一種焊接機器人路徑規劃方法技術

本發明專利技術提供一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法，包括：建立焊接機器人的D?H參數模型；通過幾何避障策略得到避障路徑，并針對所述避障路徑進行基于笛卡爾空間的軌跡規劃；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的路徑長度和運動能耗；以及采用聚類指導多目標粒子群優化算法對所述路徑長度和所述運動能耗進行雙目標路徑規劃，并得到路徑規劃的優化結果。相比于現有技術，本發明專利技術可讓用戶快速地實現焊接機器人的路徑長度和運動能耗的雙目標優化，指導工程師更有效地進行焊接機器人的示教工作，大大減少焊接機器人系統集成和調試時間。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及焊接機器人領域，更具體地涉及一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法。
技術介紹
在大型裝備制造中，焊接是不可或缺的基本工藝。現代制造技術中為了保證焊接產品質量的穩定性，提高生產率和改善勞動條件，采用機器人實現焊接自動化是必然趨勢。目前固定場地的焊接工藝已可以由固定式示教再現工作方式的機器人實現，并獲得了有效的工業生產應用；而在非結構空間或人類不宜生存環境下的焊接作業，如太空站建設中的焊接制造、海洋深水下以及核環境下裝備的焊接制造等工況下，非結構空間自主移動和智能化的焊接機器人有著更廣闊的應用范圍。此外，焊接機器人在工業生產中起著越來越重要的作用，焊接機器人不僅可以提高焊接精度和效率，同時也大大降低了人力成本。尤其地，隨著汽車工業的快速發展，焊接機器人承擔了比以前更加復雜的焊接任務。合理的焊接順序對于提高生產效率有很大的影響，因此對于焊接機器人的路徑規劃問題的研究顯得尤為必要。在現有技術中，焊接機器人在路徑規劃中需要考慮的因素有多種，包括路徑長度、運動能耗、避障、焊接變形等因素，所以有必要設計一種改進的技術方案以實現焊接機器人的多目標優化。
技術實現思路
針對現有技術的焊接機器人在路徑規劃時存在的上述缺陷，本專利技術提供了一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法。依據本專利技術的一個方面，提供了一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法，適于對焊接機器人的路徑長度和運動能耗進行雙目標優化，焊接機器人路徑規劃方法包括以下步驟：建立焊接機器人的D-H參數模型；通過幾何避障策略得到避障路徑，并針對所述避障路徑進行基于笛卡爾空間的軌跡規劃；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的路徑長度；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的運動能耗；以及采用聚類指導多目標粒子群優化算法對所述路徑長度和所述運動能耗進行雙目標路徑規劃，并得到路徑規劃的優化結果。在其中的一實施例，所述焊接機器人路徑規劃方法還包括：采用笛卡爾空間進行軌跡規劃，通過逆運動學得到關節空間軌跡規劃；以及通過動力學逆問題得到所述避障路徑下的能耗。在其中的一實施例，采用笛卡爾空間計算軌跡并對多自由度的關節機器人進行逆運動學分析的步驟包括：根據兩點的焊槍位姿，得到各關節位于兩點時的關節角度；利用五次多項式求解得到直線軌跡的插補向量，通過逆解得到關節角度、關節角速度、關節角角速度關于時間t的中間點向量；利用逆動力學求解得到各個關節力矩；根據關節速度和關節力矩得到關節機器人在兩點間的能耗，其中，E為能耗，為關節速度，τ為關節力矩；以及根據焊點順序，將所有焊點之間的能耗相加得到路徑總能耗。在其中的一實施例，所述幾何避障策略根據焊點分布的不同區域，通過幾何方法確定路徑長度最短的過渡點或焊接平面的切入點、切出點。