CN110355764B - 一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统 - Google Patents

一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统，该方法为：获取待焊接船舱分段的分段模型；基于分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点；基于多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；依次将龙门架移动至每一焊接工作站点；在每一焊接工作站点中，基于每台焊接机器人对应的多条焊缝信息，确定每台焊接机器人的最优无碰撞路径，利用最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。本方案中，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点，在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制焊接机器人进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。

Description

一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统
技术领域
本发明涉及路径规划技术领域，具体涉及一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统。
背景技术
在社会发展的过程中，船舶一直以来都是各个时期主要的交通运输工具。在建造船舶的过程中，船舱焊接工作是建造过程中至关重要的一环。
目前对于船舱焊接的方式为：人工使用焊接机器进行船舱焊接工作。但是一方面，现代船舶吨位和体型较大，吨位通常为数百吨至上万吨，采用人工使用焊接机器进行船舱焊接工作需要大量时间，焊接效率低和时间成本高。另一方面，为保证船舶的建造工期符合船东的时间要求，需要大量的焊接工人进行船舱焊接工作，从而增加生产成本。
因此，采用人工进行船舱焊接工作存在焊接效率低、时间成本高和生产成本高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统，以解决采用人工进行船舱焊接工作存在焊接效率低、时间成本高和生产成本高等问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例第一方面公开一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法，应用于包括龙门架和两台焊接机器人的焊接装置，所述方法包括：
获取待焊接船舱分段的分段模型，预先在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息；
基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝；
基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；
根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点；
在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。
优选的，所述基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，包括：
基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点；
确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝；
若否，利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝；
基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内；
若是，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点；
若否，利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
优选的，所述确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径，包括：
利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径；
利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。
优选的，所述利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径，包括：
构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数，总路径长度为焊接机器人的焊接工作路径和空载路径的加权和；
基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束；
基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数；
利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
优选的，所述利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径，包括：
基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径；
基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞；
若否，确定所述路径规划目标函数是否收敛；
若收敛，解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
本发明实施例第二方面公开一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统，应用于包括龙门架和两台焊接机器人的焊接装置，所述系统包括：
获取单元，用于获取待焊接船舱分段的分段模型，预先在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息；
第一构建单元，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝；
第二构建单元，用于基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；
移动单元，用于根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点；
确定单元，用于在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
