机器人遥控焊接技术.docx
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机器人遥控焊接技术
机器人遥控焊接技术
1遥控焊接的基本概念
遥控焊接既有别于僵硕的专用设备焊接乂有别于理想的机器人自主焊接。
严格含义的遥控焊接应该是有人参与焊接过程，这样的焊接系统具有相当的柔性，从而更具对环境的适应性。
对于弧焊，仅从操作的角度看遥控焊接的内涵应该是:
有人在现场外参与焊接过程动作控制的焊接。
即，人通过运动执行机构（操作器、机器人等）控制焊枪运动的具有较大柔性的焊接方法。
这里人的参与可以是部分的，但如果人仅参与设定参数、启动、停止自动设备，则属于用焊接装置完成全部预定焊接操作的自动焊接范畴。
如果人不参与控制而焊接过程中设备乂能根据具体情况自行调整控制参数则称为自主焊接或自适应焊接。
机器人遥控焊接技术是遥操作机器人技术在焊接领域的应用，是遥操作机器人技术的一个分支。
遥操作机器人技术历史较久，它出现在20世纪中期。
而最早的机器人遥控焊接技术出现于20世纪70年代，比遥操作机器人技术的出现晚了差不多30年。
尽管过去的40多年里很多国外的学者进行了大量的研究也获得了很多重要的研究成果，但是到U询为止绝大多数的机器人遥控焊接系统还都处于实验室研究和试验应用阶段。
最主要的原因还是机器人遥控焊接系统在技术实现上确实存在许多困难。
首先，焊接任务本身是十分复杂的过程。
在运动控制方面其特点是：
（1）控制参数多，如跟踪位置、弧长、速度、姿态等，它们都影响焊接质量；
（2）参数的控制精度要求高，对焊枪位置和速度的控制尤其重要；（3）控制的实时性要求高，不像装配等任务可以放慢速度、试探性地去完成。
其次，没有釆用适合焊接特点的控制方法。
对如此复朵的遥控操作任务仍采取模仿人手工焊接的行为进行遥控焊接是不适合的。
尽管机器人遥控焊接技术的实际应用存在很多困难，但是从LI前的技术水平来说，我们可以采取一些措施使机器人遥控焊接技术能够进行实际应用：
（1）改善设备，包括提高系统中设备的质量，如精度、分辨率等，增加设备的数量，如添加种类更多、数量更多的设备。
通过这些措施一方面增加系统的精确执行动作的能力，另一方面可以给操作者提供更多关于焊接现场的精确信息，以便减少在感知、判断上的困难。
（2）合理分配任务，避免整个焊接过程中的所有工作都III操作者来执行。
分解复杂的任务，使得系统中各个组成部分（包括操作者）都能够以很高的智能水平充分发挥它的优势并且尽量只承担它能够胜任的控制任务将是更加可行的方法。
这样通过系统中各个组成部分之间的协作，就可以使得复杂的任务变成一系列简单的问题，使得困难的操作变得简单，定性的操作变的快速，定量的操作变得精确，同时也可以使系统中的资源得到充分利用。
这方面的实现相对来说要困难、复杂一些。
因为要实现这样的想法需要有很好的理论支持。
2机器人遥控焊接系统的智能体结构建模
2.1机器人遥控焊接系统的硬件构成
机器人遥控焊接系统山本地端、远端和连接两端的通讯媒介组成，如图1所示。
远端山执行任务的机器人及其控制器、传感系统（立体视觉传感系统、平面视觉传感系统、激光焊缝跟踪系统、六维力觉传感系统）、焊接电源控制系统（焊接参数控制以及时序控制）等三个部分组成；通讯媒介是U前非常流行的局域网；本地端III立体视觉显示系统（立体视觉显示界面、液晶眼镜）和本地控制/监督人机交互主界面（输入设备、控制界面、平面视觉显示系统）两部分构成。
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图1机器人遥控焊接系统构成
机器人及控制器是焊接任务的执行机构，机器人控制器按照遥示教生成的执行程序或者山激光自主引导控制机器人运动而实现焊接，同时，根据远程监控信息和激光跟踪系统的反馈信息实时调整机器人的行走路径。
