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        雙焊接機(jī)器人協(xié)同路徑規(guī)劃研究*

        2019-07-01 10:59:38張瑞星李秀娟
        關(guān)鍵詞:雙機(jī)焊點(diǎn)極值

        張瑞星,李秀娟,高 喚

        (河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,鄭州 450000)

        0 引言

        焊接是汽車生產(chǎn)的主要工藝之一,其質(zhì)量的高低會(huì)直接影響車身的性能。白車身作為汽車其它零件的載體[1]共有上千個(gè)焊點(diǎn),單機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法快速的完成如此復(fù)雜的焊接任務(wù),因此雙機(jī)器人系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展。文獻(xiàn)[2]針對(duì)雙機(jī)同步焊接問(wèn)題,引入虛擬焊點(diǎn)將多個(gè)旅行商問(wèn)題(Multiple Traveling Salesman Problem,MTSP)轉(zhuǎn)換為旅行商問(wèn)題(Traveling Saleman Problem,TSP),建立雙機(jī)同步焊接模型;文獻(xiàn)[3]針對(duì)白車身雙機(jī)同步焊接路徑規(guī)劃問(wèn)題,采用柵格法建立同步焊接模型。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作節(jié)拍的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及雙機(jī)的互索設(shè)計(jì),完成了雙機(jī)協(xié)同控制。文獻(xiàn)[5]以雙機(jī)對(duì)稱焊接為例,提出了雙機(jī)協(xié)調(diào)鏡像運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)軌跡方法。

        傳統(tǒng)焊接路徑規(guī)劃大都是基于技術(shù)人員的示教操作,這種方法不僅周期長(zhǎng)且很難得出最優(yōu)路徑。隨著人工智能的迅猛發(fā)展,目前已經(jīng)提出了許多智能算法并將其應(yīng)用到焊接機(jī)器人的路徑規(guī)劃中。文獻(xiàn)[6]以生產(chǎn)節(jié)拍為約束條件,采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[7]提出了一種結(jié)合萊維飛行的粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)來(lái)求解焊接任務(wù)。文獻(xiàn)[8]以最短無(wú)碰撞為焊接約束條件,提出遺傳粒子群優(yōu)化算法解決焊接機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]以時(shí)間最短為約束條件,提出了遺傳混沌粒子群優(yōu)化算法來(lái)解決焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題,能夠快速的得到全局最優(yōu)解。

        蟻群算法(Ant Colony Optimization,ACO)是Marco Dorigo[10]提出的一種具有正反饋調(diào)節(jié)能力的啟發(fā)式算法。針對(duì)該算法的存在的問(wèn)題,學(xué)者們提出了很多改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[11]提出了對(duì)傳統(tǒng)蟻群算從概率計(jì)算、最優(yōu)路徑二次優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn),增強(qiáng)了算法的魯棒性與快速收斂性。文獻(xiàn)[12]在蟻群算法的啟發(fā)函數(shù)中引入人工勢(shì)場(chǎng)思想的引力系數(shù)和避障系數(shù),提高了算法的收斂速度。文獻(xiàn)[13]引入約束因子,改進(jìn)信息素的更新規(guī)則,加強(qiáng)了算法的全局搜索能力。文獻(xiàn)[14]提出一種基于蟻群的并行協(xié)同算法,通過(guò)使用3-opt算法避免陷入局部最優(yōu),增強(qiáng)了算法的全局搜索能力。文獻(xiàn)[15]提出了一種新的增強(qiáng)信息素更新機(jī)制,增強(qiáng)了未使用過(guò)的信息素,利用動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行路徑優(yōu)化,提高了全局搜索能力。

        由上述分析可知,解決雙機(jī)協(xié)同焊接的核心就是正確建立協(xié)同焊接模型,本文選擇MTSP作為焊接的數(shù)學(xué)模型。改進(jìn)ACO算法的主要方式是提升算法的收斂速度和全局搜索能力。本文針對(duì)ACO算法和PSO算法進(jìn)行分析,提出了一種基于蟻群粒子群的融合算法求解MTSP問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法對(duì)于求解組合優(yōu)化問(wèn)題能夠得到更優(yōu)解。