在其中的一實施例，所述焊接起始點和所述焊接終止點在相鄰平面內，連接所述焊接起始點和所述焊接終止點為第一線段，相鄰的兩平面交線為第二線段，所述第一線段所在直線與所述第二線段所在直線為異面直線，設定這兩條直線的中垂線與所述第二線段的交點作為過渡點，使得所述焊接起始點經過所述過渡點到達所述焊接終止點的路徑之和最短。在其中的一實施例，所述焊接起始點和所述焊接終止點在彼此并不相鄰的兩個平面內，選取焊接工件外的過渡點，使得第一平面內的焊接起始點依次經由第一平面邊界切出點、工件外的所述過渡點、第二平面內的邊界切入點從而最終到達第二平面內的焊接終止點。在其中的一實施例，上述采用聚類指導多目標粒子群優化算法對所述路徑長度和所述運動能耗進行雙目標路徑規劃的步驟還包括系統聚類分析策略，對應的聚類過程包括：將每個樣品獨自聚成一類，假設樣本數為m，樣本指標數為n，則樣本數據可以表示為m×n階矩陣：其中xmn表示第m個樣品的第n個指標值；采用未加權歐氏距離法確定相似度度量，并據此得到樣本的距離矩陣：其中，dij為樣品i和樣品j的“距離”，為n個樣本指標的未加權歐氏距離之和，對角線d11，d22，...，dmm＝0；以及將“距離”的兩個樣本進一步聚成一類，重復上述步驟，直至將所有的樣品全聚成一類。在其中的一實施例，所述樣品的狀態包括非約束態、約束激發態和約束非激發態，且不同狀態的樣品對應不同的指導粒子選擇策略。在其中的一實施例，對受約束的粒子以及不受約束的粒子分類中運用聚類的未加權平均距離法將決策空間劃分為區域，各個區域的中心根據該區域所包含的所有非劣解坐標值的平均值予以計算：其中，pointi，j為區域編號Regioni的第j(j＝1，2，...，D)維變量坐標，xs，j為區域編號Regioni中第s個非劣解的第j維變量坐標；然后計算各個區域中心之間的歐式距離：其中，dm，n為區域編號Regionm與Regionn之間的距離；然后計算出各個粒子與各個區域中心的歐氏距離：找出與粒子最近的區域，若該粒子與該區域小于某個值，則該粒子為該區域的約束粒子，否則為非約束粒子。在其中的一實施例，當某個區域內的約束粒子過多時，激發選擇該區域內的部分粒子：其中npi為區域編號Regioni內受約束粒子個數，N為種群規模，R為外部檔案上限，將激發態粒子的指導粒子選擇策略設為全局選擇策略，以動態調整搜索粒子數量從而平衡各個區域的搜索概率。采用本專利技術的基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法，通過幾何避障策略得到避障路徑，計算避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的路徑長度和運動能耗，采用聚類指導多目標粒子群優化算法對路徑長度和運動能耗進行雙目標路徑規劃，并得到路徑規劃的優化結果。相比于現有技術，本專利技術可讓用戶快速地實現焊接機器人的路徑長度和運動能耗的雙目標優化，指導工程師更有效地進行焊接機器人的示教工作，大大減少焊接機器人系統集成和調試時間。此外，本專利技術還將聚類指導思想引入基本多目標粒子群算法，獲得的指導粒子選擇策略可以加強多目標問題的尋優效果，并通過改進外部檔案保存機制增加種群多樣性，從而更好地解決多目標問題。附圖說明讀者在參照附圖閱讀了本專利技術的具體實施方式以后，將會更清楚地了解本專利技術的各個方面。其中，圖1示出焊接機器人的目標焊接工件的3D示意圖；圖2示出圖1的目標焊接工件的焊點區域示意圖；圖3示出依據本專利技術的一實施方式，基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法的流程框圖；圖4示出圖3的焊接機器人路徑規劃方法在進行幾何避障時，焊接起始點與焊接終止點在相鄰平面時的狀態示意圖；圖5示出圖4的焊接起始點到達焊接終止點所經歷的避障過渡點的狀態示意圖；圖6示出圖3的焊接機器人路徑規劃方法在進行幾何避障時，焊接起始點與焊接終止點在不相鄰的平面時的狀態示意圖；圖7示出焊接機器人路徑規劃非劣解的曲線示意圖；圖8示出焊接機器人路徑規劃的優化雙目標的路徑長度與運動能耗在一權重數值下的最優焊點路徑示意圖；圖9示出焊接機器人路徑規劃的優化雙目標的路徑長度與運動能耗在另一權重數值下的最優焊點路徑示意圖；以及圖10示出采用三種不同的算法所獲得的路徑規劃非劣解的曲線示意圖。具體實施方式為了使本申請所揭示的
