CN112496582A - 一种海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，第一步导入模型、进行焊缝点选、信息提取，第二步计算焊缝方程，第三步对主焊接机器人一条焊缝进行选择，第四步对同时工作的副焊接机器人一条焊缝进行选择，第五步对焊缝坐标离散化，第六步对全局坐标系下的主副焊缝进行坐标转换，第七步通过对主副焊缝逆运动计算得出主副焊接机器人的关节转角数据，第八步重复第三到七步，直至全部计算完成，第九步生成焊接机器人运动指令，实现焊接机器人协同焊接。该方法提高焊接效率、降低焊接成本、简化操作过程、提高焊接质量，是一种操作简单、结果可视、稳定可靠、适应性广的多机器人焊接协同控制方法。

Description

一种海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法

技术领域

本发明涉及多机器人焊接协同控制方法，尤其涉及海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法。

背景技术

海洋工程复杂节点由大量钢件焊接而成，由于钢件厚度较大且复杂节点作为整个平台的主要支撑点，传统的采用单边角焊不能提供足够的安全保障，所以对于节点上的钢件焊接必须采用双边角焊的方式。双边角焊如果不能同时进行焊接工作，必定会在一边由于焊接热的冷却产生收缩变形，严重损耗了钢件性能。当前，大部分的焊接机器人都是单独作业，少部分协同作业也仅是整体的协同，并不能做到对钢件两边的同时焊接；实际工程中为了追求焊接质量，海洋平台节点上关键部位的焊接由工人手工进行，但是该方法不仅焊接效率低下而且焊接质量不高。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以提高焊接效率、降低焊接成本、简化操作过程、提高焊接质量的多机器人焊接协同控制方法。

本发明的多机器人焊接协同控制方法，包括以下步骤：

步骤一、选定海洋工程复杂节点的三维模型中任意两个需焊接相连的部件的焊接方法，具体为：将第一待焊接件的两个长边侧分别通过焊接固定在第二待焊接件的设定位置处，以在两个待焊接件之间形成由两个直线形焊接位置构成的一个焊接处，在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时采用焊接机器人进行焊接形成两道直线形焊缝；

步骤二、在Tekla软件中点选在海洋工程复杂节点的三维模型中需同时采用两个焊接机器人协同焊接的每个焊接处的两个焊接位置，所述的两个焊接机器人分别作为主焊接机器人、副焊接机器人；

步骤三、使用python编程语言对Tekla进行信息提取的二次开发，具体过程为：

第一步，遍历每一个需要主焊接机器人和副焊接机器人协同焊接处的两个待焊接位置；

第二步，以Tekla软件内的基坐标系作为全局坐标系，读取Tekla软件内所有需要协同焊接的待焊接位置的数据并将数据存入Mongo DB数据库的第一子库中，所述的待焊接位置的数据包括全局坐标系下每个待焊接位置的起点坐标、终点坐标以及长度；

第三步，在Tekla软件内识别每个需要协同焊接的待焊接处的两个焊接位置之间的中线位置，然后读取中线数据并将中线数据存入Mongo DB数据库的第二子库中，所述的中线数据包括在全局坐标系下的每个待焊接处的中线的起点坐标和终点坐标；

步骤四、使用python中的numpy模块求出全局坐标系下所有焊接处的待焊接位置的空间直线方程并存入MongoDB第三子库中；

步骤五、利用python中的pandas模块对主焊接机器人和副焊接机器人需协同焊接处的待焊接位置进行选取，具体过程如下：

第一步，引入pandas模块，调用Mongo DB数据库中第一子库的全部待焊接位置的长度数据并比较长度大小，然后按照从小到大排序，选择其中一条长度最短的待焊接位置作为主焊接机器人待焊接位置，记为位置A，并调取Mongo DB数据库中与位置A对应的第一、第三子库中的数据；

