机器人焊接技术教案-教学文稿.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机 器 人 焊 接 技 术,第二部分,张广军 教授,讲课内容,2,第五章 机器人遥控焊接（,4,学时）,遥控焊接概念、现状、运动控制、关键技术、实例,第六章 焊接机器人的应用（,4,学时）,概述、应用基础、配置、系统集成、实例、增材制造,3,第五章 机器人遥控焊接技术,第一节 概述（,1,学时）,第二节 遥控焊接的运动控制方法（,1,学时）,第三节遥控焊接中的关键技术（,1,学时）,第四节遥控焊接实例（,1,学时）,第一节 概述,4,遥控焊接,1.,遥控焊接的背景,辐射环境：核电站,水下检测：检测和修理,航空领域：火星探索,化工和石油工程,外科手术,救火,自然灾害,共同特点：,对人危险或人达不到的环境；,还需要焊接、检验、维修等操作。,第一节 概述,5,遥控焊接,1.,遥控焊接的背景,大陆仍有,28,台机组处于建设中，总装机容量达,3156,万千瓦。,到,2030,年非化石能源占一次能源消费比重提高到,20%,左右,2013,年核电发电量占全国发电量的,2.11%,第一节 概述,6,遥控焊接,1.,遥控焊接的背景,2004,年，日本关西电力公司的美滨核电站,3,号机组涡轮室发生蒸气泄漏。涡轮机房内直径约,50,厘米的,配水管道出现漏洞,。,2008,年，日本受日本西北部,16,日发生的强地震影响，刈羽核电站发现,50,起故障，包括火灾、水和油料泄漏以及,管道破损,。,2005,年，英国塞拉菲尔德核电站下属的索普核燃料再处理厂发生严重的核泄漏事故，约,83,立方米、,20,吨放射性物质沿着,破裂的管道,流出,第一节 概述,7,遥控焊接,2.,遥控焊接的概念,自动焊接,:,人仅参与设定参数、启动、停止自动设备，用焊接装,置完成全部预定焊接操作。,自主焊接,:,人不参与控制而焊接过程中设备又能够根据具体情况,自行调整控制参数。,遥控焊接,:,使比较成熟的机器人技术与人的智能相结合。这样的,焊接系统可以发挥人的焊接经验和技术，灵活性强。,遥控焊接既有别于僵硬的,专用设备焊接,又有别于,理想的机器人自主焊接,。严格含义的,遥控焊接,应该是,有人参与焊接,过程，这样焊接系统具有相当的,柔性,，从而更具对环境的,适应性,。,“,人不进入现场的焊接,”，“人”,+,“机器人”的焊接。,第一节 概述,8,遥控焊接,2.,遥控焊接的概念,目前机器人的智能水平难以完成非结构化环境的全自主焊接,机器人遥操作的研究目前主要集中在空间环境、水下环境、核环境下的抓取、装配等领域,遥控焊接的特点要求采用遥操作,操作复杂,控制参数多,需要高操作技能,焊接过程要求较高的跟踪精度,焊枪和工件表面没有接触，不能采用力觉传感,信息反馈依赖视觉，而弧光影响视觉反馈效果,需要研究以灵活操作性能的焊接机器人为中心的焊接遥操作,第一节 概述,9,遥控焊接,2.,遥控焊接的概念,现场硬件,运动生成方法,人的作用,使用条件,特点,状态,专用自动设备,自动,不参与,简单接头,工件批量,仅用于生产,应用,操作器,专用设备,操作器放置,专用设备产生,事先调整操作器,简单接头,仅用于维修特定接头,应用,操作器宏观运动，专用设备微观调整,控制专用设备,接头可有一定变化,略具灵活性,个别应用,操作器,通用工具,示教再现,遥控示教,通用,效率低,研究,全人工遥控,掌握焊枪,通用,可发挥人的技术,研究,部分自主,部分运动控制,通用,发挥人机各自特长,研究,机器人通用工具,全自主,不参与,通用,理想系统,研究,第一节 概述,10,遥控焊接,2.,遥控焊接的概念,远距离控制机器人操作，操作者在本地端的人机接口发送指令，通过通讯系统传给远端机器人系统,，,使现场的事物发生运动变化,感知,交互,第一节 概述,11,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,机器人遥操作的发展,分为三个阶段：主从遥操作，监控遥操作和临场感遥操作。,主从遥操作的传感和控制由操作者本身掌握，其包含在底层控制环中参与控制全过程,20世纪50年代，第一台主从遥控机械手在美国,Argonne,实验室诞生,监督控制把主从遥操作的一个控制环分解为外环与内环,1993年，,T.B.Sheridan,提出大时延下采用监控遥操作的解决方案。,Backes,给出机器人遥操作的监督控制与共享控制的实现方法。,20世纪80年代，提出临场感概念和实现方法，能够使操作者在本地端产生,“,身临其境,”,的感觉。