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《哈尔滨工业大学》 2010年
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面向核环境管道维修的多智能体遥控焊接系统研究

董娜  
【摘要】: 焊接技术在国民经济建设和社会发展中发挥着无可替代的重要作用。在核电站设备修复、海洋工程的水下施工和海底管道的维修、空间站建设和维护等极限环境中需要执行焊接任务时,由于核辐射、水下压力、缺氧、微重力等因素,需要采用遥控焊接技术,利用远端遥操作机器人等装备代替操作者完成焊接任务。本文针对核环境管道维修任务,提出基于管道替换维修方案的机器人遥控焊接系统集成方法,利用多智能体技术完成管道装配、焊接等任务,为遥控焊接技术在极限环境管道维修领域的实际应用奠定基础。 根据核环境管道服役特点,设计了“以新替旧”的管道维修方案。针对遥控焊接任务,对现有遥控焊接技术进行集成,建立了机器人多智能体系统框架。利用多智能体技术,对原有遥控焊接子系统进行了智能体封装,根据不同子系统在遥控焊接中的作用特点,分别封装为:复合型智能体、反应型智能体、慎思型智能体、基于效果的智能体和基于目标的智能体。对智能体进行了内部数据库的设计,并采用黑板通信机制,基于TCP/IP协议的局域网,选择WinSock作为编程接口,实现了智能体之间的通信。为了多智能体系统的组织和协调,进行了智能体集成的总体设计,根据遥控焊接的特点,对功能交叉的智能体进行联盟组织,形成了分层组织的智能体结构体系。智能联盟内智能体的评价根据智能体联盟策略的效用划分算法进行计算。 根据机器人多智能体系统框架,建立了专用于小口径管道全位置焊接的管道遥控焊接智能体和遥操作机器人通用转换接口。采用模块化的设计方法,进行管道焊接设备设计,分为机械传动模块、气动夹紧模块和焊枪微调模块。通用转换接口由自适应接口盘、与机器人腕部相连的主动端口、与作业工具相连接的被接端口、电连接器、气路接口五部分组成。利用电弧电压与电弧长度之间良好的线性关系,实现了焊接过程中弧长的稳定控制。对管道遥控焊接智能体进行了封装,将全位置管道焊接装置封装为慎思型智能体;对智能体内核赋予知识,通过网络通讯实现智能体之间的连接,并设计了人机操作界面。 根据多智能体的协调技术和遥控焊接的特点,建立了中央管理智能体。中央管理智能体属于软件智能体,为智能体的运作、协调和通信提供了平台,同时,这种软件层次的设计为操作者智能体融入系统提供了友好的人机接口和界面。 对遥控焊接多智能体系统的冗余性进行分析,提出基于多智能体协作合同网技术的智能体竞争机制,给出智能体协作合同网算法。采用基于人机交互的模糊评价算法进行智能体能力的评价,将智能体的执行效率、执行结果和操作者的意见通过去模糊化处理,存贮在智能体经验库中。为了进行多智能体运作过程的监督和记录,建立了测试模块,并将测试模块集成在中央管理智能体的人机交互界面上,便于进行记录。由于测试模块设计的独立性,可将其任意集成在其它智能体的封装界面上,并可针对不同的测试过程和目的进行改进,使其测试过程操作方便。 设计了任务管理智能体,能够对焊接执行过程中的任务进行分解。总体任务可以划分为若干子任务,每个子任务又可再继续划分为子子任务,使得复杂的任务简单化。提出直接分配、委托分配和竞价分配的任务分配策略,为任务、子任务、子子任务等分配可用智能体资源。利用慎思型智能体封装技术,对任务管理智能体进行封装,并设计了任务智能体的联盟和人机交互界面。 智能体功能的完善性是保证智能体系统进行正常工作的基础,针对管道遥控焊接智能体进行了焊枪旋转同心度、焊枪调节、焊枪性能等一系列实验。实验结果表明,管道全位置焊接设备能够完成小口径管道的全位置自动焊接,可满足遥控焊接系统的要求。 根据多智能体系统遥操作策略建立了PTP自动遥操作和手动主从式智能体联盟。针对遥控焊接任务中的遥操作机器人与焊接工具连接过程,验证了智能体联盟的冗余性竞争协调性,利用执行效率和执行过程中力和力矩的变化评价智能体联盟的执行效果。针对管道装配过程,对主从遥操作的主手硬件冗余性协调进行了验证,实验结果表明,中央管理智能体能够记录智能体的执行效果,执行效率、定量测量结果和操作者的经验都能在智能体经验库中得以体现。 利用机器人多智能体遥控焊接系统完成了管道维修遥控焊接实验,包括全位置管道焊接智能体与遥操作机器人智能体的对接操作、管道焊接智能体与管道装配操作、管道焊接、管道焊接智能体拆卸操作。实验结果表明采用多智能体技术进行遥控焊接机器人系统的集成是可行的,能够实现核环境管道遥控焊接。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG409

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