双焊接机器人及其协同路径规划装置和协同路径规划方法与流程
本发明涉及路径规划技术领域，特别涉及一种双焊接机器人及其协同路径规划装置和协同路径规划方法。
背景技术：
当前，在进行大型设备焊接过程中，涉及到巨量的大型三维复杂焊接构件，存在工人现场焊接劳动强度大，焊接效率低，焊接质量不稳定和用工成本高等问题。
在进行这些大型复杂构件焊接的过程中使用多个智能机器人协作焊接，越来越成为焊接行业发展的趋势。大型三维复杂构件，不仅焊缝种类较多，而且在焊接的过程中，由于工艺的约束，也存在一些特殊焊接方向的焊缝，致使多个机器人协同焊接路径规划作业困难。目前行业内多采用人工离线编程的方式对机器人进行路径规划，焊接机器人焊接效率低，灵活性性较差，因此，迫切的需要设计一种多机器人协同智能焊接路径规划方法。
在机器人焊接自主规划领域，主要分为点焊和弧焊焊接自主路径规划领域。在进行点焊焊接时，国内外专家学者以白车身为焊接对象提出了许多有效的解决方案，有些文献通过将白车身焊点人为的划分为两部分，然后分别采用两台机器人进行焊接，这样就把双焊接机器人路径规划问题转换为单个机器人路径规划问题；某些文献采用分区粒子群算法对焊接机器人的焊点路径进行规划，通过仿真验证了算法的可行性；某些文献采用遗传粒子群算法解决焊接机器人的路径规划问题，仿真结果验证了实用性和可行性；再有一些文献以点焊机器人路径规划为对象，在仅考虑路径长度时可以简化为焊接顺序的优化问题,即旅行商问题.考虑到旅行商问题是np完全问题,且是离散问题，提出一种结合莱维飞行的粒子群算法并对其进行离散化以求解此类路径优化问题。
国内外专家学者在弧焊焊接领域研究较少，在进行手动液压搬运车的焊接路径规划中，通过加入虚拟焊接点将多旅行商问题转化为了单旅行商问题，采用数字和字母相结合的方法进行焊缝编码，然后采用状态转移策略的人工蜂群算法，进行寻优，最终找到了全局最优近似解。随着弧焊焊接需求规模越来越大，弧焊机器人自主路径规划将成为研究热点。
综上可以看出，目前国内外现在的研究大多是针对的是点焊问题的研究，在弧焊焊接自主路径规划领域研究较少，且所针对焊缝种类较少，焊接维度低，难以对存在的特殊焊缝工艺的焊缝进行焊接，因此，本文为了解决在大型三维复杂构件中的存在特殊焊缝的多机器人自主路径规划问题，提出了一种双机器人协同的多阶段寻优方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种双焊接机器人及其协同路径规划装置和协同路径规划方法，可以有效地解决大型三维复杂构件双机器人同步焊接路径规划中存在一些特殊焊缝的焊接约束问题。
为实现上述目的，本发明提供一种协同路径规划方法，应用于大型三维复杂构件，包括：
获取所述大型三维复杂构件的三维模型；
根据应以特定焊接方式焊接的第一焊缝将所述三维模型划分为若干个任务块；
构建在所述三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，全部所述焊缝包括所述第一焊缝和第二焊缝；其中，c≥1，为常数；f(tglobal)为焊接总时长，f(tblock)为全部所述任务块的局部总时长；
根据所述焊接收益度函数f(s)且通过蚁群算法分别得到任一所述任务块中全部焊缝的焊接顺序；
根据所述焊接收益度函数f(s)且通过粒子群算法得到全部所述任务块的加工顺序。
可选地，所述根据应以特定焊接方式焊接的第一焊缝将所述三维模型划分为若干个任务块，包括：
根据一对所述第一焊缝的位置，按照预设顺序划分出包含该对所述第一焊缝的空间范围；
根据每条所述第二焊缝相距于不同所述第一焊缝的距离，确定该条所述第二焊缝所属于相距其最近的所述空间范围，以确定所述任务块包含的所述焊缝。
可选地，所述特定焊接方式包括：第一焊接机器人和第二焊接机器人分别在两侧针对同一焊缝进行同步焊接。
可选地，所述构建在三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，包括：
根据第一焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(a))和第二焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(b))并通过公式