技術實現思路
更加詳盡與完備，可參照附圖以及本專利技術的下述各種具體實施例，附圖中相同的標記代表相同或相似的組件。然而，本領本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法，適于對焊接機器人的路徑長度和運動能耗進行雙目標優化，其特征在于，該焊接機器人路徑規劃方法包括以下步驟：建立焊接機器人的D?H參數模型；通過幾何避障策略得到避障路徑，并針對所述避障路徑進行基于笛卡爾空間的軌跡規劃；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的路徑長度；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的運動能耗；以及采用聚類指導多目標粒子群優化算法對所述路徑長度和所述運動能耗進行雙目標路徑規劃，并得到路徑規劃的優化結果。

【技術特征摘要】
1.一種基于聚類指導多目標粒子群優化技術的焊接機器人路徑規劃方法，適于對焊接機器人的路徑長度和運動能耗進行雙目標優化，其特征在于，該焊接機器人路徑規劃方法包括以下步驟：建立焊接機器人的D-H參數模型；通過幾何避障策略得到避障路徑，并針對所述避障路徑進行基于笛卡爾空間的軌跡規劃；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的路徑長度；計算所述避障路徑中的焊接起始點與焊接終止點之間的運動能耗；以及采用聚類指導多目標粒子群優化算法對所述路徑長度和所述運動能耗進行雙目標路徑規劃，并得到路徑規劃的優化結果。2.根據權利要求1所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在于，所述焊接機器人路徑規劃方法還包括：采用笛卡爾空間進行軌跡規劃，通過逆運動學得到關節空間軌跡規劃；以及通過動力學逆問題得到所述避障路徑下的能耗。3.根據權利要求1所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在于，采用笛卡爾空間計算軌跡并對多自由度的關節機器人進行逆運動學分析的步驟包括：根據兩點的焊槍位姿，得到各關節位于兩點時的關節角度；利用五次多項式求解得到直線軌跡的插補向量，通過逆解得到關節角度、關節角速度、關節角角速度關于時間t的中間點向量；利用逆動力學求解得到各個關節力矩；根據關節速度和關節力矩得到關節機器人在兩點間的能耗，其中，E為能耗，為關節速度，τ為關節力矩；以及根據焊點順序，將所有焊點之間的能耗相加得到路徑總能耗。4.根據權利要求1所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在于，所述幾何避障策略根據焊點分布的不同區域，通過幾何方法確定路徑長度最短的過渡點或焊接平面的切入點、切出點。5.根據權利要求4所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在于，所述焊接起始點和所述焊接終止點在相鄰平面內，連接所述焊接起始點和所述焊接終止點為第一線段，相鄰的兩平面交線為第二線段，所述第一線段所在直線與所述第二線段所在直線為異面直線，設定這兩條直線的中垂線與所述第二線段的交點作為過渡點，使得所述焊接起始點經過所述過渡點到達所述焊接終止點的路徑之和最短。6.根據權利要求4所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在于，所述焊接起始點和所述焊接終止點在彼此并不相鄰的兩個平面內，選取焊接工件外的過渡點，使得第一平面內的焊接起始點依次經由第一平面邊界切出點、工件外的所述過渡點、第二平面內的邊界切入點從而最終到達第二平面內的焊接終止點。7.根據權利要求1所述的焊接機器人路徑規劃方法，其特征在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王學武，嚴益鑫，陳顯東，胡振海，顧幸生，
申請(專利權)人：華東理工大學，上海瓦魯自動化技術有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31