        1 問(wèn)題描述

        對(duì)于多機(jī)協(xié)同作業(yè),在不考慮焊接工藝的前提下,可將其抽象為MTSP問(wèn)題。MTSP問(wèn)題是指給定N個(gè)城市的集合,M個(gè)商人分別從各自所在的城市出發(fā),每一個(gè)商人走一條線路,使得每一個(gè)城市有且只有一個(gè)商人訪問(wèn)過(guò),最后商人們返回出發(fā)的城市,要求商人所走的路徑之和最短。解決MTSP問(wèn)題的核心思想是對(duì)待優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行帶約束條件的分組,令MTSP問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的TSP問(wèn)題。本文構(gòu)建的TSP模型為:

        (1)

        其中,Ld為路徑長(zhǎng)度;di,i+1為城市間的距離。

        2 融合算法

        2.1 蟻群算法的原理與改進(jìn)

        2.1.1 基本蟻群算法

        (2)

        其中,ηij(t)=1/dij為啟發(fā)函數(shù);allowk為螞蟻k未訪問(wèn)城市的集合;α為信息度濃度重要因子;β為啟發(fā)函數(shù)重要程度因子。當(dāng)蟻群完成一次循環(huán)后,城市之間的信息素將會(huì)更新,更新公式為:

        (3)

        (4)

        其中,Q為常數(shù);Lk為本倫循環(huán)最短路徑。

        2.1.2 蟻群算法的改進(jìn)

        由于未對(duì)信息素濃度閾值進(jìn)行設(shè)定,當(dāng)多次循環(huán)后,信息素會(huì)聚集在幾條相對(duì)較短的路徑上,這些路徑不一定是全局最優(yōu),有可能是局部最優(yōu)解。為避免上述問(wèn)題的發(fā)生,本文針對(duì)蟻群算法的缺點(diǎn),提出了一種基于災(zāi)變策略的最大最小螞蟻算法(Catastrophe Max Min Ant,CMMA),具體實(shí)現(xiàn)如下:

        (1)增加信息素濃度的閾值。在初始時(shí),設(shè)置信息素濃度的上限max_ph與下限min_ph;設(shè)置信息素的初始濃度τ0=max_ph。

        (2)更改狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則。設(shè)常數(shù)p0,若rand>p0則按照公式(3)更新,若rand

        (5)

        (3)加入精英蟻群思想。將上次循環(huán)中的最優(yōu)路徑替換掉本次循環(huán)中的最劣路徑,使得優(yōu)秀信息可以保留。

        (4)改變信息素更新規(guī)則。每次循環(huán)只允許最優(yōu)路徑參與信息素更新,令當(dāng)前最優(yōu)與歷史最優(yōu)路徑交叉參與,完成信息素的一次更新,新的信息素增量公式為:

        (6)

        其中,Lk_best為歷史最短路徑;N為當(dāng)前迭代次數(shù)。本次循環(huán)找出最優(yōu)路徑的螞蟻為第i只,以信息素矩陣的第i行為藍(lán)本進(jìn)行信息素閾值更新,通過(guò)閾值完成信息素二次更新,信息素閾值的更新公式:

        (7)

        (5)災(zāi)變操作。若連續(xù)C次歷史最短路徑未發(fā)生變化,則進(jìn)行災(zāi)變操作,將信息素矩陣重置。

        (6)若達(dá)到結(jié)束條件則停止循環(huán),否則重復(fù)上述過(guò)程。

        2.2 粒子群算法的原理與改進(jìn)

        2.2.1 基本粒子群算法

        在M維的空間里,n個(gè)粒子組成粒子群X,X=(X1,X2,...,Xn),第i個(gè)粒子為一個(gè)M維的向量Xi,Xi=(x1,x2,...,xM),表示粒子在M維空間中的位置,即一個(gè)待優(yōu)化問(wèn)題的可行解。粒子X(jué)i的速度為Vi;其個(gè)體極值為Pi,表示第i個(gè)粒子的歷史最優(yōu)值;粒子群的群體極值為Pg,表示當(dāng)前粒子群中的最優(yōu)值。