计算得到全部所述任务块的局部总时长f(tblock)；其中：
fλ(da)＝pa(2λ-1)p2λ；
fλ(db)＝pb(2λ-1)p2λ；
f1(na)＝pa2pa3,f2(na)＝pa4pa5,…fλ(na)＝pa(2λ)pa1；
f1(nb)＝pb2pb3,f2(nb)＝pb4pb5,…fλ(nb)＝pb(2λ)pb1；
上式中，fλ(da),fλ(db)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的空载路径距离，fλ(na),fλ(nb)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的焊接距离，pa(b)pb(a)为任一所述焊缝的两个焊接端点的距离，x、y、z分别为任一所述焊缝的一个端点的三维空间坐标，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度；
和/或，
根据公式
f1(h)＝o2o3,f2(h)＝o3o4,…fλ(h)＝oλo1；
式中，tarcwelding为仅用在焊接所述焊缝时的时长，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度，xi、yi、zi分别为任一所述焊缝的断点的空间坐标，其中i＝1、…λ+1，全部所述任务块的始末线段端点集为{o1o2，o3o4…o2λ-1o2λ}。
可选地，所述构建在所述三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，包括：
所述焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))所受到的约束条件为：
当满足所述特定焊接方式时，所述焊缝的长度为1；
当没有焊接约束时，所述焊缝的长度为实际焊缝的长度；
当不满足所述特定焊接方式时，所述焊缝的长度为无穷大。
本发明还提供一种协同路径规划装置，应用于上述的协同路径规划方法，包括：
建模模块：用于获取所述大型三维复杂构件的三维模型；
划分模块：用于根据应以特定焊接方式焊接的第一焊缝将所述三维模型划分为若干个任务块；
公式构建模块：用于构建在所述三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，全部所述焊缝包括所述第一焊缝和第二焊缝；其中，c≥1，为常数；f(tglobal)为焊接总时长，f(tblock)为全部所述任务块的局部总时长；
第一计算模块：用于根据所述焊接收益度函数f(s)且通过蚁群算法分别得到任一所述任务块中全部焊缝的焊接顺序；
第二计算模块：用于根据所述焊接收益度函数f(s)且通过粒子群算法得到全部所述任务块的加工顺序。
可选地，所述划分模块包括：
预划分单元：用于根据一对所述第一焊缝的位置，按照预设顺序划分出包含该对所述第一焊缝的空间范围；
确定单元：用于根据每条所述第二焊缝相距于不同所述第一焊缝的距离，确定该条所述第二焊缝所属于相距其最近的所述空间范围，以确定所述任务块包含的所述焊缝。
可选地，所述公式构建模块包括：
第一构建单元：用于根据第一焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(a))和第二焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(b))并通过公式
计算得到全部所述任务块的局部总时长f(tblock)；其中：
fλ(da)＝pa(2λ-1)p2λ；
fλ(db)＝pb(2λ-1)p2λ；
f1(na)＝pa2pa3,f2(na)＝pa4pa5,…fλ(na)＝pa(2λ)pa1；
f1(nb)＝pb2pb3,f2(nb)＝pb4pb5,…fλ(nb)＝pb(2λ)pb1；