在宏观遥控的过程中，视觉临场感技术是再现远端工作场景的基础，山三维立体视觉系统配合二维平面视觉系统实现，从而使遥操作者准确获得远端机器人的运动状态及其位置与姿态信息。
三维立体视觉系统山两个工业彩色CCD摄像机、图像采集卡、液晶眼镜等系统组成。
二维平面视觉系统山一个自动调焦的丄业彩色CCD以及显示系统构成。
激光焊缝跟踪系统主要IIICCD摄像机、激光器、图像采集卡等构成。
集成激光焊缝跟踪系统的焊接机器人，可以实现对简单焊缝的激光自主引导焊接，免去示教工作，从而提高了效率，也一定程度上提高了焊接精度；激光跟踪还可以实现通过示教再现或者离线编程生成焊接任务程序的自主焊接过程中的焊缝纠偏，以提高焊缝的精度；激光条可以辅助遥示教过程中工件以及焊缝的位置的判断。
力觉传感系统主要由六维力觉传感器构成，在遥示教的过程中，与激光跟踪传感系统协同工作，通过这个自主的力觉传感系统在焊枪到达工件附近时实现焊缝中心精确位置的探测，来代替操作者的遥操作。
不仅提高了遥示教的效率，同时也保证了每次示教的焊缝位置都具有相同的较高的精度。
同时，激光焊缝跟踪系统在进行机器人的自主引导时，可以通过力觉传感系统来帮助激光焊缝跟踪系统完成盲区的焊缝寻找工作，保证整个过程的顺利进行。
本地端主要由三维立体视觉监视器、液晶眼镜、二维平面视觉监控系统、空间鼠标等组成。
遥操作者通过空间鼠标控制机器人行走，并通过三维立体视觉监视器和二维平面视觉监控系统观察焊枪当前位置，以实现宏观遥控。
2.2机器人遥控焊接的控制方式
对于机器人遥控焊接系统远端工作环境来说，可以分为结构化环境、半结构化环境、非结构化环境三种类型。
结构化环境是指知道了整个机器人工作空间的儿何结构和尺寸、焊接工件的特性以及工件与机器人或者其他设备之间的位置关系等；半结构化环境是指除了工件的位置和姿态不知道以外，其他信息全部都是已知的。
非结构化环境是指完全未知的环境，没有任何已知信息。
针对机器人遥控焊接的实际需要以及不同的工作环境，为图2所示的机器人遥控焊接系统设计了五种控制模式：
（1）机器人全自主控制：
机器人完全自主的寻找焊缝起始点、跟踪焊缝、
判断焊接结束，设定机器人的运动速度、位姿、焊接参数等。
在非结构环境中进行完全自主控制需要很高的传感手段和人工智能技术支持，LI前尚不能实现。
但是，在半结构化环境中或完全结构化环境中，对于特定的焊接任务是可以实现的。
在遥控焊接中适当采用自主工作方式可以降低操作员的劳动强度。
减少对人的操作技术的依赖。
自主控制也是机器人遥控焊接的发展方向。
（2）监督控制：
机器人按照运动程序或者事先设定的参数进行焊接过程的自动执行；在这个过程中，人通过视觉系统实时监督整个过程，如果发现异常或者其他情况，人可以随时参与到控制过程中执行操作者的控制意图。
（3）人机交互控制：
机器人和操作者轮流控制，当机器人自主完成任务后，操作者立刻接管控制工作，负责机器人不能自主完成的工作，如引导焊枪越过障碍，进入新的自主任务等。
（4）共享控制：
共享控制方式允许人和具有一定智能的机器人同时对焊枪进行控制，这包括两种情况：
一是人、机负责不同参数的控制，如计算机负责弧长控制或接头跟踪控制，人负责需要焊接知识的焊枪姿态控制。
二是人机同时控制同一参数，如设定计算机控制恒定焊枪姿态，山于工件局部结构的变化或者避碰的要求，人可以参与调整，实际的焊枪姿态是人、机综合控制的结果。
（5）直接手动控制：
一般以主从方式工作，即操作者通过遥操作输入设备控制机器人进行相应的动作。
主从遥控焊接直接利用一般的遥控操作系统，传感信息山人处理并做出决策，完全山人控制手上的焊枪运动。
其突出优点是人的智能带来了高适应性。
但是，以往的研究结果均不令人满意，主要问题是跟踪质量差。