控制单元，用于在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。
优选的，所述第一构建单元包括：
构建模块，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点；
第一确定模块，用于确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝，若否，执行调整模块；
所述调整模块，用于利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝；
第二确定模块，用于基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内，若是，执行生成模块，若否，执行处理模块；
所述生成模块，用于生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点；
所述处理模块，用于利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
优选的，所述确定单元包括：
路径获取模块，利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径；
平滑处理模块，用于利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。
优选的，所述路径获取模块包括：
构建子模块，用于构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数，总路径长度为焊接机器人的焊接工作路径和空载路径的加权和；
第一确定子模块，用于基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束；
第二确定子模块，用于基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数；
第三确定子模块，用于利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
优选的，所述第三确定子模块具体用于：基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径，并基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞，若否，确定所述路径规划目标函数是否收敛，若收敛，解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
基于上述本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统，该方法为：获取待焊接船舱分段的分段模型；基于分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点；基于焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；根据移动路径集，依次将龙门架移动至每一焊接工作站点；在每一焊接工作站点中，基于每台焊接机器人对应的多条焊缝信息，确定每台焊接机器人的最优无碰撞路径，利用最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。本方案中，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点，在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的焊接装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法流程图；
图3为本发明实施例提供的构建焊接工作站点的流程图；
图4为本发明实施例提供的获取多条无碰撞路径的流程图；
图5为本发明实施例提供的获取多条无碰撞路径的另一流程图；
图6为本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统的结构框图；
图7为本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
由背景技术可知，目前通常采用人工焊接的方式进行船舱焊接工作，但是一方面，现代船舶吨位和体型较大，吨位通常为数百吨至上万吨，采用人工使用焊接机器进行船舱焊接工作需要大量时间，焊接效率低和时间成本高。另一方面，为保证船舶的建造工期符合船东的时间要求，需要大量的焊接工人进行船舱焊接工作，从而增加生产成本。
因此，本发明实施例提供一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点，在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，以提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
为更好解释本发明实施例中涉及的焊接装置，以图1示出的内容进行举例说明。参见图1，示出了本发明实施例提供的焊接装置的结构示意图，包括：龙门架100，第一焊接机器人200和第二焊接机器人300。
所述龙门架100为所述焊接装置的移动设备，用于将所述焊接装置移动至各个焊接工作站点。所述第一焊接机器人200和第二焊接机器人300在所述龙门架100上移动，进行焊接任务。
需要说明的是，本发明实施例中示出的焊接装置仅以两台焊接机器人和一台龙门架为例，其余由一台以上焊接机器人和龙门架构成的焊接装置，均适用于本发明实施例示出的龙门式双机器人的焊接路径规划方法。
参见图2，示出了本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划，所述焊接路径规划方法包括以下步骤：
步骤S201：获取待焊接船舱分段的分段模型。
需要说明的是，船舶在设计阶段，通常先基于计算机辅助设计(Computer AidedDesign，CAD)软件构建船舶的各个船舱分段模型，设计阶段确认无误后根据船舱分段模型进行船舱分段建造工作。
因此，在具体实现步骤S201的过程中，预先获取待焊接船舱的分段模型，并在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息。焊缝类型包括但不仅限于：同步焊缝和单焊接焊缝。
进一步的，需要说明的是，在船舱焊接的过程中，需要控制两台焊接机器人在同一时间焊接各自对应的焊缝，该两条焊缝称为同步焊缝。例如：对于第一焊接机器人对应的焊缝A和第二焊接机器人对应的焊缝B，需要在同一时间，控制所述第一焊接机器人焊接焊缝A和所述第二焊接机器人焊接焊缝B，则焊缝A和焊缝B为同步焊缝。
步骤S202：基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点。
在具体实现步骤S202的过程中，根据每台焊接机器人的结构信息，确定每台所述焊接机器人的活动范围。利用每台所述焊接机器人的活动范围、以及利用所述分段模型中焊缝的分布信息和焊缝类型，构建焊接装置的多个焊接工作站点。
