基于ROS的双臂协同焊接路径规划系统的设计与实现

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多机器人焊接系统由于其工作范围大、生产效率高,在大型制造企业得到了广泛应用。焊接机器人的运动可分为两部分,即在任务点完成焊接的工艺运动和遍历所有任务点的任务运动。工艺运动路径是工程师根据焊接工艺要求设定的运动路径。任务运动路径实现机器人快速、安全地遍历所有任务点,直接影响系统的生产效率和安全性。多机器人焊接路径规划问题复杂,涉及任务分配、遍历规划、避障运动规划,现有方法难以对路径高效、负载均衡、系统安全等目标进行综合优化。论文以双机械臂焊接系统为例,从焊接路径规划的需求和现存问题出发,基于ROS(Robot Operating System)设计并实现了双臂协同焊接路径规划系统。系统包括两个部分,即避障运动规划和焊接任务规划。避障运动规划主要负责规划任务点之间的高效无碰运动路径。针对RRT(Rapidly Exploring Random Tree)避障规划算法的不足,论文提出目标偏置、贝塞尔平滑、剪枝优化三点改进,并通过仿真实验验证了所提出方法的有效性。基于主从控制对双臂运动进行解耦,并基于Move It!在ROS中实现了避障运动规划。任务路径规划将任务分配和单机路径规划组合成一个多目标多旅行商问题,针对生产节拍、总耗时、碰撞风险三个目标进行求解。针对NSGA-II(Nondominated Sorting Genetic Algorithm II)算法的不足,提出拥挤度去重、初始解优化、动态局部搜索优化三点改进。实验表明,改进算法迭代速度更快,路径耗时减小约5%~10%。论文以汽车门板点焊为应用场景,进行焊接路径规划实物模拟实验。实验证明了论文所提出系统的有效性。论文将所提出系统与遗传算法规划系统进行对比,结果显示论文提出的方案具有性能优势:在双臂负载更均衡的情况下,系统生产节拍时间相较于遗传算法规划系统缩短约8%,运行风险减小约14%。
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