上式中，fλ(da),fλ(db)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的空载路径距离，fλ(na),fλ(nb)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的焊接距离，pa(b)pb(a)为任一所述焊缝的两个焊接端点的距离，x、y、z分别为任一所述焊缝的一个端点的三维空间坐标，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度；
和/或，
第二构建单元：用于根据公式
f1(h)＝o2o3,f2(h)＝o3o4,…fλ(h)＝oλo1；
式中，tarcwelding为仅用在焊接所述焊缝时的时长，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度，xi、yi、zi分别为任一所述焊缝的断点的空间坐标，其中i＝1、…λ+1，全部所述任务块的始末线段端点集为{o1o2，o3o4…o2λ-1o2λ}。
可选地，公式构建模块包括：
约束单元，用以对焊接收益度函数f(s)建立约束条件，
焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))所受到的约束条件为：
当满足特定焊接方式时，焊缝的长度为1；
当没有焊接约束时，焊缝的长度为实际焊缝的长度；
当不满足特定焊接方式时，焊缝的长度为无穷大。
本申请还提供一种双焊接机器人，包括上述任一项的协同路径规划装置。
相对于上述背景技术，本发明针对现有的双焊接机器人焊接规划方法难适用于焊缝种类较多、焊接维度高，且存在特殊焊接约束的大型三维复杂构件焊接问题，本申请根据双侧平角焊缝数量划分了焊缝小块，然后分别采用蚁群和粒子群算法进行该构件的局部与全局路径规划，通过这种多阶段寻优的方法，可以解双焊接机器人焊接大型三维构中存在的特殊焊接约束问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的协同路径规划方法的流程图；
图2为立角焊缝和双侧平角焊缝的示意图；
图3为大型三维复杂构件的简化模型图；
图4为应用图1中的方法选取的任务块的示意图；
图5为图1中的具体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本申请所提供的一种应用于双焊接机器人的协同路径规划方法，应用于大型三维复杂构件，如说明书附图1所示，包括：
s1、获取大型三维复杂构件的三维模型；
s2、根据应以特定焊接方式焊接的第一焊缝将三维模型划分为若干个任务块；
s3、构建在三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，全部焊缝包括第一焊缝和第二焊缝；其中，c≥1，为常数；f(tglobal)为焊接总时长，f(tblock)为全部任务块的局部总时长；
s4、根据焊接收益度函数f(s)且通过蚁群算法分别得到任一任务块中全部焊缝的焊接顺序；
s5、根据焊接收益度函数f(s)且通过粒子群算法得到全部任务块的加工顺序。
需要说明的是，本申请中所涉及到的船舶制造过程中的几种典型大型三维复杂构件，焊缝空间纬度高，焊缝种类多，存在有特殊焊接工艺焊缝如:角焊缝、立角焊缝、双侧平角焊缝等，且均采用弧焊焊接，立角焊缝和双侧平角焊缝有着特殊的焊接方向，为了防止熔渣覆盖，立角焊缝需要从上部往下焊接，为了防止形变，双侧平角焊缝需要从两端同时焊接。在进行大型构件的焊接过程中影响较大的主要有立角焊缝和双侧平角焊缝。如说明书附图2所示，可以看出，本申请所涉及的以特定焊接方式焊接的第一焊缝即为上述立角焊缝和双侧平角焊缝。
两台焊接机器人在焊接双侧平角焊缝时，需要同时从某一条焊缝端点同时行进，并尽可能减少双机器人的相互停等时间，同时还需考虑立角焊缝从下往上焊接的方向约束。
针对上述步骤s1，可以首先在solidwords、pro-e等三维制图软件中将大型三维复杂构件的三维模型构建出来，该大型三维复杂焊缝的简化模型如说明书附图3所示，然后可根据双侧平角焊缝的数量和划分规则给该构件进行焊接小块的划分，在进行该构件的分块划分过程中，为保证焊接质量，本申请采用给每一个焊接小块分配一对双侧平角焊缝，按照焊缝两个端点到双侧平角焊缝距离进行焊缝归属划分。
