点焊机器人路径规划可行性分析.docx

1、点焊机器人路径规划可行性分析点焊机器人路径规划可行性分析摘要：随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使点焊机器人在工程和技术层次方面上都有了很大的提高。在工业生产中，点焊机器人在白车身焊装线的运用越来越广泛，然而白车身焊接质量的优劣对整车质量有着决定性的作用。在进行实际生产过程中，如何寻找一条能够遍历所有焊点，并且焊接用时最少的焊接路径，对提高点焊机器人工作效率有着重要的意义。文章在点焊机器人在白车身焊接上的运用的基础上，对点焊机器人路径规划可行性展开分析，提出了新的路径计算方法，并给与仿真验证。关键词：点焊机器人；焊接；路径规划；仿真；随着社会经济和科学技术的快速发展，点焊机器人在工程和技

2、术层面上都有了很大的提高。点焊机器人在白车身焊接上的运用，很大程度上提高了焊接质量，改善了工人的劳动条件，提高了生产效率。但是在实际生产中，点焊机器人路径规划采用传统在线示数方法，该方法在快速完成工作任务、避免碰撞、机器人调试等方面的使用中，出现很大的弊端，造成路径规划工作困难更加，效率低，不能进行及时优化。本文在对点焊机器人进行虚拟建模的基础上，通过编写算法，实现点焊机器人路径自动规划，在很大程度上提高点焊机器人的路径规划设计效率，提高了点焊机器人的工作效率。一、点焊机器人路径规划的特点根据点焊机器人在白车身焊装上的运用情况，总结出点焊机器人路径规划具有以下几个特点：（1）工作环境复杂。运用

3、点焊机器人进行白车身焊装时，因为白车身的空间有大量复杂扭曲的空间构成，在实际的焊接中，需要借用大量的夹具、传输装置以及其他机器人的焊枪等部件，使得原有紧凑空间变得更加拥挤复杂，从而为点焊机器人路径规划造成一定的难度。（2）具有很大的限制性。在进行白车身焊装时，大多的焊点位置和焊接顺序都是固定的，使得点焊机器人在进行路径规划时受到很大的限制。（3）为了保障焊接的质量，焊枪两电极的中心连线必须与加工焊点所在曲面的法线方向重合。另外，由于受到空间上的制约，同时又要保证每个点焊机器人工作的互不干扰，确保每个焊点都能涉及到，这就对点焊机器人手势的处理要做到位。目前规定的是点焊机器人在进行某处点焊的活动范

4、围是在一个小角度的范围内绕焊点所在曲面的法线转动。根据点焊机器人路径规划的特点，首先采用仿真软件依据商品化的建模模式进行白车身焊装的精确虚拟建模，再在虚拟建模的基础上利用Probabilistic Roadmap算法进行点焊机器人路径的自动规划。Probabilistic Roadmap算法具有算法实现简单、路径规划效果好、易于与已有的点焊机器人仿真软件结合等优点，同时还可以对路径规划结果的可行性进行仿真验证。2、点焊机器人焊接系统的虚拟建模点焊机器人焊接系统的虚拟建模就是将点焊机器人、白车身、焊枪、装夹具和传输装置五个部件的建模以及各个部件之间的虚拟布局。这里采用IGRIP软件进行建模。IG

5、RIP软件通过为同一工段工作的多设备和多机器人提供一个相互交叉的三维图形，在此基础上进行焊接系统的建模和仿真。IGRIP软件内部具有完善的机器人库、自动检测碰撞干涉功能和高级设备建模能力等优点，其运用范围非常广泛。焊接系统的建模过程如图1所示：图1：焊接系统的虚拟建模示意图工业上常用的机器人模型都可以在IGRIP软件内置的机器人库里找到。车身模型采用的是已有的CATIA模型中的三维几何模型。设备模型可以采用Pro-Engineer软件进行三维几何的建模，主要包含焊接系统的焊枪、装夹具、输送装置等各种加工设备模型。接着将前面建模出来的几种模型导入到IGRIP软件中，经过处理得出工作模型和设备模型

