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基于虚拟现实技术与监控理论的机器人示教系统研究

崔茂源  
【摘要】:制造过程一直是机器人一个传统的应用领域,批量产品的持续生产加工需求为机器人提供了施展才能的舞台。在面向未来制造过程的生产单元中,机器人不仅仅被要求能进行简单的重复工作,更重要的是能作为一个高度柔性、开放并具有友好的人机交互功能的可编程、可重构制造单元融合到制造业系统中。这一能力的实现要求现阶段机器人技术整体的进步,示教技术就是其中重要的一项。 与机器人遥操作进行的任务不同,工业机器人完成的典型任务通常具有重复性,并且经常发生在(部分)已知的环境中。这些任务需要通过机器人示教系统来完成。现有的机器人示教系统可分为三类:示教再现方式、离线编程方式、基于虚拟现实(Virtual Reality, VR)方式。其中,利用VR技术进行机器人示教是机器人学中新兴的研究方向。尽管基于VR的机器人示教研究已经取得了一些有价值的成果,但其实际应用仍然有限。现有的这些系统主要存在下面的一些问题:① 对机器人示教作业过程缺乏有效的监控手段;② 操作员的操作技巧直接影响到机器人完成示教任务的质量。 围绕这些问题,本文开展了基于虚拟现实技术与监控理论的机器人示教系统的研究工作。提出了一种全新的机器人示教思想,即在监督控制的作用下,综合示教再现方式和离线编程方式二者的优点,将现场的传感器感知反馈信息引入到VR系统中,利用在线方式获得几何运动数据,以离线方式对其进行运动规划,使得基于VR的机器人示教系统具有较高的柔性、自主性和可靠性,更容易完成复杂的机器人示教任务。同时,在减轻操作员示教作业负担、简化机器人示教复杂度、缩短示教时间等方面有很好的性能。 主要研究工作体现在以下几方面: 1) 基于VR的机器人示教系统模型研究 WP=111 研究了基于Envision TR的机器人虚拟示教单元的建模与仿真开发方法。在构建VR环境的过程中,以MOTOMAN-K10S 机器人为例,研究在Envision TR环境中建立虚拟对象的三维几何模型、运动学特性、相关的物理约束以及虚拟对象间的碰撞检测的方法。为了使虚拟环境能够如实、准确地反映真实世界中机器人的运动及其与作业对象之间的位姿关系,建立了机器人示教编程的数学计算模型,将计算模型所得到的这个关系送到虚拟环境中,就可以在虚拟环境中建立与真实环境相一致的机器人与作业对象间的运动关系。 在分析机器人运动学误差模型的基础上,结合示教再现方式和离线编程方式各自的优点,在VR生成的虚拟操作环境中引入基于模型的监督控制方法,形成人机共享任务世界的机器人示教模式。克服了使用主从操作和具有局部自主特性的监督控制的机器人示教系统的不足。根据软件工程对数据和程序封装的要求,通过模块化设计实现了面向任务的机器人示教编程,并建立了事件驱动的机器人示教仿真与执行结构。 2)机器人示教系统的反射式运动规划方法研究 为了避免复杂的3D空间无碰撞路径规划过程,本文通过人机交互方式产生了期望的机器人示教路径。根据基于模型的监督控制的机器人示教过程的特点,使用遗传算法对期望的示教路径进行了优化,以便在期望的示教轨迹容许偏差内使机器人具有最大的动态可操作性。 针对以往机器人运动规划研究的不足,提出了基于传感器反馈信息的反射式运动规划方法。该方法由偏差检验与校正、路径插值和运动规划三个模块组成,对每个模块本文给出了设计方法。 ·在偏差检验与校正模块设计中,从提高机器人相对定位精度的角度出发,使用PSD?空间位姿定位系统实时检测示教过程中机器人末端执行器相对于工件的位姿,实现了示教过程中相对偏差的检测。在此基础上,使用适合于具有重复运动性质的被控对象的迭代学习控制,对偏差进行校正,给出了实现偏差校正的外部闭环控制结构。 ·在路径插值模块设计中,为了控制机器人示教路径严格通过每一个示教点,并且保证运动路径的连续性,采用分段三次样条插值来拟合离散的示教路径点,得到了连续的机器人运动路径。 ·在运动规划模块设计中,为了使机器人在满足运动约束的条件下到达目标点的运动时间最短,通过动态规划的方法求解这一时间最优问题,得到 WP=112 了不同时刻下的机器人速度最优分布。 在此基础上,通过仿真实验验证了各功能模块设计的合理性。 3)基于VR的机器人示教系统的监督控制方法研究 利用离散事件系统的监督控制理论,对基于模型的监督控制的机器人示教过程中人机交互问题进行了形式化分析,提出了机器人、监控器、操作员分布式交互合作的监督控制结构,将反射式运动规划方法融于监督控制理论体系中。在这种监督控制结构中,将操作员和机器人被控对象看作两个不同模块的被控对象,共同接受监控器的管理。操作员的命令被处理成一类特殊的不能控事件,使用输入/输出(I/O)监督控制模式同步操作员、监控器、机器人的行为。这种处理方式极大地简化了监控器设计的复杂性。 根据这种监督控制结构,本文对基于模型的监督控制的机器人示教过程进行了离散事件过程建模与监控器设计。最终实现了操作员监视下的机器人示教系统的监督控制,保证了机器人示教过程的安全性与可靠性。 4)面向工业弧焊过程的基于VR的机器人示教原型系统设计


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