CN114473323A - 一种多机械臂力位耦合协同控制方法和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多机械臂力位耦合协同控制方法和焊接方法，焊接方法包括①将待焊接工件放置在第一平台上；②在第二平台上设置一组以上的夹具，同时将焊接机械臂、两个抓取机械臂布置在第二平台的外周；③利用两个抓取机械臂将待焊接工件抓取并放置在第二平台并进行定位夹紧，通过焊接机械臂对待焊接工件进行正面焊接；④将夹具放松，利用两个抓取机械臂协同将待焊接工件抓取并进行180°翻转变位，通过焊接机械臂进行反面焊接；步骤⑤焊接完成后，利用两个抓取机械臂协同将完成焊接的工件放置在第三平台进行存放。本发明通过对多机械臂进行力位耦合控制，能有效避免多机械臂的同步误差所引起的内力对工件造成损坏的现象。

Description

一种多机械臂力位耦合协同控制方法和焊接方法

技术领域

本发明属于多机械臂协同控制技术领域，涉及一种多机械臂力位耦合协同控制方法；同时还涉及一种多机械臂协同的焊接方法。

背景技术

在对批量工件进行拼装焊接的过程中，操作人员的经验显得尤其重要，具体地说人工放件焊接的过程中会出现偏差，造成熔深一致性不能保证的问题，由于熔深一致性差直接造成工件的外形尺寸存在着偏差，影响后期装配工艺及整备质量下降的缺陷，同时人工放件造成劳动强度大以及影响身体健康的问题，

为了解决上述缺陷，焊接工作由最初的人工焊接逐渐转变为自动焊接，并配合工装夹具等形式加以解决；由于工件种类繁多等问题，通常需要多机械臂配合进行工件的上下料。

目前的自动焊接机械臂需要配合变位机进行使用，通过变位机改变工件的位姿以配合焊接机械臂进行焊接，这种设置方式会导致焊接操作复杂、占地面积大，不能够有效利用机械臂；现有技术中有直接利用机械臂进行抓取的案例，但是由于工件具有一定重量，通常需要多机械臂进行协同，多机械臂之间如何实现有效协同配合而避免工件被损坏是目前需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多机械臂力位耦合协同控制方法和焊接方法，通过对多机械臂进行力位耦合控制，能有效避免多机械臂的同步误差所引起的内力对工件造成损坏的现象。

为了实现上述目的，本发明的第一目的是提供了一种多机械臂力位耦合协同控制方法，用以消除多机械臂的同步误差所引起的内力对工件造成损坏，其包括以下步骤：

步骤1)建立多机械臂的运动学模型，得到：

其中

分别代表机械臂基座相对于世界坐标系、物体坐标系相对于世界坐标系、机械臂末端坐标相对于物体坐标系和抓取机械臂末端相对于基坐标的齐次变换矩阵，i表示第i个抓取机械臂；

其中多机械臂呈正多边形分布，基坐标位于该正多边形的中心。

步骤2)将工件的运动轨迹映射到机械臂的关节空间，得到：

其中，q_ri，f_robotIK(·)分别表示第i个抓取机械臂的关节向量和机械臂的逆运动学；

步骤3)通过牛顿欧拉方程建立工件的运动学方程，得到：

其中，m、I、g分别代表工件的质量、惯量矩阵和重力加速度；

f_e、τ_c表示环境施加的力和力矩；

v、ω代表工件的线速度和角速度；

表示抓取机械臂施加的力和力矩；

进一步的，W_r可通过抓捕矩阵G求得，即W_r＝GW_C (4)

其中，

为抓取机械臂施加在工件的力；

由公式(4)可得：

其中

为广义逆矩阵，w_s表示内力；

根据抓取机械臂施加在工件上的力能分解为内力W_I和外力W_E，得到：

步骤4)得到多抓取机械臂的力位耦合算法如下：

其中W_Ec、W_Ed、T_Ec、T_Ed、M_E、B_E、K_E、α_E和β_E分别表示工件与环境的接触力、期望外力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率，W_Ic、W_Id、T_Ic、T_Id、M_I、B_I、K_I、α_I和β_I分别表示工件与机械臂末端的接触力、期望内力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率。