,80年代中后期，出现了带立体视觉显示和力反馈手套的临场感遥操作系统,第一节 概述,12,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,1954,年，美国,ANL,伺服型主从遥操作机械手,1945,年美国,ANL,操纵加热室中放射性核燃料第一套主从遥操作机械手,机械式,伺服式,第一节 概述,13,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,项目1：德国宇航中心(,DLR),的空间机器人搭载实验(,ROTEX),系统由,G.Hirzinger,等实现,关键技术包括：,立体视觉显示,预测图形仿真,二级建模技术,基于传感器的预测编程,遥编程,共享控制,ROTEX,空间机器人实验系统的控制结构,（1993）,ROTEX,的成功为后来的遥操作机器人系统研究奠定了理论及实验基础,第一节 概述,14,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,项目2：美国能源部(,DOE),的核环境下遥操作机器人系统,由田纳西大学的,Hamel,和橡树岭国家实验室(,ORNL),共同研究,开发了空间环境任务分析器（,RSTA）,计算机辅助工作区域对象的3,D,识别,计算机辅助选择操作模式,人机交互建模,直线、曲线、曲面智能跟踪,自主碰撞检测和运动规划,Hamel(2002),第一节 概述,15,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,Robots speed,Robots position,Remote environment,Human operator,master device,德国用于遥手术的机器人系统,随着计算机网络的发展出现了现代遥操作,第一节 概述,16,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,高压线维修时，手动操作很危险，操作困难大，利用了遥操作系统的功能完成任务,本地端,操作现场,第一节 概述,17,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,NASA JPL,通用六自由度力反馈手控器,法国,EITS,遥操作微创手术,系统,NASA,火星探测的虚拟环境视觉显示器,第一节 概述,18,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,18,日本的海底遥操作机器人挖掘系统,用力反馈控制代替视频反馈,具有手指控制融合装置,第一节 概述,19,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,19,加拿大医学技术和先进机器人研究所的双向遥操作手术系统,工作时延允许,60600ms,可以进行力和位置的匹配,第一节 概述,20,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,NASA,建造的飞行遥操作机器人,FTS,系统,代替宇航员完成空间作业,进行独立的自由飞行来完成空间任务,第一节 概述,21,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,德国宇航中心的空间机器人,ROTEX,实验系统,多传感器的机器人成功地进行了空间自主操作,宇航员遥操作与地面控制中心进行的多种模式的遥操作实验,第一节 概述,22,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,1997,年美国橡树岭国家实验室研制用于清理核废料场的遥控机器人,6,自由度机械手，可控的移动小车，,3,个摄象机其中,2,个是立体摄象机，另一个是可变焦，可摇动拍摄全景灯光,第一节 概述,23,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,遥控焊接,（,Remote Welding）,的概念,提出有三十余年的历史,遥控焊接指有人在远离焊接现场并参与焊接操作，即人通过运行执行机构来控制焊枪的运动,包括：操作者在远端操作、操作者在本地端远程操作,1984年，,MIT,的,Agapakis,首先进行了焊接遥操作的研究。,认为：不应简单模仿人的焊接操作行为；开发视觉传感和计算机辅助编程是至关重要的，可以辅助遥操作和自主过程实现,。,1986年，加拿大,Douglus Point,核电站核泄漏事故的遥控焊接是第一个工程应用,。,双机械臂分别载有焊枪和7台摄像机负责宏观监视。该应用停留在宏观视觉反馈层次上,第一节 概述,24,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,法国,Framatome,公司核能源项目机器人遥控焊接系统,(2002),用于核电站维修中焊接、切割和打磨任务的辅助遥操作工具,基于力反馈主从遥操作机器人的辅助工具应用性能评估实验平台,采用多控制策略，由计算机监控，,Robcad,软件环境仿真,第一节 概述,25,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,焊缝检测,+,水下湿法电弧焊接,+,表面清理打磨,2000,澳大利亚水下管道焊接接头检测清理修复,英国,GRL,焊缝检测清理修复,ARM,水下机器人系统,1993-1999,6自由度机械臂和可遥调姿态摄像机在,ROV,变焦摄像机监控整个工作空间,对,ROV、,机械臂以及工作空间的图形仿真,手动、增强型手动、半自动、自主方式,第一节 概述,26,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,1999,年开始,用于美国国家能源部（,DOE,）,的核燃料储存容器密封和焊缝检测,该项目包括:超声波检测传感器设计，激光扫描传感系统设计，远程焊接工艺测试，表面检测系统，系统集成。