6、。最后再利用IGRIP软件的高级设备建模功能进行焊接系统的虚拟布局。在实际的工作场地上就可以依据设计出的虚拟布局进行精确安置。3、点焊机器人路径规划的算法以及如何实现根据前面总结的点焊机器人路径规划的特点，考虑其干涉性和可达性，要设定好点焊机器人在焊点处的位姿，下面再进行路径的规划。路径规划不是规划规划点焊机器人的整个工作路径，只需调用程序自动规划相邻焊点间的运动路径即可，从而大大的降低了路径规划问题的难度。这样问题就变成为找出从机器人的一个初始位姿到一个目标位姿的优化的几何问题了。在机器人的n个关节转交值构成的n维向量空间中找出两个向量，用来表示初始位姿和目标位姿。在关节空间中，一个向量对应

7、机器人在工作空间的唯一位姿。算法程序运用C语言编写出来，再通过IGRIP软件的Share Library端口，调用IGRIP软件中的碰撞检查、逆运动学计算等功能函数在焊接系统模型的基础上进行机器人路径的自动规划。Probabilistic Roadmap算法分为构造可达图、扩充可达图和搜索最短路径三个步骤组成。1、可达图的构造图2为可达图的示意图。图中的顶点为机器人关节空间的一个随机生成向量，随机但要确保机器人关节运动范围内不发生碰撞干涉。图中的边表示其连接的两个顶点之间的是可达的，边的权值表示机器人在两点之间所要走的距离。采用N、E表示顶点集合和边结合。图2：可达图的示意图可达图的构造过程如

8、图3：（1）首先要指定机器人的初始位姿和目标位姿，调用IGRIP的逆运动计算函数获取上面位姿的向量值，把这两个向量作为可达图的前两个顶点。（2）随即生成关节空间的一个向量Vi，调用IGRIP的碰撞检查功能检查机器人在Vi位姿上不发生干涉。若不干涉，将Vi加入N中，作为可达图的一个顶点。然后从N中的一个子集Ni中找出离Vi最近的30个顶点，借用局部规划算法检查Ni中的顶点是否与Vi可达，如果可达，就将（Vi，Vj）加入可达图的边集合E中。这里为了保证生成对应避碰位姿顶点在关节空间中的均匀分布，一般采用单独的随机数发生器生成，从而使得他们各个之间互不相关。接着重复上述的步骤，只要可达图的顶点数量达

9、到设定值。图3：可达图的构造流程示意图2、可达图的扩充总的来说，可达图的扩充就是增加可达图顶点附近的顶点增强该区域的连通性。这些顶点的增加需要借助构造过程中生成的大量的对应的无碰撞位姿的顶点，扩充过程就是在构造过程的基础上将那些机器人不容易通过的区域的可达图顶点扩充顶点。具体的步骤如下：首先赋予N中每个顶点一个正权值w（Vi），其值越大则表示该顶点处的连通性越差。定义Pr（Vi被选中）=w（Vi）的概率选种顶点Vi。如果选种Vi，就需要在Vi附近增加一个与Vi可达的Vj，这个Vj还要满足对应的位姿不发生碰撞干涉。接着将Vj加入到N中，将（Vi，Vj）加入到边集合E中。按照构造过程步骤（2）构造

10、另外一个子集Nj，并且检查Vj与Nj中个顶点之间的可达性。具体步骤如下：我们做，这里m是构造阶段完成后顶点集合N中的元素个数，同时，是顶点c与其他顶点进行过的可达性检查的次数，是在可达图中与顶点c相连的边数，即顶点Vi进行可达性检查时的失败比率，所以说越大表示顶点Vi附近区域的连通性越差。这里设mcon为构造阶段完成后顶点集合N中的元素个数，mex为扩充阶段生成额顶点个数，当mcon：mex=2时，对于大多数机器人路径规划问题可取得较好的规划效果。所在，这里在扩充阶段设定生成的顶点个数为0.5mcon。3、搜索最短路径搜索最短路径采用Dijkstra算法，利用这一算法在可达图中搜索一条从初始顶

11、点到目标顶点的最短路径。其工作原理就是依据初始顶点距离的大小顺序，以此顺序求的各个顶点到初始顶点的距离，最终从中找出其中最短的路径。四、焊接系统的仿真为了提高实际工作中点焊机器人的工作效率，要对路径规划进行仿真检验。这里采用CATIA软件对点焊机器人路径规划进行仿真检验。流程如下如图4所示，我们这里采用CATIA对侧围点焊机器人的焊接路径进行仿真。图4：路示意图径规划仿真流程1、模型的建立。在运用CATIA软件进行仿真之前，要在CATIA建立侧围工位模型，主要有点焊机器人、侧围模型。如图5、图6所示。图5：点焊机器人的3D模型图6：侧围模型2、路径规划的仿真。在建好模型的基础上，进入CATIA