本文采用“宏观遥控，微观自主”的策略进行机器人遥控焊接，包括两个步骤，首先把焊枪宏观遥控到达焊缝的起始点，然后进行焊缝的微观自主焊接，从而完成遥控焊接过程。
在机器人进行焊缝微观自主焊接时，当机器人达到焊缝起始点时开始执行预定的程序，激光焊缝跟踪系统实时地纠偏，操作者可以釆用监督控制的方式，操作者通过视觉系统监视焊接过程的进行，当一切正常的时候，操作者不参与到焊接过程中；如果发生异常，如将要发生碰撞、焊接过程中断等，操作者可以快速的参与到焊接过程中，采取必要的控制行为，如立即停止机器人的运动等。
在这个过程中还可以进行人机交互控制，例如整个焊接任务包括若干段机器人可以自主完成的焊缝时，人可以在机器人完成一段焊接任务后引导机器人进入新的焊接任务。
同时在机器人自主焊接过程中，也可以釆取共享控制，如人可以在焊接过程中根据需要调整焊枪的姿态等参数。
在操作者进行机器人的宏观遥控时，情况乂有所不同。
如果在完全结果化的环境下，机器人可以完全自主的完成工件的焊接任务：
如果是非结构化环境或者是半结构化环境，可以采用直接手动控制的方式把机器人引导到焊缝的起始点，机器人开始自主的焊接过程。
在这种惜况下，也可以釆取共享的控制方式，把机器人引导到达焊缝的起始点，如机器人自主控制焊枪末端的高度方向，操作者控制其他的方向等等。
根据具体焊接任务及其任务程序生成方式的不同，机器人对焊缝的自主焊接有以下三种情况：
（1）通过对焊缝的示教产生焊接任务程序，然后通过示教轨迹的再现，完成微观自主焊接；
（2）通过激光焊缝跟踪系统实时的检测焊缝实时的进行焊接，操作者进行监控，这种方法的应用不是很广泛。
因为它要求焊缝的坡口要非常好，能够保证被激光焊缝跟踪系统实时的检测到，否则，就会造成失败;
（3）对于完全结构化环境，可以通过离线编程系统进行焊接任务的规划和焊接任务程序的生成，然后下载到机器人控制器中进行执行，从而完成焊接任务，在整个焊接过程中操作者进行实时的监控。
2.3机器人遥控焊接系统的智能体结构建模
焊接生产过程是一个复杂的过程，不仅涉及到对焊接机器人焊接任务的管理、系统过程状态及各子系统基本数据的管理，还要完成焊接加工传感信息的处理、作业过程数据与控制信号在各个子系统之间的静态调度与动态调度。
所以，系统中有大量的信息交互，要求有调度和监控上的实时性和功能分布上的并发性。
机器人遥控焊接系统是一个复杂的离散型与连续型相结合的系统，所包含事件的发生在时间和空间上具有离散的特性，各事件以某种顺序或在某种条件下发生，并且大都是随机性的，不能用常规的方法研究。
其离散性不仅体现在宏观上诸如焊接丄件运输流的管理、焊接加工底层设备之间的互补与协调等，还体现在微观上如单元控制中各传感及执行子系统控制信息、状态信息的调度。
由于在机器人遥控焊接系统中存在具有不同功能的，相互独立的资源系统，具有物理上的分布性，且任务执行时间或者相同或者不同。
所以该系统从其本质上讲是典型的分散式系统。
这些资源系统通常是机器人、焊接传感系统、焊接电源等，它们都是智能体的最佳代表。
而多智能体思想符合遥操作机器人系统分布式控制的特点，所以很多学者认为它将成为构造机器人遥操作系统体系结构的主要指导思想之一。
同时，多智能体系统的很多独特的优势使得它成为对机器人遥控焊接这样的复杂系统进行建模、控制、集成的最有力的工具。
（1）分布存储和控制，在MAS中，单个智能体只存放本节点的知识和数据,对于一个规模较大的问题的求解往往需要多个智能体共同协作来完成。
智能体间共享数据和知识，也可以向其他智能体提出服务请求来获取需要的信息。
因此，MAS总体知识和数据表现为分布存储的特点。
MAS的控制功能III各自治智能体独立完成。
（2）并行处理，各节点选择有利于自己局部利益的控制策略和决策日标，自主地做出决策，决策的制定和任务的执行表现出并行的特点。
这种并行处理机制大大提高了问题的求解效率。