本发明的第二目的是一种多机械臂协同的焊接方法，其包括以下步骤：

步骤①将待焊接工件放置在第一平台上；

步骤②在用于待焊接工件进行焊接前定位的第二平台上设置一组以上的夹具，同时将焊接机械臂、两个抓取机械臂布置在第二平台的外周，并且两个抓取机械臂分立在焊接机械臂的相对两侧；

步骤③利用两个抓取机械臂将位于第一平台上的两个或两个以上的待焊接工件同步或者异步的抓取，并放置在第二平台的设定区域内，通过夹具将待焊接工件进行定位夹紧，并通过焊接机械臂对两个或两个以上的待焊接工件进行正面焊接；

步骤④将夹具放松，利用两个抓取机械臂协同将进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件抓取并进行180°翻转变位，同时通过两个抓取机械臂对进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件进行支撑，通过焊接机械臂进行反面焊接；

步骤⑤焊接完成后，利用两个抓取机械臂协同将完成焊接的工件放置在第三平台进行存放；

其中在步骤④和步骤⑤中，采用前述的多机械臂力位耦合协同控制方法对两个抓取机械臂进行控制。

作为本发明的另一种具体实施方式，在步骤①中设置有两个第一平台，两个第一平台分别对应两个抓取机械臂。

作为本发明的另一种具体实施方式，在步骤③中利用CCD工业相机对第一平台上所放置的待焊接工件进行识别检测。

作为本发明的另一种具体实施方式，利用阈值分割法获取放置在第一平台上的待焊接工件的抓取位置。

作为本发明的另一种具体实施方式，在步骤③中通过示教的方式将两个抓取机械臂所抓取的待焊接工件放置在第二平台的设定区域内，通过夹具将待焊接工件进行定位夹紧并完成拼接，等待焊接操作。

作为本发明的另一种具体实施方式，在步骤③和步骤④中通过示教的方式进行焊接机械臂对焊缝的焊接，单次焊接完成后焊接机械臂回到初始位置。

本发明具备以下有益效果：

本发明中在利用多个机械臂进行工件抓取过程中，多个机械臂之间协同，采用力位耦合算法协同控制多个机械臂进行同步抓取工件，能有效消除多机械臂的同步误差所引起的内力对工件造成损坏的现象，有利于提高焊接质量，尤其是在多工件拼接焊接中保证多工件之间焊接后不会损坏，保证了焊接的效率。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明多机械臂协同的焊接方法的示意图；

图2是本发明多机械臂力位耦合协同控制方法的框架示意图；

图3是本发明控制器的集成框架示意图。

在图1中，标号2、10、11表示形成“工”字型工件的三个构件；

标号1、9表示第一平台，标号4表示第二平台，标号13表示第三平台；

标号3、12表示抓取机械臂，标号8表示焊接机械臂；

标号5、6、7表示对应形成“工”字型工件的三个构件的三个卡槽；

标号14、15、16、17、18、21、22表示夹紧气缸；

标号19、20表示CCD工业相机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种多机械臂协同的焊接方法，具体采用两个抓取机械臂和一个焊接机械臂进行“工”字型工件的正反面双工位拼接焊接，如图1所示，其包括以下步骤：

步骤①将待焊接工件放置在第一平台上；

具体的，本实施例中设有两个用于放置待焊接工件的第一平台，两个第一平台分别靠近两个抓取机械臂以便于待焊接工件的抓取；

步骤②在用于待焊接工件进行焊接前定位的第二平台上设置一组以上的夹具，同时将焊接机械臂、两个抓取机械臂布置在第二平台的外周，并且两个抓取机械臂分立在焊接机械臂的相对两侧；

具体的，本实施例中设有三组夹具，分别对应形成“工”字型工件的三个构件，相应的，在第二平台上设有对应于形成“工”字型工件的三个构件的三个卡槽，夹具包括多个位置的夹紧气缸，通过多个位置的夹紧气缸对位于卡槽内的构件进行夹紧，以完成定位；

步骤③利用两个抓取机械臂将位于第一平台上的两个或两个以上的待焊接工件同步或者异步的抓取，并放置在第二平台的设定区域(即卡槽)内，通过夹具将待焊接工件进行定位夹紧，并通过焊接机械臂对两个或两个以上的待焊接工件进行正面焊接；