12、的数字模型下的数字模型运动分析单元，就可以开始进行仿真了。在数字模型运动分析中，有两种模式：命令模拟运动和法则模拟运动。我们采用后者，可以自定义公式或法则，设置驱动杆件的运动速度，从而方便我们记录杆件的位置、速度和加速度。具体的步骤程序如下：2.1、首先为机器人的各关节创建接头、固定杆与驱动命令。2.2、进入法则运动模拟界面，找到Mechanism菜单，选出要进行模拟的机构。2.3、选择机器人手臂的端点，设置速度。创建方式如下：Mechanism.1CommandsCommand.1Angle=(Mechanism.1KINTine/1s)*36deg这里第一行为驱动命令，就是两杆件的夹角，下

13、一行为操作时间，整个公式意思就是设定机器人的速度是每秒钟转36度。2.4、进行起始和终止时间的设置，进入Start选项，如图7，在此处进行终止时间的修改。图7：更改终止时间2.5、设置步骤，在运动模拟时，使得每个操作的时间间隔等于总行程除以步骤的数据。如时间为10s，共可分为100步骤，就会在相隔0.1s的时间内出现一个画面。仿真步骤的越多运动模拟清晰度越大。2.6、单击Active Sensor，就会出现如图8所示，单击图中列出的测量点的各项运动数据，就可以得到想要观察项目的数据。图8：Active Sensor 界面2.7、最后进行干涉分析。可以在Analysis选项的机构运动的同时进行干

14、涉分析。干涉分析可以依据功能创建进行。单击Analysis出现的对话框，此时加入分析项目并设置好项目的参数，如图9所示，在出现干涉情况时，CATIA会将杆件亮起，表示警报此时发生干涉。通过对路径规划的仿真，没有发现干涉现象，使得时间也比生产节拍慢了14s，这样机器人的生产周期小雨生产节拍，这就充分说明路径规划有效。结语：随着社会经济和科学技术的快速发展，点焊机器人在工业上的应用会越来越广泛。文章在虚拟制造技术的基础上，分析了点焊机器人路径规划可行性的问题，通过规划算法实现点焊机器人在白车身焊接上运动路径的自动规划，很大程度上提高了白车身焊接工作效率。但是此类规划算法仅适用于较为简单的焊接系统，

15、对于复杂的系统规划就需要花费很长的时间，不利于工作的开展。所以，在今后的工作中，还要继续加强点焊机器人路径规划的研究，使得点焊机器人的路径规划更为合理，更为便捷。参考文献：1Podsedkowski L,Nowakowski J,Idzikowski M,et al.A new solutionfor path planning in partially known or unknown environment for non-holonomic mobile robotsJ.Robotics and Autonomous Systems,2001,34(2/3):145-152.2欧青立,何

16、克忠.室外智能移动机器人的发展及其相关技术研究J.机器人,2000,22(6):519-526.3戴博,肖晓明,蔡自兴.移动机器人路径规划技术的研究现状与展望J.控制工程,2005,12(3):198-202.4成伟明,唐振民,赵春霞,等.移动机器人路径规划中的图方法应用综述J.工程图学学报,2008,(4):6-14.5张捍东,郑睿等.移动机器人路径规划技术的现状与展望J.系统仿真学报,2005:17(2):439-443.6徐秀娜,赖汝.移动机器人路径规划技术的现状与发展J.计算机仿真2006，23(10):1-4.7霍迎辉,张连明.一种移动机器人的路径规划算法J.自动化技术与应用,2003,22(5):8-10.8王卫华,陈卫东,席裕庚.基于不确定信息的移动机器人地图创建研究进展J.机器人,2001,23(6):561-568.9蔡自兴,等.基于功能P行为集成的自主式移动机器人进化控制体系结构J.机器人,2000,22(3):169-174.10孙羽,张汝波.神经网络在智能机器人导航系统中的应用研究J.计算机工程,2002,28(1):138-140.