CN110614632B - 一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法，在回转工件上将单层全部轨迹按照铺丝头的数量分组匹配和适应性修正，从而实现多头同时铺放，大大提高铺丝效率。轨迹的分组匹配是确保同一组内的轨迹能够同时进行铺放，比如两个铺丝头同时铺放的两条轨迹即为一组；适应性修正是指同一组内的轨迹或许轨迹点的数量以及运动的长度不同，为确保同一组内的轨迹具有同步铺丝的效果，铺丝时要求组内轨迹同时开始铺放，并同时结束铺放，为此需要对轨迹进行必要的轨迹点修正，即增减轨迹点数量。

Description

一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法

技术领域

本发明属于复合材料自动化成型技术领域，涉及一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法。

背景技术

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料。自动铺丝技术是在纤维缠绕和自动铺带技术的基础之上发展起来的一种先进的符合材料成型技术，在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力。先进复合材料自动铺丝轨迹规划的方法有很多种，但一般自由曲面难以用具体表达式表达，其中任意点之间测地线也很难实现基于解析算法进行求解。因此，现有的铺丝方法过程复杂，对于复杂曲面用数学方法求解测地线轨迹运算量大，效率低，无法满足实际工程需要，也不利于程序编写和软件开发，铺丝效率不高。特别是在应用多机器人进行铺丝时，其计算量尤其庞大，应用效率低下。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法，在回转工件上将单层全部轨迹按照铺丝头的数量分组匹配和适应性修正，从而实现多头同时铺放，大大提高铺丝效率。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法，包括如下步骤：

步骤1，基于覆盖性铺丝轨迹，统计轨迹的数量N，并针对同时工作的铺丝头数量n，对铺丝轨迹进行分配；

步骤2，确定同时铺放的轨迹数m，不大于铺丝头数量n；

步骤3，将每m条轨迹分为一组，核实m条轨迹同时铺放的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条轨迹，其中i×N/m+k取整，i=0、1、2、3…m,k=0；再次，核实下一组m条铺放轨迹的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条轨迹，其中i×N/m+k取整，i=0、1、2、3…m,k=1；反复进行下去，其中k=0、1、2…N/m-1；最后，循环完成所有轨迹的分配；

同一分组内的轨迹两两之间进行同步性核实，所述同步性核实包括如下过程：

（1）对每一条轨迹中的第六关节点数据沿轴向提取特征点；

（2）对于不同轨迹中的特征点沿法向延伸，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交，O点为模具主轴中心点，α、β分别为包络线与轴线之间夹角的上下限；

（3）令两条轨迹中的对应的控制点过O点夹角在（α，β）区间内，根据此原则对多条配对的轨迹按特征点号逐点验证，直到所有点搜索完毕；

（4）获得不相互干涉的轨迹分区。

进一步的，还包括适应性修正的步骤：

对轨迹进行轨迹点数量修正，以使得组内轨迹同时开始铺放，并同时结束铺放。

进一步的，当包含有较短的轨迹时，与该轨迹同时铺放的轨迹长度与此轨迹长度不一样，此时将该短轨迹与长轨迹相应位置匹配，其他铺丝头铺放到短轨迹起点轴向位置时，短轨迹铺丝头启动铺放，相应的在其终点时结束铺放。

进一步的，如果模具铺层设计包含插层时，选择铺放范围可达的铺丝头纳入工作铺丝组，统一轨迹分布设计。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明在回转工件上将单层全部轨迹按照铺丝头的数量分组匹配和适应性修正，从而实现多头同时铺放，并在此基础之上，确保铺丝同步开始和完成，大大提高铺丝效率。

附图说明

图1为本发明中特征点沿法向延伸并绕主轴旋转后分别与两侧包络曲线上下限相交示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法，采用多机器人进行相互协作，进行铺丝。在碳纤维机器人自动铺丝成型过程中，多机器人相互协作可以提供更多的加工解决方案，完成更加复杂的加工任务，同时可以提高工作效率。因此，在确定加工件的铺放轨迹后，给每个机器人分配相对均匀的加工任务，能提高整个任务的并行性，从而达到提高铺放效率的目标。由于多机器人进行多头铺丝时可能会互相干涉，因此本发明在回转工件上将单层全部轨迹按照铺丝头的数量分组匹配和适应性修正，具体步骤如下：

轨迹分组匹配：

（1）基于覆盖性铺丝轨迹，统计轨迹的数量N，并针对同时工作的铺丝头数量n，对铺丝轨迹进行分配。

（2）确定同时铺放的轨迹数m，不大于铺丝头数量n；m等于n时效率最优。

（3）将每m条轨迹分为一组，核实同组内m条轨迹同时铺放的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条（取整，其中i=0、1、2、3…m,k=0）轨迹；再次，核实下一个m条铺放轨迹的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条（取整，其中i=0、1、2、3…m,k=1）轨迹，反复进行下去，其中k=0、1、2…N/m-1；最后，循环完成所有轨迹的分配，即实现了多机器人铺丝轨迹分布设计。

