基于B-APF的多焊接机器人路径优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于B

【技术实现步骤摘要】
基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法及系统


[0001]本专利技术属于焊接机器人应用
，具体涉及到船舶建造过程中精密构件焊接的机器人路径优化问题，特别是一种基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，焊接机器人被广泛应用于船舶建造领域。焊接是船舶装备制造中的重要工艺环节，也是决定其装备质量的关键因素。尤其在船舶建造过程中，需要大量的精密构件，在这些构建制造过程中，存在零件结构复杂、尺寸形状各异、空间分布错综复杂、焊点数量巨大且密集、焊接工艺精细严格等因素，单个焊接机器人难以完成如此巨大的工作量，往往需要多个焊接机器人高效协同工作。这就需要对多个焊接机器人焊接路径进行合理规划，提高焊接效率。多焊接机器人系统接到某项特定的焊接任务时，需考虑如何组织多个机器人去完成各项任务，在确定机器人各自的关系和任务基础上，最主要的任务是保持多个机器人间运动的协调一致性，共同去完成一个或多个焊接任务，并在协同工作中如何获取最优路径已成为目前的一大研究热点。
[0003]目前，在船舶建造焊接上，使用传统的人工势场法规划出来的焊接路径可能陷入局部最优。有学者提出了极限环法(Limit Cycle)，使机器人走圆弧状路径环绕障碍物来避障；还有学者提出了沿墙跟踪法(Wall Tracking Method)来解决目标点无法到达的问题，以上方法在一定程度上缓解了局部最优问题，但是存在规划速度慢、避碰效果不理想等缺点，而且以上算法并未针对多机器人协同工作场景，未能达到多机器人协同焊接效果。综上，当前在多焊接机器人路径规划方面，存在易陷入局部路径最优、能量损耗较大、加工时间较长与难以满足生产节点需求等问题，路径规划性能指标表现有待提高。如何对多焊接机器人协同工作时的路径规划进行高效的优化，仍有很大的研究空间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决多焊接机器人协同的船舶零构件焊接路径规划技术中的缺点，针对现阶段传统人工势场算法在多焊接机器人路径规划应用存在局部最小值和协同效果不佳的问题，提出一种基于BOID模型的人工势场优化算法(BOID Artificial Potential Field,B
‑
APF)。基于BOID模型原则引入焊接机器人的感知区域，当多机器人中存在陷入局部最小值点的机器人时，将该机器人停滞,同时感知到其他机器人的位置坐标。当其他机器人到达目标点时，查找距离停滞机器人最近的机器人的路径，选取最近点为停滞机器人的虚拟目标点。等到停滞机器人到达虚拟目标点后，将停滞机器人的目标点换回其最初目标点。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0006]步骤1，采集焊接信息；
[0007]步骤2，基于B
‑
APF算法和上述焊接信息，规划焊接机器人的运行轨迹；所述B
‑
APF
算法为基于BOID模型的人工势场优化算法；
[0008]步骤3，基于步骤2获取多焊接机器人协同作业运动轨迹。
[0009]进一步地，步骤1所述焊接信息包括：焊点的数量和位置分布，以及焊接任务，这些焊接任务分配给焊接机器人；全部焊点信息X＝(x1,x2,x3,
…
,x
n
)，其中x
j
表示第j个焊点，j＝1,2,
…
,n，焊接任务Y＝(Y1,Y2,Y3,
…
,Y
m
)，Y
i
表示第i个焊接机器人的焊接任务。
[0010]进一步地，步骤2所述基于B
‑
APF算法和上述焊接信息，规划每个焊接机器人的运行轨迹，具体为：
[0011]第i个焊接机器人接收到焊接任务Y
i
，基于BOID模型原则，在每一个时间步，第i个焊接机器人通过局部感知获得三个不重叠区域中其他焊接机器人的位置和方向，结合焊接任务以计算第i个焊接机器人的运动轨迹；
[0012]具体过程包括：
[0013]步骤2
‑
1，建立第i个焊接机器人的感知区域，第i个焊接机器人能感知到出现在其感知区域内的其他焊接机器人；
[0014]步骤2
‑
2，根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，第i个焊接机器人根据其与出现在其感知区域内的其他焊接机器人之间的距离，控制其自身的运动方向；
[0015]步骤2
‑
3，基于人工势场优化算法计算第i个焊接机器人的行为向量；
[0016]步骤2
‑
4，判断当前第i个焊接机器人是否陷入局部最优，若是则选取第i个焊接机器人感知到的周围5个邻近焊接机器人中距离其最近的第j个焊接机器人的位置作为临时目标点，计算第i个焊接机器人受到的合力，将第j个焊接机器人的路径作为其临时虚拟路径，将第i个焊接机器人成功导出局部最优后，下一时刻更新第i个焊接机器人的新位置坐标；若未陷入局部最优，则直接更新位置坐标；
[0017]重复执行步骤2
‑
3至步骤2
‑
4，直至第i个焊接机器人到达预设的终点，由此获得第i个焊接机器人的运行轨迹。
[0018]进一步地，步骤2
‑
1所述建立第i个焊接机器人的感知区域，具体为：