        粒子群算法的核心思想是在每次循環(huán)過(guò)程中,通過(guò)個(gè)體極值與群體極值跟蹤粒子的速度與位置,使粒子的位置不斷向最優(yōu)解靠近,計(jì)算公式:

        (8)

        其中,ω為慣性權(quán)值,決定當(dāng)前粒子速度對(duì)下次粒子速度的影響程度;k為當(dāng)前的迭代次數(shù);c1、c2為屬于[0,1]的常數(shù),分別決定了當(dāng)前個(gè)體極值與群體極值對(duì)下次粒子速度的影響程度。

        2.2.2 粒子群算法的改進(jìn)

        粒子群算法與其他智能算法相比,有著收斂迅速這一鮮明特點(diǎn),但是粒子算法有著諸多不足,其中最為突出的是無(wú)法解決離散問(wèn)題與易“早熟”。為解決上述問(wèn)題本文提出一種混沌粒子群遺傳算法(Chaos Particle Swarm Genetic,CHPG)。

        (1)生成混沌種群

        常見(jiàn)的混沌映射有一維logistic映射、二維Henon映射、三維Lorenz映射等。其中l(wèi)ogistic映射被廣泛的使用,本文使用的就是logistic混沌映射,logistic混沌映射的更新公式:

        Xn+1=Xnμ(1-Xn)

        (9)

        其中,X為(0,1)的隨機(jī)數(shù);μ為[0,4]的隨機(jī)數(shù)?;煦绶N群的產(chǎn)生過(guò)程如下所示:

        1)設(shè)問(wèn)題規(guī)模n,隨機(jī)生成一個(gè)可行解X,X=(x1,x2,...,xn);

        2)將X歸一化,使結(jié)果映射到[0,1]之間,轉(zhuǎn)換公式如下所示,其中ε為常數(shù):

        (10)

        3)根據(jù)公式(9),生成序列Z對(duì)應(yīng)的混沌序列ZCH。將混沌序列中的元素按從大到小排序,此時(shí)混沌元素對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽組成的元素就是一個(gè)混沌粒子;

        4)根據(jù)種群規(guī)模重復(fù)上述過(guò)程m次,即可得到種群規(guī)模為m的混沌種群。

        (2)交叉、變異的融合

        引入遺傳算法的交叉、變異策略克服粒子群算法無(wú)法解決離散問(wèn)題的缺點(diǎn);引入混沌種群,通過(guò)多種群信息交換,克服粒子群算法“早熟”的缺點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示:

        1)種群交叉:設(shè)粒子群為pop1,混沌種群為pop2,將兩個(gè)種群交叉生成新的種群child1、child2。若子代優(yōu)秀則更新父代;

        2)群體極值交叉:pop1、pop2分別與各自的群體極值交叉,生成新的種群child1、child2。若子代優(yōu)秀則更新父代;

        3)一次變異:對(duì)于pop1、pop2中的每個(gè)粒子,分別選擇兩個(gè)交叉位,交換交叉位上的元素,生成新的種群child1、child2,若子代優(yōu)秀則更新父代;

        4)二次變異:對(duì)于pop1,pop2中的每個(gè)粒子,分別選擇兩個(gè)交叉位,翻轉(zhuǎn)兩個(gè)交叉位之間的元素,生成新的種群child1、child2。若子代優(yōu)秀則更新父代;

        5)找出最短路徑。找出上述child1、child2的群體極值,進(jìn)行比較找出最短路徑;

        6)災(zāi)變操作。若連續(xù)C次歷史最短路徑未發(fā)生變化時(shí),則進(jìn)行災(zāi)變操作,即重新生成pop1、pop2兩個(gè)種群;

        7)若達(dá)到結(jié)束條件則停止循環(huán),否則重復(fù)上述過(guò)程。

        2.3 融合算法思想

        融合算法(Chaos Ant Particle Genetic,CHAPG)的核心思想就是充分的利用蟻群算法的正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。令經(jīng)過(guò)優(yōu)化的路徑參與信息素的更新,在正反饋調(diào)節(jié)的作用下,指導(dǎo)蟻群在下一次循環(huán)中建立優(yōu)秀的可行解空間,具體的操作如下:

        (1)初始化算法參數(shù);

        (2)在改進(jìn)后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則的指導(dǎo)下構(gòu)建解空間pop1,依據(jù)上述混沌種群的生成規(guī)則,構(gòu)建解空間pop2;

        (3)分別計(jì)算pop1、pop2的群體極值;

        (4)進(jìn)行種群交叉、群體極值交叉、一次變異操作、二次變異操作;

        (5)計(jì)算經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的兩個(gè)種群的群體極值,并找出最優(yōu)解;

        (6)對(duì)pop1進(jìn)行精英操作,將上次循環(huán)中pop1的最優(yōu)路徑代替本次循環(huán)中pop1中的最劣路徑;

        (7)判斷是否滿足災(zāi)變條件,若滿足則初始化信息素與pop2;否則,令經(jīng)優(yōu)化過(guò)的路徑參與信息素的更新,在改進(jìn)后的信息素增量規(guī)則的指導(dǎo)下更新信息素,完成信息素一次更新,更新信息素的閾值,利用閾值再次更新信息素,完成信息素二次更新;

        (8)若達(dá)到結(jié)束條件則停止循環(huán),否則返回到步驟(2)繼續(xù)循環(huán)。

        3 算法的設(shè)計(jì)與仿真

        3.1 算法設(shè)計(jì)

        根據(jù)上述算法的工作原理,本文所提出的算法流程圖如圖1所示。

        圖1 CHAPG算法流程圖

        3.2 MATLAB 仿真與分析

        為驗(yàn)證本文所提出CHAPG算法的有效性,在TSPLIB標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選擇不同樣本進(jìn)行驗(yàn)證,與ACO、CMMA、CHPG算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到的驗(yàn)證結(jié)果如表1~表3所示。

        表1 Eil51試驗(yàn)結(jié)果

        表2 Eli101試驗(yàn)結(jié)果

        表3 Ch150實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖4 雙機(jī)器人焊接工作站

        上表中分別列出了4種算法在不同樣本集下運(yùn)行10次結(jié)果。在不同樣本試驗(yàn)中,ACO算法與其他3種算法相比,均陷入了局部最優(yōu),無(wú)法進(jìn)行全局搜索;CMMA算法取得了較好全局最優(yōu)解,但是搜索時(shí)間過(guò)長(zhǎng);CHPG在最優(yōu)解與搜索時(shí)間上取得了較好的結(jié)果,但是算法的魯棒性較差;CHAPG算法在5種指標(biāo)中均取得了較好的結(jié)果,體現(xiàn)出了CHAPG算法良好的性能。試驗(yàn)表明CHAPG算法在處理不同規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)均擁有良好的全局搜索能力與快速收斂能力。

        4 雙機(jī)協(xié)同

        對(duì)于雙焊接機(jī)器人系統(tǒng),不僅需要最短路徑為準(zhǔn)則,還需要增加一些約束條件,確保焊接的同步性,具體做法如下所示。

        圖5 焊點(diǎn)可達(dá)性分析

        (1)根據(jù)焊點(diǎn)數(shù)據(jù)與機(jī)器人TCP之間的歐氏距離的大小進(jìn)行焊點(diǎn)的初次分配。S1、S2分別為焊點(diǎn)到與機(jī)器TCP距離的集合,若S1

        (2)分別計(jì)算出R1、R2對(duì)應(yīng)的焊接距離L1、L2,計(jì)算L1與L2之間的差值,若小于常數(shù)D則跳出循環(huán),否則繼續(xù)。

        圖2 協(xié)同算法流程圖

        圖6 干涉性檢查

        (3)S12為R1的TCP到n2的距離由小到大的集合,S21為R2的TCP到n1的距離由小到大的集合。若L1>L2,則將S21中最小值對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)添加到n2中;若L2>L1,則將S12中最小值對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)添加到n1中,完成焊點(diǎn)的更新,否則,跳轉(zhuǎn)到(2)繼續(xù)循環(huán)。