第二步，将第一子库和第三子库数据中除位置A外的待焊接位置的数据与位置A的数据进行比对，选出与位置A平行的所有待焊接位置的数据；计算与位置A平行的所有待焊接位置与位置A的距离并按照从小到大排序；然后从与位置A最近的待焊接位置的直线方程开始分别依次与位置A的直线方程组合，求取两者之间的中线的起点坐标，再与第二子库中中线数据进行对照，当存在该中线的起点坐标，则将与该中线的起点坐标对应的待焊接位置记为位置B，所述的位置B为副焊接机器人待焊接位置；

步骤六、使用python中的离散算法，根据位置A和位置B的空间直线方程，将位置A和位置B分别离散成n_a、n_b个离散点，并获得全局坐标系下位置A的所有离散点的坐标

和位置B所有离散点的坐标

步骤七、利用python中的scipy模块的矩阵算法，将全局坐标系下位置A的每一个离散点坐标

和位置B每一个离散点坐标

分别转化为机器人基坐标系下位置A的坐标

位置B的坐标

步骤八、在python中引入matplotlib模块，使用机器人位姿求解算法,分别带入位置A在主焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算、位置B在副焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算，分别得到主焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第四子库中以及副焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第五子库中；

步骤九、在MongoDB第一、第三子库中删除本次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据，所述的相关数据包括位置A和位置B的起点坐标、终点坐标、长度以及空间直线方程；

步骤十、依次选取排序中处于下一长度的位置作为位置A，重复步骤四-步骤八，直到计算出主、副焊接机器人在所有协同焊接位置进行焊接时机器人各个关节的转角数据并存储在MongoDB数据库的第四、第五子库中；在每次计算后重复步骤九，在MongoDB第一、第三子库中删除每次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据；

步骤十一、清空第二子库数据；

步骤十二、利用主焊接机器人关节转角数据和副焊接机器人关节转角数据，分别形成主焊接机器人运动指令和副焊接机器人运动指令，主焊接机器人和副焊接机器人根据各自的运动指令在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时协同焊接。

本发明的优点：可以直接对三维模型进行可视化操作，大大简化了控制难度；能够针对钢件两面同时进行焊接工作，最大可能减少了焊接过程中的收缩。大大提高了海洋工程复杂节点的焊接质量，提高了海洋平台的安全性能，可以实现多机器人的协同作业，切实解决节点焊接过程的变形问题，是一种操作简单、结果可视、稳定可靠、适应性广的方法。

附图说明

图1是本发明的海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，包括以下步骤：

步骤一、选定海洋工程复杂节点的三维模型中任意两个需焊接相连的部件的焊接方法，具体过程如下：将第一个待焊接件的两个长边侧分别通过焊接固定在第二待焊接件的设定位置处，以在两个待焊接件之间形成由两个直线形焊接位置(即第一个待焊接件的两个长边侧)构成的一个焊接处，在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时采用焊接机器人进行焊接形成两道直线形焊缝；

步骤二、在Tekla软件点选在海洋工程复杂节点的三维模型中需同时采用两个焊接机器人协同焊接的每个焊接处的两个焊接位置，所述的两个焊接机器人分别作为主焊接机器人、副焊接机器人，具体过程如下：

第一步，使用Tekla三维软件打开需要焊接的海洋工程复杂节点的三维模型并导入两个焊接机器人的三维模型，根据实际使用情况，将主、副焊接机器人对称布置于需要焊接的海洋工程复杂节点的三维模型的两侧。

第二步，手动为主焊接机器人、副焊接机器人点选所需要协同焊接的全部待焊接处，对每一个待焊接处分别点选两个待焊接位置；

步骤三、使用python编程语言对Tekla进行信息提取的二次开发，具体过程为：

第一步，遍历每一个需要主焊接机器和副焊接机器人协同焊接处的两个待焊接位置；

第二步，以Tekla软件内的基坐标系作为全局坐标系，读取Tekla软件内所有需要协同焊接的待焊接位置的数据并将数据存入Mongo DB数据库的第一个子库中，所述的待焊接位置的数据包括全局坐标系下每个待焊接位置的起点坐标、终点坐标以及长度；