需要说明的是，结合图1中示出的内容，在生成每一所述焊接工作站点的时候，会对应生成每台所述焊接机器人对应的工作站点，即每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝。
步骤S203：基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合。
在具体实现步骤S203的过程中，从所述分段模型中提取每条焊缝的焊缝信息，构成用于规划所述龙门架移动路径集合的焊缝数据组。结合所述焊缝数据组和多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合。
在进一步实现中，所述焊缝数据组的具体存储形式为(S，V，D，N)，所述焊缝数据组中的具体内容如下：
S为焊缝路径集合，S＝{s1,s2,s3…sn}，sn为第n条焊缝的路径长度。
V为焊缝端点集合，V＝{v1,v2,v3…vn}，vn为第n条焊缝的起点坐标和终点坐标，需要说明的是，每一条焊缝的起点坐标和终点坐标都为三维坐标。
D用于表示焊缝的焊缝方向，D＝{D1,D2,D3…Dn}，Dn为第n条焊缝的焊缝方向，Dn为0时表示第n条焊缝无方向，Dn为1表示第n条焊缝有方向。在构建所述移动路径集合时，无方向的焊缝随机选择任一端点作为该焊缝的起点或终点。
N用于表示焊缝是否为同步焊缝，N＝{N1,N2,N3…Nn}，Nn为null时表示第n条焊缝为单焊接焊缝，同步焊缝的N值需与其同步焊缝的编号一致，例如第4条焊缝和第5条焊缝为同步焊缝，则N4＝5，N5＝4。
步骤S204：根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点。
在具体实现步骤S204的过程中，根据所述移动路径集合，控制所述龙门架移动，使所述焊接装置逐一到达所述焊接工作站点。
步骤S205：在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。
需要说明的是，由图1示出的内容可知，两台所述焊接机器人在工作过程中，可能出现碰撞的意外情况。因此，需要确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径，保证两台所述焊接机器人之间不会发生碰撞。
在具体实现步骤S205的过程中，利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。例如：利用公式(1)对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理。
Figure GDA0002747150760000091
在所述公式(1)中，Bj,3(x)为三次Bezier曲线的基函数，dj为Bezier的控制点，控制点的相关数据为：该控制点对应的三维坐标和比重，当比重增加时，所述三次Bezier曲线趋近所述控制点，当比重减小时，所述三次Bezier曲线远离所述控制点。所述三次Bezier曲线如公式(2)：
Figure GDA0002747150760000092
步骤S206：在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。
在具体实现步骤S206的过程中，当所述焊接装置移动至所述焊接工作站点后，由前述内容可知，每台所述焊接机器人都对应一个工作站点，控制每台所述焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。
在本发明实施例中，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点。利用焊缝信息和多个焊接工作站点构建焊接装置的移动路径集合。根据移动路径集合将焊接机器人逐一移动至焊接工作站点。在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
上述本发明实施例图2步骤S202示出的构建焊接工作站点的过程，参见图3，示出了本发明实施例提供的构建焊接工作站点的流程图，包括以下步骤：
步骤S301：基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点。
在具体实现步骤S301的过程中，在生成所述焊接装置的焊接工作站点时，根据分段模型中的焊缝信息和每台焊接机器人的结构信息，结合所述龙门架的横向位置约束，先生成同步焊接工作站点。
步骤S302：确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝，若否，执行步骤S303，若是，直接生成同步焊接工作站点并执行步骤S304。
在具体实现步骤S302的过程中，利用均值聚类的方法，将所有所述同步焊接工作站点划分为K个局部区域，判断K个局部区域是否覆盖所有同步焊缝，K大于等于同步焊缝的数量。具体划分局部区域和判断是否覆盖所有同步焊缝的过程如下详细内容：
需要说明的是，同步焊缝为平行的直线焊缝，因此由同步焊缝构成的平面内存在一条直线，该直线上的任意点到同步焊缝的距离都相等，将该直线称为类中心焊缝并作为聚类的中心点。
利用公式(3)，计算每条焊缝到每条所述类中心焊缝的距离，将该焊缝划分至与其距离最近的类中心焊缝对应的类中，构成局部区域。
Figure GDA0002747150760000101
在所述公式(3)中，wi表示第i条焊缝，gj表示第j条类中心焊缝，pi_stard表示第i条焊缝的起点坐标，pj_stard表示第j条类中心焊缝的起点坐标，pi_end为第i条焊缝的终点坐标，pj_end为第j条类中心焊缝的终点坐标。
在每一所述局部区域中，确定该局部区域对应的所有焊缝是否已经被工作站点的工作范围覆盖，若否，则重新生成新的工作站点，直至工作站点的工作范围覆盖该局部区域对应的所有焊缝。
步骤S303：利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝。
在具体实现步骤S303的过程中，利用滑动窗口调整方法，使两台所述焊接机器人的工作范围能覆盖所有的同步焊缝，并且禁止同步焊缝全部处于非共同焊接区域。
步骤S304：基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内，若是，执行步骤S305，若否，执行步骤S306。
在具体实现步骤S304的过程中，对于每台焊接机器人，控制该焊接机器人以最佳姿态到达单焊接焊缝的几何中心点，并确定该焊接机器人的基座坐标。基于焊接机器人的基座坐标确定所有单焊接焊缝是否处于焊接机器人的工作范围内，若是，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点，若否，利用滑动窗口调整方法，调整每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
步骤S305：生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
步骤S306：利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