要保证轨迹的同步性，其首要关键在于确保同一组内的轨迹能够同时进行铺放（例如两个铺丝头同时铺放的两条轨迹即为一组），这也就意味着同时工作的铺丝头轨迹之间彼此不能干涉。两条轨迹之间通过如下步骤核实同步性：

i）对每一条轨迹中的第六关节点（末关节点或机器臂末端）数据沿轴向提取特征点。

ii）对于不同轨迹中的特征点沿法向延伸，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交。如图1所示，O点为模具主轴中心点，α、β分别为包络线与轴线之间夹角的上下限。

iii）由于主轴作为冗余轴的存在，从理论上来说，如果两条轨迹中的对应的控制点（特征点在实际铺放时的位置或姿态）过O点夹角能够在（α，β）区间内，便可通过对主轴的处理使得两个特征点都能处于机器人可达空间内。

iv）对多条配对的轨迹按特征点号逐点验证，直到所有点搜索完毕，以此作为轨迹配对的筛选准则，获得配对的轨迹。配对的两条轨迹上的点分别在两个机器人的行程范围内，即夹角范围内，实现配对的两条轨迹可以成对同时铺放。配对轨迹可分配给两个机器人，它们分别沿其中一条轨迹运行，完成铺放。

当一组内轨迹有多条时，需对各轨迹两两之间进行同步性核实，并调整α、β角，以确保它们彼此之间不会干涉。

基于上述分组匹配，本发明还对轨迹进行适应性修正：

同一组内的轨迹或许轨迹点的数量以及运动的长度不同，为确保同一组内的轨迹具有同步铺丝的效果，铺丝时要求组内轨迹同时开始铺放，并同时结束铺放，为此需要对轨迹进行必要的轨迹点数量修正，即增减轨迹点数量。

如果模具复杂，其中包含有较短的轨迹，与该轨迹同时铺放的轨迹或许长度与此轨迹长度不一样，此时应将该短轨迹与长轨迹相应位置匹配，其他铺丝头铺放到短轨迹起点轴向位置时，短轨迹铺丝头启动铺放，相应的在其终点时结束铺放。

此外，如果模具铺层设计包含插层，则很难实现所有铺丝头的同步铺放，此时应该选择铺放范围可达的铺丝头纳入工作铺丝组，统一轨迹分布设计。

完成轨迹分组匹配和修正后，将每个加工件的轨迹分配给相应的机器人，并定义每个机器人的铺放次序，实现多铺丝头同时铺放。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修正，这些改进和修正也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多机器人铺丝轨迹分布设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于覆盖性铺丝轨迹，统计轨迹的数量N，并针对同时工作的铺丝头数量n，对铺丝轨迹进行分配；

步骤2，确定同时铺放的轨迹数m，不大于铺丝头数量n；

步骤3，将每m条轨迹分为一组，核实m条轨迹同时铺放的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条轨迹，其中i×N/m+k取整，i＝0、1、2、3…m,k＝0；再次，核实下一组m条铺放轨迹的同步性，m条轨迹包括第i×N/m+k条轨迹，其中i×N/m+k取整，i＝0、1、2、3…m,k＝1；反复进行下去，其中k＝0、1、2…N/m-1；最后，循环完成所有轨迹的分配；

同一分组内的轨迹两两之间进行同步性核实，所述同步性核实包括如下过程：

(1)对每一条轨迹中的第六关节点数据沿轴向提取特征点；

(2)对于不同轨迹中的特征点沿法向延伸，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交，O点为模具主轴中心点，α、β分别为包络线与轴线之间夹角的上下限；

(3)令两条轨迹中的对应的控制点过O点夹角在(α，β)区间内，根据此原则对多条配对的轨迹按特征点号逐点验证，直到所有点搜索完毕；

(4)获得不相互干涉的轨迹分区；

还包括适应性修正的步骤：

对轨迹进行轨迹点修正，增减轨迹点数量，以使得组内轨迹同时开始铺放，并同时结束铺放。

2.根据权利要求1所述的多机器人铺丝轨迹分布设计方法，其特征在于：当包含有较短的轨迹时，与该轨迹同时铺放的轨迹长度与此轨迹长度不一样，此时将该短轨迹与长轨迹相应位置匹配，其他铺丝头铺放到短轨迹起点轴向位置时，短轨迹铺丝头启动铺放，相应的在其终点时结束铺放。

3.根据权利要求1所述的多机器人铺丝轨迹分布设计方法，其特征在于，如果模具铺层设计包含插层时，选择铺放范围可达的铺丝头纳入工作铺丝组，统一轨迹分布设计。

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