也即上述步骤s2中，可以首先根据一对第一焊缝的位置，按照预设顺序划分出包含该对第一焊缝的空间范围；
根据每条第二焊缝相距于不同第一焊缝的距离，确定该条第二焊缝所属于相距其最近的空间范围，以确定任务块包含的焊缝。
由于双焊接机器人子进行焊接过程中，焊枪不仅要对每一条焊缝焊接，而且在进行特殊焊缝焊接时应该满足特殊焊缝的焊接方向，因此，该路径规划是一种带有特殊约束的tsp问题。
综上可知，立角焊缝和双侧平角焊缝对构件焊接质量影响最大，其他普通焊缝的焊接顺序和焊接方向的影响可以忽略不计。也因此在评价焊接收益度时要满足这两种约束条件因此，焊接收益度函数为：
式中，c≥1，为常数，f(tglobal)为焊接总时长，f(tblock)为全部任务块的局部总时长，a表示焊缝的焊接顺序几何，b是包含该构件所需焊接焊缝的全部焊接顺序组合的几何。pipj为焊缝两个端点间的长度，当
针对选取划分好的该构件一个任务块的切片进行局部规划展示，该切片的形状及焊缝位置如说明书附图4所示；
在该焊接构件中有n对需要焊接的双侧平角焊缝，在局部寻优的过程中我们假定得到一个任务块λ(λ＝1，2，3…)的两台机器人的实体焊缝焊接顺序，其焊接顺序几何分别为：
{pa1pa2，pa3pa4，…，pa(2λ-1)p2λ}
{pb1pb2，pb3pb4，…，pb(2λ-1)p2λ}
这两个集合中的每个元素都表示一条直线段焊缝的空间距离，由机器人实体段焊接顺序集合，可知其对应焊接空载线段几何集为：
{pa2pa3，pa4pa5，…，pa(2λ)pa1}
{pb2pb3，pb4pb5，…，pb(2λ)pb1}
双焊接机器人局部路径规划耗时函数可描述为：
fλ(da)＝pa(2λ-1)p2λ；
fλ(db)＝pb(2λ-1)p2λ；
f1(na)＝pa2pa3，f2(na)＝pa4pa5，…fλ(na)＝pa(2λ)pa1；
f1(nb)＝pb2pb3，f2(nb)＝pb4pb5，…fλ(nb)＝pb(2λ)pb1；
上式中，fλ(da),fλ(db)分别为第一焊接机器人和第二焊接机器人在任务块中的空载路径距离，fλ(na),fλ(nb)分别为第一焊接机器人和第二焊接机器人在所述任务块中的焊接距离，pa(b)pb(a)为任一焊缝的两个焊接端点的距离。
通过每一焊接小块(任务块)的局部寻优结果，可以得到每个任务块对应焊接耗时最长机器人的每个焊接小块的始末焊接线段，通过进行这些有向线段的路径顺序寻优，可以得到该焊接构件每个任务块全局的焊接顺序，在局部寻优过程中得到的焊接小块始末线段端点集为：{o1o2，o3o4…o2λ-1o2λ}，该构件的全局焊接路径规划函数为：
利用上述公式计算得到焊接总时长f(tglobal)；其中：
f1(h)＝o2o3，f2(h)＝o3o4，…fλ(h)＝oλo1；
式中，tarcwelding为仅用在焊接焊缝时的时长，vk，vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度，xi、yi、zi分别为任一所述焊缝的断点的空间坐标，其中i＝1、...λ+1，全部所述任务块的始末线段端点集为{o1o2，o3o4…o2λ-1o2λ}。
在进行每一个焊接小块的焊接过程，首先进行双侧平角焊缝焊接，然后进行其他焊缝焊接，焊接的过程中要满足双侧平角焊缝和立角焊缝焊接方向约束，这是一个带有约束的tsp问题，由于蚁群算法具有较强的鲁棒性，易于实现并行处理，以及易与其他启发式算法结合等优点，本申请采用蚁群算法进行双焊接机器人局部路径规划。
针对全局的规划，由于粒子群算法收敛速度慢且容易陷入局部最优，采用一种自适应改变遗传和交叉算子的粒子群算法。
式中：pm1和pc1是变异概率和交叉概率的最大值，favg，fmax是每代迭代的平均适应度值和粒子群最大适应度值，f′，f是交叉个体中较大的适应度值和变异个体值。