（3）易扩充和修改，只要配置相应的通信协议和控制策略，以及相应的知识和数据，新的智能体就可以加入MAS中正常运行，原有的MAS系统不需要做任何改动，扩充非常容易。
同时，对任意一个智能体的修改都是局部行为，只涉及到本智能体的模块，在修改过程中，其余智能体仍然可以正常运行，不受此智能体的影响，对整个MAS来说，修改是很方便的。
（4）由于求解问题的分解，单个智能体的输入域减小，所以计算复杂性也减小，使系统简单可靠。
（5）系统中各个智能体可以相互协调，共同合作按照各自的功能来解决一个复杂的全局性问题，不需要建立一个庞大的知识库。
（6）由于感知、处理和作用紧密相伴，MAS系统具有较高的反应速度，能够根据外部环境自我调节，适应性强。
（7）把全部制造过程分解为多个相互作用、交互的智能体过程，通过对智能体的调整，实现系统的重构，满足环境变化的需要。
山此可以看出应用多智能体理论对机器人遥控焊接系统进行建模、控制和集成是适合的，是高效的，是灵活的。
根据构成机器人遥控焊接系统的各个部分的物理以及逻辑地位进行抽象，建立了机器人遥控焊接系统的智能体结构模型。
在系统中，机器人、焊接电源及其
控制系统、激光焊缝跟踪系统、六维力觉传感系统都是独立的资源，负责不同的工作，具有分布性，都可以分别抽象成单个的智能体：
实际上本地端负责遥操作的操作者在整个遥操作的过程中，具有十分重要的作用。
他既是机器人在宏观区域运动时的操作者，也是机器人处于微观自主运动时的监控者。
他在物理上也是独立的，并且具有丰富的知识和高超的综合分析情况与决策能力，因此他也可以被抽象成特殊的智能体；同时，本地端的遥操作控制系统，负责人机交互、控制策略分析、决策与切换，与其他的远端的智能体的信息交互等，也可以看作是一个独立的智能体，成为遥操作控制智能体。
另外，作为多智能体系统，各个智能体之间的协调与协作也是保证系统高效工作的重要部分，因此，为了使各个智能体之间能够更有效地进行协作与协商，本文也单独建立一个智能体专门负责整个系统中智能体之间的协作与协商，以简化其他智能体的构建，同时也保证了系统中智能体之间协作与协商工作的集中处理，以提高效率。
根据上述的分析，本文建立了如图2所示的机器人遥控焊接系统的多智能体控制系统的网络结构。
Weldingrobotagent
Laserscanweldingseamtracingagent
Remotesite
Localsite
Operatoragent
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Forcesensoragent
Systemmanageagent
■
1
1
WeldingrobotLasei'scanwelding
agentseamtracingagent
Teleoperation
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LAN
图2机器人遥控焊接的多智能体控制系统网络结构
在图2所示的机器人遥控焊接系统中，包括两种类型的智能体：
系统管理智能体和应用智能体。
下面分别介绍各个智能体的基本功能。
（1）系统管理智能体（SMA,SystemManageAgent）：
属于该系统中唯一的管理型智能体，其主要功能是对整个多智能体系统进行必要的维护及更新，如接收其他智能体启动时发出的注册消息，并监视其他智能体的运行状态，保存所有智能体的状态列表，供其他智能体的査询需要。
所以它是整个系统的基础，必须是机器人多智能体焊接系统中最先运行的智能体。
（2）焊接机器人智能体（WRA,WeldingRobotAgent）：
焊接机器人智能体属于应用型智能体，负责六自山度焊接机器人的运动控制以及状态监控。