第三步，在Tekla软件内识别每个需要协同焊接的待焊接处的两个焊接位置之间的中线位置，然后读取中线数据并将中线数据存入Mongo DB数据库的第二个子库中，所述的中线数据包括在全局坐标系下的每个待焊接处的中线的起点坐标和终点坐标；

步骤四、使用python中的numpy模块求出全局坐标系下所有焊接处的待焊接位置的空间直线方程并存入MongoDB第三子库中，具体过程为：在python中引入numpy模块，将各个焊接处的待焊接位置的起点坐标、终点坐标分别带入空间直线标准式方程，求出全局坐标系下所有焊接处的待焊接位置的空间直线方程，并存入MongoDB第三个子库中，空间直线标准式方程如下:

可简化为：

式中

表示一条待焊接位置的起点坐标；

表示该条待焊接位置的终点坐标，(mⁱ，nⁱ，pⁱ)表示该条待焊接位置的方向向量。

步骤五、利用python中的pandas模块对主焊接机器人和副焊接机器人需协同焊接处的待焊接位置进行选取，具体过程如下：

第一步，引入pandas模块，调用Mongo DB数据库中第一个子库的全部待焊接位置的长度数据并比较长度大小，然后按照从小到大排序，选择其中一条长度最短的待焊接位置作为主焊接机器人待焊接位置，记为位置A，并调取Mongo DB数据库中与位置A对应的第一、第三子库中的数据。

第二步，将第一个子库和第三个子库数据中除位置A外的待焊接位置的数据与位置A的数据进行比对，选出与位置A平行的所有待焊接位置的数据。计算与位置A平行的所有待焊接位置与位置A的距离S并按照从小到大排序；然后从与位置A最近的待焊接位置的直线方程开始分别依次与位置A的直线方程组合，求取两者之间的中线的起点坐标，再与第二子库中中线数据进行对照，当存在该中线的起点坐标，则将与该中线的起点坐标对应的待焊接位置记为位置B，所述的位置B为副焊接机器人待焊接位置；其中：

平行判定公式：

距离计算公式：

{m，n，p}＝{m_a，n_a，p_a}

中线的起点坐标：

式中{m_a，n_a，p_a}、{m_b，n_b，p_b}分别表示主焊接机器人位置A的方向向量、数据库中剩余待焊接位置中任意一条待焊接位置的方向向量；

分别表示主焊接机器人位置A的起点坐标、数据库中除位置A外剩余待焊接位置中任意一条待焊接位置的起点坐标，S表示主焊接机器人位置A与数据库中除位置A外剩余待焊接位置中任意一条待焊接位置的距离；

表示与位置A平行的待焊接位置中任意一条待焊接位置的直线方程与位置A的直线方程之间的中线的起点坐标。

步骤六、使用python中的离散算法，根据位置A和位置B的空间直线方程，将位置A和位置B分别离散成n_a、n_b个离散点，并获得全局坐标系下位置A的所有离散点的坐标

和位置B所有离散点的坐标

其中：

式中r表示每相邻两个离散点之间的长度,为设定的固定值；L_a表示位置A的长度、L_b表示位置B的长度。

步骤七、利用python中的scipy模块的矩阵算法，将全局坐标系下位置A的每一个离散点坐标

和位置B每一个离散点坐标

分别转化为机器人基坐标系下位置A的坐标

位置B的坐标

其中：

式中

分别表示焊接机器人位置A在全局坐标系的任一离散点坐标、副焊接机器人位置B在全局坐标系的任一离散点坐标；

分别表示焊接机器人位置A在主焊接机器人基坐标系的任一离散点坐标、副焊接机器人位置B在副焊接机器人基坐标系的任一离散点坐标；(x_a0，y_a0，z_a0)、(x_b0，y_b0，z_b0)分别表示主焊接机器人基坐标系原点相对于全局坐标系原点的位置、副焊接机器人基坐标系原点相对于全局坐标系原点的位置；θ、