针对上述步骤s4和步骤s5的具体过程可参考现有技术，本申请将不再赘述。综上，本申请根据简化大型三维复杂构件模型，提取了焊缝坐标信息，建立了双焊接机器人协同路径规划模型。根据双侧平角焊缝数量划分了焊缝小块，然后分别采用蚁群和粒子群算法进行该构件的局部与全局路径规划，通过这种多阶段寻优的方法，为两台焊接机器人规划出了一条耗时最短且满足立角焊缝和双侧平角焊缝焊接方向约束的焊接路径，该双机器人路径规划流程图如说明书附体5所示。
本申请提供的一种协同路径规划装置，应用于上述的协同路径规划方法，包括：
建模模块：用于获取所述大型三维复杂构件的三维模型；
划分模块：用于根据应以特定焊接方式焊接的第一焊缝将所述三维模型划分为若干个任务块；
公式构建模块：用于构建在所述三维模型中的全部焊缝的焊接顺序下的焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))，全部所述焊缝包括所述第一焊缝和第二焊缝；其中，c≥1，为常数；f(tglobal)为焊接总时长，f(tblock)为全部所述任务块的局部总时长；
第一计算模块：用于根据所述焊接收益度函数f(s)且通过蚁群算法分别得到任一所述任务块中全部焊缝的焊接顺序；
第二计算模块：用于根据所述焊接收益度函数f(s)且通过粒子群算法得到全部所述任务块的加工顺序。
可选地，所述划分模块包括：
预划分单元：用于根据一对所述第一焊缝的位置，按照预设顺序划分出包含该对所述第一焊缝的空间范围；
确定单元：用于根据每条所述第二焊缝相距于不同所述第一焊缝的距离，确定该条所述第二焊缝所属于相距其最近的所述空间范围，以确定所述任务块包含的所述焊缝。
可选地，所述公式构建模块包括：
第一构建单元：用于根据第一焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(a))和第二焊接机器人焊接全部所述任务块的所需时长f(tblock(b))并通过公式
计算得到全部所述任务块的局部总时长f(tblock)；其中：
fλ(da)＝pa(2λ-1)p2λ；
fλ(db)＝pb(2λ-1)p2λ；
f1(na)＝pa2pa3,f2(na)＝pa4pa5,…fλ(na)＝pa(2λ)pa1；
f1(nb)＝pb2pb3,f2(nb)＝pb4pb5,…fλ(nb)＝pb(2λ)pb1；
上式中，fλ(da),fλ(db)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的空载路径距离，fλ(na),fλ(nb)分别为所述第一焊接机器人和所述第二焊接机器人在所述任务块中的焊接距离，pa(b)pb(a)为任一所述焊缝的两个焊接端点的距离，x、y、z分别为任一所述焊缝的一个端点的三维空间坐标，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度；
和/或，
第二构建单元：用于根据公式
f1(h)＝o2o3,f2(h)＝o3o4,…fλ(h)＝oλo1；
式中，tarcwelding为仅用在焊接所述焊缝时的时长，vk,vs分别为在未焊接时的空载速度和在焊接时的焊接速度，xi、yi、zi分别为任一所述焊缝的断点的空间坐标，其中i＝1、…λ+1，全部所述任务块的始末线段端点集为{o1o2，o3o4…o2λ-1o2λ}。
其中，公式构建模块包括：
约束单元，用以对焊接收益度函数f(s)建立约束条件，
焊接收益度函数f(s)＝(1/c)^(f(tglobal)+f(tblock))所受到的约束条件为：
当满足特定焊接方式时，焊缝的长度为1；
当没有焊接约束时，焊缝的长度为实际焊缝的长度；
当不满足特定焊接方式时，焊缝的长度为无穷大。
本申请还提供一种双焊接机器人，包括上述任一项的协同路径规划装置；双焊接机器人的其他部分可参考现有技术，本文将不再赘述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的双焊接机器人及其协同路径规划装置和协同路径规划方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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