具体的，利用CCD工业相机对第一平台上所放置的待焊接工件进行识别检测，利用阈值分割法获取放置在第一平台上的待焊接工件的抓取位置；

再具体的，通过示教的方式将两个抓取机械臂所抓取的待焊接工件放置在第二平台的设定区域(即卡槽)内，通过夹具将待焊接工件进行定位夹紧并完成拼接，等待焊接操作。

步骤④将夹具放松，利用两个抓取机械臂协同将进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件抓取并进行180°翻转变位，同时通过两个抓取机械臂对进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件进行支撑，通过焊接机械臂进行反面焊接；

具体的，为了防止内力过大损坏工件，上述进行正面焊接后的“工”字型工件在翻转过程中，利用多臂力/位耦合协同控制算法控制两个抓取机械臂对“工”字型工件进行抓取和翻转变位。

步骤⑤焊接完成后，利用两个抓取机械臂协同将完成焊接的工件放置在第三平台进行存放，其中，为了放置内力过大损坏工件，利用多臂力/位耦合协同控制算法控制两个抓取机械臂将“工”字型工件放置在第三平台上。

具体的，第三平台放在两个抓取机械臂之间，以便于焊接完成后的工件进行放置。

本实施例中，为了实现对多机械臂的集成化控制，控制器采用EtherCAT总线进行组网，控制器通过RJ45转航空插头与多机械臂的伺服驱动器进行连接，通过EtherCAT协议对多个伺服驱动器进行数据通信和控制，这种方式避免了传统控制柜繁琐的电缆走线，并且采用EtherCAT高速工业总线来进行数据传输，增强了机械臂(两个抓取机械臂和一个焊接机械臂)控制系统的实时性和可靠性。

其中在控制器上集成有软件和硬件的接入端口，如图3所示，用于与外部设备建立连接以对机械臂的进行操控，例如对于采用通用PC控制的设备，接入模块以软件方式安装到控制器中，接入软件支持常见的Windows、Linux系统，能够使用函数封装的方法调用控制器功能，并通过标准以太网连接到现场控制站(即控制器)；再例如对于使用商业专有控制器的设备，使用针对特定通讯协议设计的接入模块硬件进行信号转换，根据专用控制器提供的通讯方式，使用对应的转换模块，将信号转换成统一的格式，同样连接到现场控制站。

本实施例中，在步骤③和步骤④中通过示教的方式进行焊接机械臂对焊缝的焊接，单次焊接完成后焊接机械臂回到初始位置。

具体的，本实施例中的多机械臂力位耦合协同控制算法如图2所示，其包括如下步骤：

步骤1)建立多机械臂的运动学模型，得到：

其中

分别代表机械臂基座相对于世界坐标系、物体坐标系相对于世界坐标系、机械臂末端坐标相对于物体坐标系和抓取机械臂末端相对于基坐标的齐次变换矩阵，i表示第i个抓取机械臂；

其中两个抓取机械臂和焊接机械臂呈等边三角形分布，基坐标位于该等边三角形的中心。

步骤2)将工件的运动轨迹映射到机械臂的关节空间，得到：

其中，q_ri，f_robotIK(·)分别表示第i个抓取机械臂的关节向量和机械臂的逆运动学；

步骤3)通过牛顿欧拉方程建立工件的运动学方程，得到：

其中，m、I、g分别代表工件的质量、惯量矩阵和重力加速度；

f_e、τ_e表示环境施加的力和力矩；

v、ω代表工件的线速度和角速度；

表示抓取机械臂施加的力和力矩；

进一步的，W_r可通过抓捕矩阵G求得，即W_r＝GW_C (4)

其中，

为抓取机械臂施加在工件的力；

由公式(4)可得

其中

为广义逆矩阵，w_s表示内力；

根据抓取机械臂施加在工件上的力能分解为内力W_I和外力W_E，得到：

步骤4)得到力位耦合算法如下：

其中W_Ec、W_Ed、T_Ec、T_Ed、M_E、B_E、K_E、α_E和β_E分别表示工件与环境的接触力、期望外力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率，W_Ic、W_Id、T_Ic、T_Id、M_I、B_I、K_I、α_I和β_I表示分别表示工件与机械臂末端的接触力、期望内力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种多机械臂力位耦合协同控制方法，用以消除多机械臂的同步误差所引起的内力对工件造成损坏，其特征是包括：