分别表示主焊接机器人基坐标系相对于全局坐标系绕Z轴逆时针方向旋转角度、副焊接机器人基坐标系相对于全局坐标系绕Z轴逆时针方向旋转角度。

步骤八、在python中引入matplotlib模块，使用机器人位姿求解算法(参见《机器人学》——机器人逆解，清华大学出版社),分别带入位置A在主焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算、位置B在副焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算，分别得到主焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第四子库中以及副焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第五子库中。

步骤九、在MongoDB第一、第三子库中删除本次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据，所述的相关数据包括位置A和位置B的起点坐标、终点坐标、长度以及空间直线方程。

步骤十、依次选取排序中处于下一长度的位置作为位置A，重复步骤四-步骤八，直到计算出主、副焊接机器人在所有协同焊接位置进行焊接时机器人各个关节的转角数据并存储在MongoDB数据库的第四、第五子库中；在每次计算后重复步骤九，在MongoDB第一、第三子库中删除每次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据；

步骤十一、清空第二子库数据；

步骤十二、利用主焊接机器人关节转角数据和副焊接机器人关节转角数据，分别形成主焊接机器人运动指令和副焊接机器人运动指令，主焊接机器人和副焊接机器人根据各自的运动指令在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时协同焊接，具体过程如下：将步骤九得到的主、副焊接机器人焊接时全部的关节转角数据分别作为关节运动指令参数并为主、副焊接机器人设定相同的焊接速度，生成控制机器人运动的主焊接机器人运动指令、副焊接机器人运动指令，将运动指令分别传给主、副焊接机器人，然后在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时采用主、副焊接机器人进行焊接形成两道直线形焊缝即可实现主、副机器人之间的协同焊接。

Claims (4)

1.一种海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、选定海洋工程复杂节点的三维模型中任意两个需焊接相连的部件的焊接方法，具体为：将第一待焊接件的两个长边侧分别通过焊接固定在第二待焊接件的设定位置处，以在两个待焊接件之间形成由两个直线形焊接位置构成的一个焊接处，在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时采用焊接机器人进行焊接形成两道直线形焊缝；

步骤二、在Tekla软件中点选在海洋工程复杂节点的三维模型中需同时采用两个焊接机器人协同焊接的每个焊接处的两个焊接位置，所述的两个焊接机器人分别作为主焊接机器人、副焊接机器人；

步骤三、使用python编程语言对Tekla进行信息提取的二次开发，具体过程为：

第一步，遍历每一个需要主焊接机器人和副焊接机器人协同焊接处的两个待焊接位置；

第二步，以Tekla软件内的基坐标系作为全局坐标系，读取Tekla软件内所有需要协同焊接的待焊接位置的数据并将数据存入Mongo DB数据库的第一子库中，所述的待焊接位置的数据包括全局坐标系下每个待焊接位置的起点坐标、终点坐标以及长度；

第三步，在Tekla软件内识别每个需要协同焊接的待焊接处的两个焊接位置之间的中线位置，然后读取中线数据并将中线数据存入Mongo DB数据库的第二子库中，所述的中线数据包括在全局坐标系下的每个待焊接处的中线的起点坐标和终点坐标；

步骤四、使用python中的numpy模块求出全局坐标系下所有焊接处的待焊接位置的空间直线方程并存入MongoDB第三子库中；

步骤五、利用python中的pandas模块对主焊接机器人和副焊接机器人需协同焊接处的待焊接位置进行选取，具体过程如下：

第一步，引入pandas模块，调用Mongo DB数据库中第一子库的全部待焊接位置的长度数据并比较长度大小，然后按照从小到大排序，选择其中一条长度最短的待焊接位置作为主焊接机器人待焊接位置，记为位置A，并调取Mongo DB数据库中与位置A对应的第一、第三子库中的数据；