在本发明实施例中，利用滑动窗口调整方法，使每台焊接机器人的操作范围覆盖所有的焊缝。控制每台焊接机器人对所有焊缝进行焊接工作，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
上述本发明实施例图2步骤S205示出的获取多条无碰撞路径的过程，参见图4，示出了本发明实施例提供的获取多条无碰撞路径的流程图，包括以下步骤：
步骤S401：构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数。
在具体实现步骤S401的过程中，基于预先设置的权重，确定焊接机器的总路径长度，如公式(4)。
在所述公式(4)中，a和b分别表示权重，例如a＝0.8，b＝0.2，S工作为焊接工作路径，S空载为空载路径，Si为第i台焊接机器人的总路径，Sj为第j台焊接机器人的总路径。
Si＝aS工作+bS空载 (4)
结合所述公式(4)，构建所述路径差异函数，如公式(5)。
Figure GDA0002747150760000121
步骤S402：基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束。
需要说明的是，本发明实施例中涉及的两台所述焊接机器人先分别完成单焊接焊缝的焊接任务，再移动至同步焊缝处进行同步焊接任务。假设在第K个所述局部区域中，为两台所述焊接机器人分配各自的焊缝后，两台所述焊接机器人到达各自被分配的焊缝的总路径分别为S1和S2，则所述同步焊缝焊接约束如公式(6)，c为惩罚因子，c大于1。
Jwait＝c|S1-S2| (6)
步骤S403：基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数。
在具体实现步骤S403的过程中，基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数，如公式(7)。在所述公式(7)中，dij表示距离矩阵第i行第j列的元素。
Figure GDA0002747150760000122
步骤S404：利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
在具体实现步骤S404的过程中，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径，具体解析过程参见图5示出的内容。
参见图5，示出了本发明实施例提供的获取多条无碰撞路径的流程图，包括以下步骤：
步骤S501：基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径。
在具体实现步骤S501的过程中，针对遗传算法，预先设计染色体编码、种群和运算算法，根据设计好的染色体编码、种群和运算算法解析所述路径规划目标函数。具体的染色体编码设计、种群设计和运算算法设计的过程如以下详细说明：
染色体编码设计过程：以整数编码的方式对所有焊缝的序号进行整数编码，奇数编码的焊缝为第一焊接机器人需焊接的焊缝，偶数编码的焊缝为第二焊接机器人需焊接的焊缝。
例如：对于编码为w1、w2、w3和w4的焊缝，所述第一焊接机器人需按顺序对编码为w1和w3的焊缝进行焊接，实际焊接路径为1s-1e-3s-3e，其中1s-1e为w1焊缝的起点和终点，3s-3e为w3焊缝的起点和终点。
种群设计过程：为提升初始种群中的个体质量，在初始化种群时需对种群个体进行预处理。结合每台所述焊接机器人的活动范围，在对每台所述焊接机器人的移动路径进行初始化时，不将在该焊接机器人活动范围外的焊缝分配给该焊接机器人。
根据每台所述焊接机器人的活动范围和焊缝类型，预先将船舱分段划分为共同焊接区域和非共同焊接区域，将共同焊接区域内的焊缝随机分配给两台所述焊接机器人，将非共同焊接区域的焊缝分配给该焊缝对应的焊接机器人。
运算算法设计过程：运算算法采用部分匹配交叉与交换变异。
在交叉变异前，将焊缝的起止点位置进行组合，并将每台所述焊接机器人的非共同焊接区域的焊缝设置为禁忌点，即染色体不可交换的焊点序列基因。部分匹配交叉操作需随机选取两个交叉基因位置点作为匹配段，然后将两个父本染色体基因一一对应的位置进行相互交换并生成两个子代个体。
前述涉及的交换变异为交换两个随机位置上的基因，通过对个体染色体之间的基因位置进行调换。需要说明的是，同步焊缝不能进行变异操作。
步骤S502：基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞。若是，调整遗传算法的染色体基因并返回执行步骤S501，若否，执行步骤S503。
在具体实现步骤S502的过程中，对每台所述焊接机器人的关节角度进行解析，并以AABB包围体的碰撞检测方法对每台所述焊接机器人进行碰撞检测。若检测结果为不碰撞，执行步骤S503，若检测结果为碰撞，将步骤S501中进行焊缝编码后的染色体基因重新放回种群中进行进化，并再次执行步骤S501。
步骤S503：确定所述路径规划目标函数是否收敛，若收敛，执行步骤S504，若不收敛，调整遗传算法的染色体基因并返回执行步骤S501。
需要说明的是，所述路径规划目标函数中的评价标准包括：规划后的有序的焊接路径最短，两台所述焊接机器人的任务均衡和同步等待。
在具体实现步骤S503的过程中，利用所述路径规划目标函数中的评价标准，评价每台所述焊接机器人的多条焊接工作路径和空载路径。利用上述步骤S501中的部分匹配交叉与交换变异不断迭代所述路径规划目标函数，随着迭代次数增加，所述路径规划目标函数输出的值越小，当所述路径规划目标函数收敛并满足预设约束时，得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
步骤S504：解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
在本发明实施例中，利用遗传算法计算每台焊接机器人的多条无碰撞路径，并从每台焊接机器人的多条无碰撞路径中选择最优无碰撞路径。控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
与上述本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法相对应，参见图6，本发明实施例还提供了一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统的结构框图，所述焊接路径规划系统包括：获取单元601、第一构建单元602、第二构建单元603、移动单元604、确定单元605和控制单元606；
获取单元601，用于获取待焊接船舱分段的分段模型，预先在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息。标记焊缝信息的过程参见上述本发明实施例图2步骤S201示出的内容。
第一构建单元602，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝。构建多个焊接工作站点的过程，参见上述本发明实施例图2步骤S202示出的内容。
第二构建单元603，用于基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合。构建所述移动路径集合的过程，参见上述本发明实施例图2步骤S203示出的内容。