该智能体一方面通过TCP/IP协议响应遥操作端发送的指令完成机器人的遥操作；同时与统管理智能体、力觉传感智能体、激光焊缝跟踪智能体、以及焊接电源智能体进行协调完成高效、精确的焊接任务示教以及与操作者智能体共同协调完成焊接任务的自主焊接。
（3）激光焊缝跟踪智能体（LSWSTA,LaserScanWeldingSeamTracingAgent）：
激光焊缝跟踪系统智能体属于应用型智能体，主要负责焊缝的自主跟踪,进行焊接任务的示教、自主焊接过程的纠偏以及机器人全自主焊接过程中焊缝的寻找与定位。
它主要与系统管理智能体、力觉传感智能体、焊接机器人智能体以及焊接电源智能体进行全自主的协调，完成焊接任务的示教、微观自主焊接以及全自主焊接任务。
该智能体在整个系统中具有极其重要的地位，一定程度上具有不可或缺性。
（4）力觉传感智能体（FSA,ForceSensorAgent）：
力觉传感智能体属于应用型智能体，负责近缝区焊缝的寻找与精确定位。
它与激光焊缝跟踪系统智能体、操作者智能体自主协作完成点到点示教过程中示教点的精确快速定位以及轨迹示教过程中复杂区段的辅助定位。
（5）焊接电源智能体（WMA,WeldingMachineAgent）：
焊接电源智能体属于应用型智能体。
它主要负责焊接电源的开关控制，最重要的是进行焊接过程的熔透控制，保证很好的焊接质量。
该智能体与焊接机器人智能体、激光焊缝跟踪智能体、操作者智能体等共同协调完成焊接过程。
例如，当焊接过程中机器人运动状态出现异常，机器人智能体通过其反应模块控制机器人马上停止运动，在这个过程中，焊接电源智能体也可以通过与机器人智能体的协调迅速关断焊接电源。
（6）遥操作控制智能体（TOCA,Tele-operationControlAgent）：
遥操作控制智能体属于应用型智能体，接收操作者智能体发送的指令以及操作者通过视觉系统感知到的机器人工作环境信息，与其他智能体进行协调，以及在此基础上的遥控策略的决策。
接收操作者通过人机界面输入的焊接任务，以及任务的规划分配等。
它是连接操作者智能体与远端的机器人环境的中间媒介，具有中间信息的适当处理、决策功能。
（7）操作者智能体（OA,OperatorAgent）:
操作者智能体属于应用型智能体,负责输入控制指令、通过视觉系统感知到的机器人环境信息，监控整个机器人的自主焊接过程，采取共享控制或者全手动控制的方式进行机器人焊接任务的示教、机器人到达焊缝起始点的引导等工作。
山于人具有很好的综合能力，作为整个系统中特殊的一环，利用人可以做得一切简化很多工作，同时人不能完成的则由机器进行精确的控制，形成优势互补。
在上述各智能体中，焊接电源控制智能体、激光焊缝跟踪智能体、力觉传感智能体、遥操作控制智能体都可以通过对遗留系统的封装而形成。
系统管理智能体是一个软件智能体，它不与硬件设备直接打交道，只负责整个系统的管理工作。
各智能体通过相互通信进行协调动作而达到问题求解的口的。
3基于机器人遥操作的遥控焊接最新研究进展
3.1WTRS的研究现状
国外对应用机器人遥操作技术的遥控焊接研究始于20世纪80年代中期。
1986年,MIT的Agapakis最早进行了视觉辅助下的遥控机器人焊接研究。
认为不应简单模仿人的焊接操作行为，开发视觉传感和计算机辅助编程是至关重要的。
1984年,加拿大DouglasPoint核电站反应堆泄漏事故后的遥控焊接维修是最早成功实现的遥控焊接项U。
该系统采用了双机械臂结构,一个引导焊接工具到裂纹处，自动焊接过程，另一个载有7台摄像机负责宏观监视。
这些早期的研究和应用都停留在宏观视觉反馈环境信息，手动操作焊枪和焊接过程自动执行的层次,操作者始终参与底层的控制中，不能减轻操作者丄作强度和缩短事故反应时间。
立体视觉显示、机器人遥操作控制策略、图形仿真以及虚拟现实技术的发展推动了遥操作在焊接领域的应用。
英国通用机器人公司的Broome等从1993年开始进行水下遥控机器人的项U（ARM）,用于水下管道的焊接维修和检测，1999年完成大部分开发工作，系统结构如图3所示。