步骤1)建立多机械臂的运动学模型，得到：

其中

分别代表机械臂基座相对于世界坐标系、物体坐标系相对于世界坐标系、机械臂末端坐标相对于物体坐标系和抓取机械臂末端相对于基坐标的齐次变换矩阵，i表示第i个抓取机械臂；

多机械臂呈正多边形分布，基坐标位于该正多边形的中心

步骤2)将工件的运动轨迹映射到机械臂的关节空间，得到：

其中，q_ri,f_robotIK(.)分别表示第i个抓取机械臂的关节向量和机械臂的逆运动学；

步骤3)通过牛顿欧拉方程建立工件的运动学方程，得到：

其中，m、I、g分别代表工件的质量、惯量矩阵和重力加速度；

f_e、τ_e表示环境施加的力和力矩；

v、ω代表工件的线速度和角速度；

表示抓取机械臂施加的力和力矩；

进一步的，W_r可通过抓捕矩阵G求得，即W_r＝GW_C (4)

其中，

为抓取机械臂施加在工件的力；

由公式(4)可得：

其中

为广义逆矩阵，w_s表示内力；

根据抓取机械臂施加在工件上的力能分解为内力W_I和外力W_E，得到：

步骤4)得到多抓取机械臂的力位耦合算法如下：

其中W_Ec、W_Ed、T_Ec、T_Ed、M_E、B_E、K_E、α_E和β_E分别表示工件与环境的接触力、期望外力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率，W_Ic、W_Id、T_Ic、T_Id、M_I、B_I、K_I、α_I和β_I表示分别表示工件与机械臂末端的接触力、期望内力、实际轨迹、期望轨迹、质量矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数、采样周期和更新率。

2.一种多机械臂协同的焊接方法，其特征是包括以下步骤：

步骤①将待焊接工件放置在第一平台上；

步骤②在用于待焊接工件进行焊接前定位的第二平台上设置一组以上的夹具，同时将焊接机械臂、两个抓取机械臂布置在所述第二平台的外周，并且两个所述抓取机械臂分立在所述焊接机械臂的相对两侧；

步骤③利用两个所述抓取机械臂将位于所述第一平台上的两个或两个以上的待焊接工件同步或者异步的抓取，并放置在所述第二平台的设定区域内，通过所述夹具将待焊接工件进行定位夹紧，并通过所述焊接机械臂对两个或两个以上的待焊接工件进行正面焊接；

步骤④将所述夹具放松，利用两个所述抓取机械臂协同将进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件抓取并进行180°翻转变位，同时通过两个所述抓取机械臂对进行正面焊接后的两个或两个以上的待焊接工件进行支撑，通过所述焊接机械臂进行反面焊接；

步骤⑤焊接完成后，利用两个所述抓取机械臂协同将完成焊接的工件放置在第三平台进行存放；

其中在步骤④和步骤⑤中，采用权利要求1所述的多机械臂力位耦合协同控制方法对两个所述抓取机械臂进行控制。

3.如权利要求2所述的多机械臂协同的焊接方法，其特征是在步骤①中设置有两个所述第一平台，两个所述第一平台分别对应两个所述抓取机械臂。

4.如权利要求3所述的多机械臂协同的焊接方法，其特征是在步骤③中利用CCD工业相机对所述第一平台上所放置的待焊接工件进行识别检测。

5.如权利要求4所述的多机械臂协同的焊接方法，其特征是利用阈值分割法获取放置在所述第一平台上的待焊接工件的抓取位置。

6.如权利要求2所述的多机械臂协同的焊接方法，其特征是在步骤③中通过示教的方式将两个所述抓取机械臂所抓取的待焊接工件放置在所述第二平台的设定区域内，通过所述夹具将待焊接工件进行定位夹紧并完成拼接，等待焊接操作。

7.如权利要求2所述的多机械臂协同的焊接方法，其特征是在步骤③和步骤④中通过示教的方式进行所述焊接机械臂对焊缝的焊接，单次焊接完成后所述焊接机械臂回到初始位置。

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