移动单元604，用于根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点。
确定单元605，用于在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径的过程，参见上述本发明实施例图2步骤S205示出的内容。
控制单元606，用于在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。
在本发明实施例中，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点。利用焊缝信息和多个焊接工作站点构建焊接装置的移动路径集合。根据移动路径集合将焊接机器人逐一移动至焊接工作站点。在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
优选的，结合图6，所述第一构建单元602包括：构建模块、第一确定模块、调整模块、第二确定模块、生成模块和处理模块，各个模块的执行原理如下：
构建模块，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点。
第一确定模块，用于确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝，若否，执行调整模块。确定是否覆盖所有同步焊缝的过程，参见上述本发明实施例图3步骤S302示出的内容。
所述调整模块，用于利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝。
第二确定模块，用于基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内，若是，执行生成模块，若否，执行处理模块。
所述生成模块，用于生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
所述处理模块，用于利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
在本发明实施例中，利用滑动窗口调整方法，使每台焊接机器人的操作范围覆盖所有的焊缝。控制每台焊接机器人对所有焊缝进行焊接工作，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
优选的，结合图6，参见图7，示出了本发明实施例提供的一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统的结构框图，所述确定单元605包括：
路径获取模块6051，利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
平滑处理模块6052，用于利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径。
优选的，结合图7，所述路径获取模块6051包括：构建子模块、第一确定子模块、第二确定子模块和第三确定子模块，各个子模块的执行原理如下：
构建子模块，用于构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数，总路径长度为焊接机器人的焊接工作路径和空载路径的加权和。
第一确定子模块，用于基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束。
第二确定子模块，用于基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数。
第三确定子模块，用于利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
在具体实现中，所述第三确定子模块具体用于：基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径，并基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞，若否，确定所述路径规划目标函数是否收敛，若收敛，解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径的过程，参见上述本发明实施例图5各步骤示出的内容。
在本发明实施例中，利用遗传算法计算每台焊接机器人的多条无碰撞路径，并从每台焊接机器人的多条无碰撞路径中选择最优无碰撞路径。控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
综上所述，本发明实施例提供一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法及系统，该方法为：获取待焊接船舱分段的分段模型；基于分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点；基于焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；根据移动路径集，依次将龙门架移动至每一焊接工作站点；在每一焊接工作站点中，基于每台焊接机器人对应的多条焊缝信息，确定每台焊接机器人的最优无碰撞路径，利用最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝。本方案中，通过船舱分段的模型信息，构建多个焊接工作站点，在每一焊接工作站点中规划每台焊接机器人的最优无碰撞路径，控制每台焊接机器人根据对应的最优无碰撞路径进行焊接任务，提高焊接效率，降低时间成本和生产成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种龙门式双机器人的焊接路径规划方法，其特征在于，应用于包括龙门架和两台焊接机器人的焊接装置，所述方法包括：
获取待焊接船舱分段的分段模型，预先在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息；
基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝；
基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；
根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点；
在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝；
其中，所述确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径，包括：
利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径；
利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
所述利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径，包括：
