遥控机器人焊接技术优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：根据操作者在系统中的作用将遥控焊接机器人的运动控制模式分为直接控制、监督控制、共享控制、合作控制、自主控制。图5-5-30 多控制模式的遥控焊接机器人系统研究人员提出“宏观遥控，局部自主”的控制思想来实现遥控焊接。

遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，进而完成全部焊接工作。在核电站设备维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接。这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场，而目前技术水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。遥控焊接可以发挥和利用人的高智能与机器人高超的执行能力，灵活性强。

图5-5-26 多机器人系统的硬件网络结构

遥控焊接提出有30余年的历史，目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，图5-5-27是英国通用机器人公司1999年研制成功的ARM水下机器人系统，用于清理和监视水下复杂结构焊缝，进行焊接修复操作。该遥控机器人具有6自由度的机械臂与可调姿态和焦距的摄像机装在远程操作载体上，其焊接系统设计了直接手动控制、增强手动控制、半自主控制及全自主控制4种工作模式，成功地进行了水下焊缝检测、焊接及打磨工作。

遥控焊接存在以下难点：

1）控制参数多，有跟踪位置、弧长、速度、姿态等。

2）参数的控制精度要求高，对焊枪位置和速度的控制尤其重要。

3）控制的实时性要求高。

4）焊枪和工件表面没有接触，焊接过程不能采用力觉传感。

5）信息反馈依赖视觉，而弧光影响视觉反馈效果。

6）需要适合焊接特点的操作器控制方法。

遥控焊接涉及的关键技术如图5-5-28所示。

图5-5-27 遥控焊接水下机器人系统

图5-5-28 遥控焊接涉及的关键技术

遥控焊接的运动控制模式的发展集中在自主系统、操作者和机器人之间合理分配机器人的控制权上。遥控焊接中人的智能参与程度与机器人自主级别之间的关系如图5-5-29所示，随着操作者智能参与的增加，系统自主级别降低。根据操作者在系统中的作用将遥控焊接机器人的运动控制模式分为直接控制、监督控制、共享控制、合作控制、自主控制。

在遥控焊接任务执行过程中，在不同的阶段需要在操作者和智能系统之间采用不同的智能控制方式。在任务下达、任务分解、任务规划过程中以操作者为主，通过操作者与人机接口的交互完成。任务执行过程中，以机器人和传感子系统为主，通过自动控制、自主控制和共享控制完成，操作者进行宏观监控。整个任务的完成过程中，操作者手动控制命令始终保持在系统中，随时调整焊接参数和焊枪位置、姿态，对意外事件的处理和系统恢复由机器人和操作者之间协作完成。

图5-5-29 人的智能参与和机器人的自主级别之间的关系

图5-5-30是哈尔滨工业大学开发的多控制模式遥控焊接机器人系统。操作者和6自由度弧焊机器人位于遥操作系统两端，系统包括遥操作子系统、激光视觉传感系统、虚拟环境规划与控制系统、视觉临场感系统、弧焊机器人子系统、网络通信子系统和焊接附属设备。各个模块相互独立，能够完成一部分子任务，通过相互组合协作，完成整个遥控焊接过程。该机器人具有5种作业模式：直接控制、遥控示教、共享控制、基于虚拟环境的监督控制和自主控制。

图5-5-30 多控制模式的遥控焊接机器人系统

研究人员提出“宏观遥控，局部自主”的控制思想来实现遥控焊接。将远端焊接机器人与焊枪/焊炬的运动空间划分为3个区域：自由运动区、受限运动区、焊接区，如图5-5-31所示，在自由运动区时，焊接机器人由操纵杆或者空间鼠标引导，向焊接目标作高速运动，此时通过视觉信息反馈进行避障，焊枪姿态变化小，系统平稳；当到达受限运动区时，由于焊缝周围的障碍物存在，需要减慢机器人的运动速度，向焊缝空间上方移动，此时通过视觉反馈信息寻找焊缝的起始点，判断障碍物类型和焊缝类型；当到达焊接区时，即焊缝起始点正上方的50mm左右处，以较小的运动速度平稳进入焊接区。即在自由运动区采用高速宏观导引，受限运动区采用低速导引定位，焊接区采用自主跟踪控制、自动控制或者共享控制等控制模式控制机器人及焊枪的运动。

图5-5-31 远端焊枪的运动空间划分

1—自由运动区 2—受限运动区 3—焊接区

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