,美国爱达荷国家工程和环境实验室,（,INEEL）,的,失效核燃料处理(,NSNFP,),项目,密封核燃料罐的仿真图形,第一节 概述,27,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,美国,Fermilab,地下管道,VRW,机器人遥控焊接系统,专用焊接机械臂摄像机监控,接头清理机械臂,第一节 概述,28,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,英国的,OTL,开发的机器人遥控切割、焊接装置系统,在临界状态下的维修，包括切割、焊接、法兰的松开和拧紧等任务,使用机器人完成核后物质反应实验,第一节 概述,29,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,哈工大的吕伟新对遥控焊接的运动控制进行了研究,把共享控制思想引入到焊接遥操作中，实现了分布式控制,得出：几种自由度共享控制方法都能够提高焊枪运动控制精度,国内,张惠斌首先进行了遥控焊接研究,建立了主从式弧焊机器人遥操作实验系统,结论：速度越高，效果愈差；立体视觉能够提高焊缝跟踪精度。,立体视觉辅助主从式遥控焊接系统,第一节 概述,30,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,哈工大的李海超开发的分层递阶结构弧焊机器人系统,第一节 概述,31,遥控焊接,3.,遥控焊接的发展,研究机构,实验系统,哈尔滨工业大学,基于虚拟现实的空间机器人共享控制系统,北航机器人研究所,基于互联网的遥操作机器人系统,遥手术机器人系统,华中科技大学,基于互联网的遥操作机器人系统,中科院沈阳自动化所,基于虚拟监控的遥操作水下机器人系统,清华大学智能技术与系统实验室,基于视觉临场感的机器人遥操作系统,国防科技大学,大时延空间机器人遥操作系统,东南大学,力觉临场感遥操作机器人系统,第一节 概述,32,遥控焊接,4.,遥控焊接系统的基本组成,焊接遥操作机器人系统的一般结构,Robots speed,Robots position,Remote environment,Human operator,master device,人机交互,远端执行机构,传感系统,控制系统,网络通讯,第一节 概述,33,遥控焊接,4.,遥控焊接系统的基本组成,焊接遥操作机器人系统的一般结构,机器人工作单元（,RU,）、,网络通讯（,NCU,）,和人机交互单元（,HMIU,）,第一节 概述,34,遥控焊接,5.,遥控焊接的涉及到的技术,Remote welding,Telerobot,Welding seam,Tracing system,Stereoscopic,Video system,Input device&Input control,Sensor-Based,technology,Force feedback,&control,Control mode Control means,Controller system structure,Virtual Reality technology,Dynamic graphics simulation,VR,第一节 概述,遥控焊接,5.,遥控焊接的涉及到的技术,控制策略,直接控制、监督控制、共享控制、合作控制、自主控制,人的智能参与和机器人的自主级别之间的关系,第二节 遥控焊接运动控制,36,遥控焊接,弧焊过程中焊枪运动控制特点分析,弧焊的实现可采用三种基本方式：,手工方式、自动化方式、遥控方式,不论以哪种方式工作，控制焊枪的系统都含有三个要素：,1),获得现场信息；,2),信息的处理与利用；,3),产生控制命令及其实现。,可根据这三个要素对基本的手弧焊和机器人弧焊的特点进行,分析，从而考察遥控焊接的特点与可行性。,第二节 遥控焊接运动控制,37,遥控焊接,手工焊接的特点,1),人亲临现场，,观察,得到大量信息，综合运用焊接知识对,信息处理,，做,出,反应,。,人的智能是手工焊接的优势,。,2),焊工不知道能够达到多高的跟踪精度，凭感觉施焊；,2),运条动作形成周期性跟踪误差和速度误差；,3),控制调整焊枪的依据是已成型焊道的尺寸、形状，熔池位置、大小；,4),电弧长度根据熔滴过渡特性和熔池情况调整。,根据焊接结果调整。焊工行为有较大误差，焊道成型后有波纹。人的优势在于其智能判断对任务的柔性，在定量运动控制方面人的能力较机器人差。