        根據(jù)上述算法的工作原理,本文所提出的協(xié)同算法的流程圖如圖2所示。

        5 ROBCAD仿真

        5.1 雙機(jī)器人路徑規(guī)劃

        以某汽車白車身一側(cè)為例,共192個(gè)焊點(diǎn);CHAPG算法的參數(shù)設(shè)置如下:m=192,n=50,α=1,β=5,θ=0.1,設(shè)置迭代次數(shù)為200,在MATLAB中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得到的路徑如圖3所示。

        圖3 雙機(jī)器人路徑規(guī)劃(mm)

        5.2 建立三維模型

        將在CATIA中建立的白車身數(shù)模,導(dǎo)入ROBCAD中;將焊點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入在白車身上;在ROBCAD中建立雙機(jī)器人工作站,如圖4所示。

        5.3 焊點(diǎn)可達(dá)性分析

        將導(dǎo)入的焊點(diǎn)映射到白車身這一過(guò)程中,焊點(diǎn)自身的坐標(biāo)系是隨機(jī)生成的,標(biāo)準(zhǔn)的焊點(diǎn)坐標(biāo)系是z軸垂直向上,x軸是向著焊槍的方向。對(duì)于點(diǎn)焊機(jī)器人來(lái)說(shuō),由于關(guān)節(jié)角的限制,機(jī)器人都有著自己的工作空間,因此必須通過(guò)ROBCAD的Spot模塊進(jìn)行可達(dá)性分析,如圖5所示,當(dāng)焊點(diǎn)坐標(biāo)的x軸在藍(lán)色區(qū)域則表明該機(jī)器人可以到達(dá)該焊點(diǎn),當(dāng)在紅色區(qū)域時(shí),則表示無(wú)法到達(dá)該焊點(diǎn)。依次調(diào)整焊點(diǎn)坐標(biāo)系,確保每一個(gè)焊點(diǎn)都在對(duì)應(yīng)機(jī)器人的工作空間。

        5.4 機(jī)器人干涉檢查

        對(duì)于多機(jī)器人協(xié)同路徑規(guī)劃,一般都會(huì)存在干涉情況,因此需要通過(guò)使用ROBCAD中的Collision Setup模塊進(jìn)行干涉檢查,找出發(fā)生干涉的位置。對(duì)于大多數(shù)發(fā)生干涉的位置,只需要通過(guò)調(diào)整焊點(diǎn)的坐標(biāo)系或者機(jī)器人的姿態(tài)就可以。如圖6所示,x軸的方向朝向車身,當(dāng)焊槍進(jìn)行焊接時(shí)會(huì)與車身發(fā)生干涉,旋轉(zhuǎn)焊點(diǎn)坐標(biāo)系,使焊點(diǎn)的x軸離開(kāi)車身。對(duì)于一些特殊情況,不能通過(guò)上述方法進(jìn)行調(diào)解時(shí),可以通過(guò)增加過(guò)度焊點(diǎn)的方法解決。適當(dāng)?shù)脑黾舆^(guò)渡焊點(diǎn),可以使焊槍避開(kāi)工件或夾具。

        6 結(jié)論

        利用焊點(diǎn)與機(jī)器人TCP之間的歐式距離關(guān)系將焊點(diǎn)進(jìn)行分配,將MTSP問(wèn)題轉(zhuǎn)換為T(mén)SP問(wèn)題,依靠焊接路徑之間的關(guān)系不斷更新焊點(diǎn),確保多機(jī)器人協(xié)同工作的同步性;在ACO算法中加入精英思想,改變狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則與信息素更新方式,增加了算法的全局收縮能力;引入混沌總?cè)?,加入GA算法的進(jìn)化思想,提高了算法的快速收斂能力。通過(guò)MATLAB的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文所提出的CHAPG算法在求解組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)比ACO算法、CMMA算法、CHPG算法、CHPG算法具有更佳的效果。在ROBCAD平臺(tái)上進(jìn)行雙機(jī)器人協(xié)同焊接仿真實(shí)驗(yàn),解決了可達(dá)性與干涉性等在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提高了焊接效率。

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