第二步，将第一子库和第三子库数据中除位置A外的待焊接位置的数据与位置A的数据进行比对，选出与位置A平行的所有待焊接位置的数据；计算与位置A平行的所有待焊接位置与位置A的距离并按照从小到大排序；然后从与位置A最近的待焊接位置的直线方程开始分别依次与位置A的直线方程组合，求取两者之间的中线的起点坐标，再与第二子库中中线数据进行对照，当存在该中线的起点坐标，则将与该中线的起点坐标对应的待焊接位置记为位置B，所述的位置B为副焊接机器人待焊接位置；

步骤六、使用python中的离散算法，根据位置A和位置B的空间直线方程，将位置A和位置B分别离散成n_a、n_b个离散点，并获得全局坐标系下位置A的所有离散点的坐标

和位置B所有离散点的坐标

步骤七、利用python中的scipy模块的矩阵算法，将全局坐标系下位置A的每一个离散点坐标

和位置B每一个离散点坐标

分别转化为机器人基坐标系下位置A的坐标

位置B的坐标

步骤八、在python中引入matplotlib模块，使用机器人位姿求解算法,分别带入位置A在主焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算、位置B在副焊接机器人基坐标系下的任一离散点坐标

进行机器人的逆运动计算，分别得到主焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第四子库中以及副焊接机器人焊接时各个关节的转角数据并存入MongoDB数据库中的第五子库中；

步骤九、在MongoDB第一、第三子库中删除本次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据，所述的相关数据包括位置A和位置B的起点坐标、终点坐标、长度以及空间直线方程；

步骤十、依次选取排序中处于下一长度的位置作为位置A，重复步骤四-步骤八，直到计算出主、副焊接机器人在所有协同焊接位置进行焊接时机器人各个关节的转角数据并存储在MongoDB数据库的第四、第五子库中；在每次计算后重复步骤九，在MongoDB第一、第三子库中删除每次计算的主焊接机器人位置A、副焊接机器人位置B的相关数据；

步骤十一、清空第二子库数据；

步骤十二、利用主焊接机器人关节转角数据和副焊接机器人关节转角数据，分别形成主焊接机器人运动指令和副焊接机器人运动指令，主焊接机器人和副焊接机器人根据各自的运动指令在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时协同焊接。

2.根据权利要求1所述的海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，其特征在于：所述的步骤二的具体过程为：

第一步，使用Tekla三维软件打开需要焊接的海洋工程复杂节点的三维模型并导入两个焊接机器人的三维模型，根据实际使用情况，将主、副焊接机器人对称布置于需要焊接的海洋工程复杂节点的三维模型的两侧；

第二步，手动为主焊接机器人、副焊接机器人点选所需要协同焊接的全部待焊接处，对每一个待焊接处分别点选两个待焊接位置。

3.根据权利要求1所述的海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，其特征在于：每个待焊接位置的空间直线方程的具体求解过程为：在python中引入numpy模块，将各个焊接处的待焊接位置的起点坐标、终点坐标分别带入空间直线标准式方程，求出全局坐标系下所有焊接处的待焊接位置的空间直线方程。

4.根据权利要求1-3之一所述的海洋工程复杂节点多机器人焊接协同控制方法，其特征在于：所述的步骤十二的具体过程如下：将步骤九得到的主、副焊接机器人焊接时全部的关节转角数据分别作为关节运动指令参数并为主、副焊接机器人设定相同的焊接速度，生成控制机器人运动的主焊接机器人运动指令、副焊接机器人运动指令，将运动指令分别传给主、副焊接机器人，然后在每一个待焊接处的两个待焊接位置分别同时采用主、副焊接机器人进行焊接形成两道直线形焊缝即能够实现主、副机器人之间的协同焊接。

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