[0019]感知区域以第i个焊接机器人为中心，包括前向区、侧向区、后向区，其中所述前向区包括左前区和右前区，侧向区包括左侧区和右侧区；所述右前区的区域范围为左前区的区域范围为左侧区的区域范围为后向区的区域范围为右侧区的区域范围为
[0020]前向区、侧向区、后向区分别设置权值w
f
、w
l
、w
r
，表示各区对焊接机器人行为影响的重要程度。
[0021]进一步地，步骤2
‑
2所述根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，第i个焊接机器人根据其与出现在其感知区域内的其他焊接机器人之间的距离，控制其自身的运动方向，具体为：
[0022]根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，该反应区域包括以第i个焊接机器人为中心的三个同心圆环，从内至外分别作为排斥区、平行区和吸引区，半径分别为R
r
、R
p
、R
a
；
[0023]令d表示第i个焊接机器人与第j个焊接机器人之间的距离，设第j个焊接机器人出现在第i个焊接机器人的感知区域内，若R
p
≥d＞R
a
，则第i个焊接机器人将执行吸引行为，第i个焊接机器人将使其运行方向朝向第j个焊接机器人；若R
a
≥d≥R
r
，则第i个焊接机器人将执行平行行为，第i个焊接机器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，采集焊接信息；步骤2，基于B
‑
APF算法和上述焊接信息，规划焊接机器人的运行轨迹；所述B
‑
APF算法为基于BOID模型的人工势场优化算法；步骤3，基于步骤2获取多焊接机器人协同作业运动轨迹。2.根据权利要求1所述的基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，其特征在于，步骤1所述焊接信息包括：焊点的数量和位置分布，以及焊接任务，这些焊接任务分配给焊接机器人；全部焊点信息X＝(x1,x2,x3,
…
,x
n
)，其中x
j
表示第j个焊点，j＝1,2,
…
,n，焊接任务Y＝(Y1,Y2,Y3,
…
,Y
m
)，Y
i
表示第i个焊接机器人的焊接任务。3.根据权利要求2所述的基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，其特征在于，步骤2所述基于B
‑
APF算法和上述焊接信息，规划每个焊接机器人的运行轨迹，具体为：第i个焊接机器人接收到焊接任务Y
i
，基于BOID模型原则，在每一个时间步，第i个焊接机器人通过局部感知获得三个不重叠区域中其他焊接机器人的位置和方向，结合焊接任务以计算第i个焊接机器人的运动轨迹；具体过程包括：步骤2
‑
1，建立第i个焊接机器人的感知区域，第i个焊接机器人能感知到出现在其感知区域内的其他焊接机器人；步骤2
‑
2，根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，第i个焊接机器人根据其与出现在其感知区域内的其他焊接机器人之间的距离，控制其自身的运动方向；步骤2
‑
3，基于人工势场优化算法计算第i个焊接机器人的行为向量；步骤2
‑
4，判断当前第i个焊接机器人是否陷入局部最优，若是则选取第i个焊接机器人感知到的周围5个邻近焊接机器人中距离其最近的第j个焊接机器人的位置作为临时目标点，计算第i个焊接机器人受到的合力，将第j个焊接机器人的路径作为其临时虚拟路径，将第i个焊接机器人成功导出局部最优后，下一时刻更新第i个焊接机器人的新位置坐标；若未陷入局部最优，则直接更新位置坐标；重复执行步骤2
‑
3至步骤2
‑
4，直至第i个焊接机器人到达预设的终点，由此获得第i个焊接机器人的运行轨迹。4.根据权利要求3所述的基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，其特征在于，步骤2
‑
1所述建立第i个焊接机器人的感知区域，具体为：感知区域以第i个焊接机器人为中心，包括前向区、侧向区、后向区，其中所述前向区包括左前区和右前区，侧向区包括左侧区和右侧区；所述右前区的区域范围为左前区的区域范围为左侧区的区域范围为后向区的区域范围为右侧区的区域范围为前向区、侧向区、后向区分别设置权值w
f
、w
l
、w
r
，表示各区对焊接机器人行为影响的重要程度。
5.根据权利要求4所述的基于B
‑
APF的多焊接机器人路径优化方法，其特征在于，步骤2
‑
2所述根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，第i个焊接机器人根据其与出现在其感知区域内的其他焊接机器人之间的距离，控制其自身的运动方向，具体为：根据BOID模型建立第i个焊接机器人的反应区域，该反应区域包括以第i个焊接机器人为中心的三个同心圆环，从内至外分别作为排斥区、平行区和吸引区，半径分别为R
r
、R
p
、R
a
；令d表示第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏，史超，刘鑫宇，孟祥慈，张政，王纪潼，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一六研究所，
类型：发明
国别省市：