构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数
Figure FDA0002762798010000011
总路径长度为焊接机器人的焊接工作路径和空载路径的加权和，其中，Si为第i台焊接机器人的总路径，Sj为第j台焊接机器人的总路径，Si＝aS工作+bS空载，S工作为焊接工作路径，S空载为空载路径，a和b分别表示权重；
基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束Jwait＝c|S1-S2|，其中，S1和S2分别为两台所述焊接机器人到达各自被分配的焊缝的总路径，c为惩罚因子，c大于1；
基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数
Figure FDA0002762798010000021
其中，dij表示距离矩阵第i行第j列的元素；
利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，包括：
基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点；
确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝；
若所有所述同步焊接工作站点未覆盖所有同步焊缝，利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝，执行以下步骤：基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内；
若所有所述同步焊接工作站点覆盖所有同步焊缝，基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内；
若每条单焊接焊缝处于每台所述焊接机器人的操作范围内，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点；
若每条单焊接焊缝未处于每台所述焊接机器人的操作范围内，利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径，包括：
基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径；
基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞；
若否，确定所述路径规划目标函数是否收敛；
若收敛，解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
4.一种龙门式双机器人的焊接路径规划系统，其特征在于，应用于包括龙门架和两台焊接机器人的焊接装置，所述系统包括：
获取单元，用于获取待焊接船舱分段的分段模型，预先在所述分段模型中标记每条焊缝对应的焊缝信息，焊缝信息至少包括焊缝序号、焊缝类型和焊缝几何信息；
第一构建单元，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个焊接工作站点，每一所述焊接工作站点包含：每台所述焊接机器人对应的工作站点，每一所述工作站点对应多条焊缝；
第二构建单元，用于基于所述焊接装置的多个焊接工作站点，构建龙门架的移动路径集合；
移动单元，用于根据所述移动路径集合，依次将所述龙门架移动至每一所述焊接工作站点；
确定单元，用于在每一所述焊接工作站点中，基于每台所述焊接机器人对应的多条所述焊缝信息，确定每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
控制单元，用于在每一所述焊接工作站点中，利用每台所述焊接机器人的所述最优无碰撞路径，控制每台所述焊接机器人焊接对应的工作站点对应的多条焊缝；
其中，所述确定单元包括：
路径获取模块，利用IB-RRT*算法，获取每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径；
平滑处理模块，用于利用三次B样条曲线，对每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径中最短的无碰撞路径进行平滑处理，得到每台所述焊接机器人的最优无碰撞路径；
所述路径获取模块包括：
构建子模块，用于构建用于指示两台焊接机器人的总路径长度之间差异的路径差异函数
Figure FDA0002762798010000031
总路径长度为焊接机器人的焊接工作路径和空载路径的加权和，其中，Si为第i台焊接机器人的总路径，Sj为第j台焊接机器人的总路径，Si＝aS工作+bS空载，S工作为焊接工作路径，S空载为空载路径，a和b分别表示权重；
第一确定子模块，用于基于预设的惩罚因子，确定两台所述焊接机器人的同步焊缝焊接约束Jwait＝c|S1-S2|，其中，S1和S2分别为两台所述焊接机器人到达各自被分配的焊缝的总路径，c为惩罚因子，c大于1；
第二确定子模块，用于基于所述路径差异函数、焊缝信息和同步焊缝焊接约束，确定路径规划目标函数
Figure FDA0002762798010000041
其中，dij表示距离矩阵第i行第j列的元素；
第三确定子模块，用于利用所述路径规划目标函数，确定每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一构建单元包括：
构建模块，用于基于所述分段模型和每台焊接机器人的结构信息，构建焊接装置的多个同步焊接工作站点；
第一确定模块，用于确定所有所述同步焊接工作站点是否覆盖所有同步焊缝，若所有所述同步焊接工作站点未覆盖所有同步焊缝，执行调整模块，若所有所述同步焊接工作站点覆盖所有同步焊缝，执行第二确定模块；
所述调整模块，用于利用滑动窗口调整方法，调整所有所述同步焊接工作站点直至覆盖所有同步焊缝，并执行所述第二确定模块；
所述第二确定模块，用于基于每台所述焊接机器人的结构信息，确定每条单焊接焊缝是否处于每台所述焊接机器人的操作范围内，若每条单焊接焊缝处于每台所述焊接机器人的操作范围内，执行生成模块，若每条单焊接焊缝未处于每台所述焊接机器人的操作范围内，执行处理模块；
所述生成模块，用于生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点；
所述处理模块，用于利用滑动窗口调整方法增加新的单焊缝焊接工作站点，使每台所述焊接机器人的操作范围覆盖所有单焊接焊缝，生成焊接装置的多个单焊缝焊接工作站点。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第三确定子模块具体用于：基于预先分配给两台所述焊接机器人的焊缝对应的焊缝编号，利用遗传算法解析所述路径规划目标函数，得到每台所述焊接机器人的初始焊接路径，并基于每台所述焊接机器人的所述结构信息和初始焊接路径，确定两台焊接机器人是否会发生碰撞，若否，确定所述路径规划目标函数是否收敛，若收敛，解析收敛的路径规划目标函数得到每台所述焊接机器人的多条无碰撞路径。
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