作為焊接變位系統，夾持待焊工件按預先規劃的軌跡運動，保證最佳的焊接位姿。從動機器人作為焊接裝置，夾持焊槍沿焊縫軌跡運動施焊，保證連續變化的工件坐標系上焊接速度和軌跡的準確性，實現主從機器人的協調運動焊接作業。

2 多機器人主從協調運動控制算法

多機器人協調運動需要具有協調關系的各主從機器人在運動過程中保持機器人末端位姿之間的相對位姿關系不變。由于從動機器人跟隨主動機器人運動，因此從動機器人不需要單獨的軌跡示教指令，整個系統的示教和規劃可以在主動機器人的基坐標系下完成。在多機器人系統中，任意時刻有且僅有一臺機器人作為主動機器人，但可以存在多臺從動機器人。

考慮到算法的通用性，設定多機器人中任意兩臺機器人的基座坐標系OB與世界坐標系OW的相對位姿關系是固定的，不會隨時間變化。基于坐標變換的機器人主從協調目標矩陣計算如圖2所示，若Rm為主動機器人，Rs為從動機器人，則主從機器人基座坐標系的相對位姿矩陣TBsBm為常量，可通過事先標定程序獲得。TBmTm和TBsEs分別為主動機器人Rm和從動機器人Rs的正運動學轉換矩陣，可根據機器人當前時刻的關節角進行計算，由式（1）可以計算當前時刻主從機器人末端坐標系的相對位姿矩陣TEmEs。

機器人主從協調運動軌跡規劃問題，可以描述為在已知TBsBm的條件下，在t時刻，主動機器人Rm在其基座坐標系OBm下的目標軌跡矩陣為TBmEm（t），同時從動機器人Rs在主動機器人Rm末端坐標系OEm下的目標軌跡矩陣為TEmEs（t），根據式（2）同步計算t時刻從動機器人Rs在其基座坐標系OBs下的目標軌跡矩陣TBsEs（t）。

3 多機器人主從協調運動控制流程及指令集

在通用多機器人主從協調運動控制算法基礎上，文中設計了如圖3所示的多機器人主從協調運動控制流程。

在該控制流程中，步驟1讀取作業程序中的指令;步驟2將每條指令轉換為指令列表并進行存儲，指令列表內包含每條指令的類型以及參數;步驟3提取指令列表中的運動型指令并構建運動指令集;步驟4解析運動指令集獲得每臺機器人的編號、當前主從關系、當前插補類型以及其他運動參數信息;步驟5根據上述參數信息匹配事先標定的主從機器人基座坐標系的相對位姿矩陣;步驟6在機器人運動軌跡規劃中，根據每臺機器人的主從關系和運動參數，調用多機器人主從協調運動控制算法計算從動機器人運動軌跡目標矩陣，從而實現多個機器人的主從協調控制運動規劃。

為了實現多機器人主從狀態的在線切換協調，開發了相應的編程指令集，將每臺機器人當前的主從信息集成于該機器人的運動指令中，可在一個執行任務中根據不同階段需求在線切換多機器人間的主從狀態。在該編程指令集中，指令“ SMOV ”表示對應的機器人為從動狀態、指令“ MMOV ”表示對應的機器人為主動狀態，指令“ MOV ”表示對應的機器人無主從狀態，不進行主從協調運動控制。

將每臺機器人當前的主從關系信息集成于該機器人的運動指令中，使得用戶可以通過機器人作業程序來設定每臺機器人的主從關系。由于機器人作業程序以指令的執行順序從時序上限定了每個時刻各機器人的動作，而基于作業程序指令獲得主從信息的控制方式使機器人的主從信息可以跟隨任務的時序變化，從而實現每臺機器人在不同任務階段內主從關系的在線切換。

4 多機器人主從協調運動控制試驗

為了測試多機器人主從協調運動控制算法的通用性，驗證主從協調運動控制流程及相應編程指令集的有效性，構建了如圖4所示的由4臺凱爾達KR1440機器人組成的柔性焊接主從協調試驗系統，進行典型主從協調焊接任務的示教編程再現試驗，同時測試多機器人主從狀態的在線切換功能。

在由4臺機器人構成的主從協調控制柔性焊接系統中，R1和R2為焊接機器人，R3和R4為變位機器人。若設定R3為主動機器人，則R4為從動機器人，R3和R4共同夾持工件完成變位操作，同時設定R1和R2為從動機器人，通過末端安裝的焊接作業工具實施焊接。目前商用機器人控制系統在機器人程序執行過程中，機器人的主從關系是無法在線切換的，若在實際應用中要求設定R4為主動機器人，R3為從動機器人，需要在示教狀態下重新配置主從關系，且一旦主從關系更改，原有根據舊的主從關系編寫的機器人作業程序失效，運行原有作業程序將帶來不可預知的風險。

對4臺機器人的6組主從機器人基座坐標系的相對位姿矩陣進行標定，以其中一組R1與R2的標定結果為例，標定數據如表1所示。

針對如圖4所示的多機器人主從協調焊接系統和典型相貫線管道工件進行系統測試驗證，通過專用主從協調編程指令集進行示教編程，編寫的多機器人主從協調運動控制示例程序如下

在再現模式下，運行多機器人主從協調運動控制示例程序。該程序的第2和11行，R3為主動機器人，R4為從動機器人，R1和R2不參與主從協調運動;在第3到6行，R1和R2在線切換為從動機器人，與主動機器人R3做主從協調運動;在第7到10行，R4在線切換為主動機器人，R3在線切換為從動機器人，R1、R2和R3同時與主動機器人R4做主從協調運動。

通過上述試驗驗證了多機器人主從協調運動控制算法的通用性和主從協調運動控制流程及相應編程指令集的有效性，用戶在示教編程過程中可根據需求通過編程指令靈活切換每臺機器人不同任務階段的主從狀態，再現執行任務程序時各機器人的主從狀態可在線切換，提高了多機器人系統完成復雜任務時的適應性。

5 結論

設計實現了一種以機器人柔性焊接為應用背景的多機器人主從協調運動控制系統，采用集中控制架構和位置-位置控制模式，基于通用的多機器人主從協調運動控制算法完成從動機器人協調運動目標矩陣計算，并設計了機器人控制器的主從協調運動控制流程及相應的編程指令集。試驗結果表明，文中提出的多機器人主從協調運動控制算法具有通用性，設計的主從協調運動控制流程合理有效，開發的主從協調運動編程指令集便捷高效，實現了多機器人主從狀態的在線切換功能，為進一步提高機器人焊接系統的柔性水平提供了技術基礎。

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