具有6DOF的机械手和姿态可调的摄像机装在ROV上；变焦距摄像机监视整个工作空间；图形仿真系统给出ROV、机械臂以及工作空间的多角度图形环境;采用手动方式，增强形手动方式，半自动方式，自主方式进行工作。
该系统成功地进行了水下焊缝检测、焊接及打磨工作。
本地端卄算机1图形用户接口
0计算机
任务规划器
1
1输人设备控制
工件建模
清理检测维修
1坐标变换
路径生成
・Mo—-*■.A1Z.逆匹动学
1数据通讯驱动模块」
数据通讯呱动模块］
1坐标变换路径生成1逆运动学
水下从端机器人处理器
任务生成
机械臂
实时任务调度
图3ARN1遥控机器人系统结构
法国核能源项UFramatome对核电站中的检测、测量、维修（切割，焊接，研磨）等进行了机器人遥操作研究。
遥控Aramis机器人焊接蒸气生成器的管道，结合多种控制模式,建立计算机监控系统，采用ROBCAD软件进行环境仿真。
采用的机器人及遥控焊接场景如图4所示。
图4装在RV上的Aramis机器人手臂
美国爱达荷国家工程和环境试验室（INEEL）的NSNFP（nationalspentnuclearfuelprogram）项LI从1999年开始研究遥控机器人焊接系统用于美国国家能源部（DOE）的核燃料储存容器的密封和焊缝检测。
该项L1包括超声波检测传感器设计，激光扫描传感系统的设计，远程的焊接工艺测试,表面检测系统，系统集成。
3.2远端焊接环境分类与WTRS概念模型
远端焊接环境可以分为结构化环境、半结构化环境、非结构环境。
如图5所示，半结构环境下，焊缝的位置或者儿何尺寸未知，如检测水下管道的焊缝；完全非结构环境中，操作者对远端现场完全没有先验知识，如核环境下的管道在某一位置出现的焊接裂纹。
针对远端焊接环境和焊接机器人操作空间对焊枪的约束不同，一些关键技术和控制策略可以被用来作为焊接遥操作的增强手段。
远端焊接环境
—►
结构化环境:
•焊缝的位置、姿态、几何尺寸以及与设备部件之间的关系已知
♦采用离线编程进行路径规划
—►
半结构化环境:
♦焊縫几何尺寸.位姿或者与设备部件之间的关系未知
♦视觉系统、传感器、图形系统増强方式■遥控示教■焊缝借息提取
—►
完全非结构化环境：
♦焊傩儿何尺寸、位姿及与设侖的相互关系均未知
♦增强方式进行手动跟踪.遥控示教、自主跟踪、监督控制
图5焊接环境分类
遥控焊接不但要提供给操作者具有临场感的远端焊接环境的信息，而且应该使操作者可以利用其本身固有的感觉和反应能力实时控制焊枪的运动。
因此，焊
接机器人及其任务环境的图形仿真，反馈环境信息的底层传感，焊接路径预规划,识别和监控远端环境，对焊枪灵活而精确的控制，自动或自主执行焊接任务的策略都是必备的增强手段。
图5给岀了根据这种概念模型组成的遥控焊接系统的框架结构。
图形仿真系统
*
手控器
系统监控HMI
及状态显示
视觉显示系统
本地端
工作场徵监控
双目立体视觉I
远端机器人
控制器
•-
机械臂
远端
焊缝跟踪焊枪传感器
图5基于机器人遥操作的遥控焊接框图
3.3WTRS涉及的关键技术
遥操作系统包括操作者、输入设备、通讯通道和远端机器人。
为了使操作者灵活的控制机器人完成一系列复杂的焊接动作，要求采用符合人体工程学的输入设备和友好的人机界面。
山于焊接中存在弧光、无力反馈以及实时操作的特点，必须结合临场感、预测图形仿真、虚拟现实等增强手段，建立针对焊接的遥操作系统。
3.3.1WTRS中的视觉临场感技
临场感技术是VR与机器人学完美结合的成果，其涵义是操作者充分接受远端执行器和任务环境的信息，并以自然的方式充分显示给操作者，使操作者在本地端产生身临其境的感
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