,人在焊接过程中的任务有三类：,1),传感作用,，感知熔池位置、尺寸，了解焊接结果；,2),信息处理与决策,，决定调节焊枪；,(,智能活动,),3),执行控制决策,，即控制焊接参数。,第二节 遥控焊接运动控制,38,遥控焊接,1),与一般自动焊接设备比具有柔性，编程用于不同任务；,2),运动轨迹已知，由示教、编程决定；,3),严格按照规定运动参数施焊，控制精度高，稳定性好；,4),在工件情况已知的条件下焊接质量比手工焊接高；,5),不能处理与程序描述不相符合的例外情况。,机器人弧焊的特点,在配有传感器时，机器人可以表现出一定的智能，如自动跟踪接头，电参数对接头尺寸作适应性调整，但智能水平与人相差很远。,在,传感方面,人与机器各有优势，如人综合信息判断出机器尚无法得到的结果，但是机器可以检测出人不能感知的内容。人在定量测量方面则不如机器。机器的传感能力越来越强。,在,运动执行,方面机器人占有很大的优势，没有疲劳问题，不受情绪等因素干扰，可以高精度定量控制，因此焊接质量稳定性高，质量好。,第二节 遥控焊接运动控制,39,遥控焊接,遥控焊接的特点,+,（,1,）与自动焊接和自主焊接的区别,自动焊接,任务事先确定，是低级控制形式，不用或简单传感手段，也不为人提供参与控制的接口。,狭义的,遥控焊接,中人在现场外参与焊接过程中的动作控制，使用操作器带动焊枪运动，具有很大柔性。特点是发挥和利用人的高智能与机器人高超的执行操作能力，为人提供在焊接过程中参与焊枪控制的接口。这样可以发挥人的焊接经验和技术，灵活性强。,自主焊接,中设备完全依靠自身感知和推理能力适应焊接任务，不依赖人的操作技术，不需要人的智能帮助就可以完成任务的情况。这是比遥控操作焊接更高级的方法。目前传感和人工智能还不足以完全实现这种先进的焊接方法。,第二节 遥控焊接运动控制,40,遥控焊接,遥控操作焊接方法的优点在于：,1),利用人的智能使系统具有对任务的柔性,2),利用了操作器的远距离操作能力,3),可以发挥操作者的焊接知识和操作技术,遥控焊接的特点,第二节 遥控焊接运动控制,41,遥控焊接,遥控焊接的特点,（,2,）遥控操作焊接的困难性,遥控操作焊接技术未能象其它遥控操作技术发展起来，,首要原因是焊接任务是十分复杂过程。,在运动控制方面其特点是：,控制参数多,，有跟踪位置，弧长，速度，姿态等,参数的控制精度要求高,，尤其对焊枪位置和速度控制；,控制的实时性,要求高,其次，没有适合焊接特点的操作器控制方法。采取模仿人手工焊接的行为进行遥控焊接是不适合的。,第三，遥控操作技术尚未直接用于焊接要求的水平。简单的动作由遥控实现都是较困难的，完成任务的速度比人直接用手操作时慢得多，而遥控焊接要求与用手操作焊枪相当。,第四，传感信息不足。对现场信息获取的要求发展了“临场感技术”。,第二节 遥控焊接运动控制,42,遥控焊接,遥控焊接的特点,（,3,）以遥控操作进行焊接的可能性,手工方式、自动化方式和有人参与控制的遥控操作方式,第二节 遥控焊接运动控制,43,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,主从方式，人手,-“,主手”,-,现场作为“从手”的机器人,主从操作方式在装配、搬运等上研究已有很多，焊接则没有实质性进展。,视觉信息不足,跟踪质量差。主手同时进行,6,个自由度的调整，对于焊接调节频率低，运动速度慢但稳定性要求高的任务未必是最适合输入设备。,主手是位置型输入设备，跟踪误差。为了提高跟踪稳定性操作员不可能边走动边跟踪，所以对于长接头的跟踪不利。,速率控制型的输入设备，如操纵杆、手控球等，控制的是操作器各自由度运动的速率，如操纵杆偏离原始位置越远操作器相应自由度运动得越快。这类装置在低速条件下进行低频调整，稳定性较位置控制型高，比较适合遥控焊接使用。,人工控制,第二节 遥控焊接运动控制,44,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,自主控制,非结构环境中完全自主控制需要很高传感和人工智能技术，尚不能实现。,某一部分焊接任务可以自主的，如适合条件，高级接头跟踪传感器配合高水平软件实现机器人自主寻找接头起点、跟踪焊接、判断焊接结束。,随着传感能力的提高自主的程度会越来越高。,在遥控焊接中自主方式可以降低操作员劳动强度，减少对人操作的依赖。,自主控制是焊接自动化发展方向。运动控制方面，不考虑避碰问题，一个实时检测接头位置、姿态跟踪传感器可满足焊枪运动自主控制要求。,自主控制所需要的技术支持多，传感器体积影响焊枪可达性，工件及环境约束条件影响其使用范围。,第二节 遥控焊接运动控制,45,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,人机交互控制,系统具有一定自主工作能力。适合自主控制的一部分焊接任务，人把控制权交给具有一定智能的机器去作，人只监视其过程，一旦发生异常立即采取措施。人在机器完成任务后接管控制，负责机器不能完成的任务，如引导焊枪越过障碍、进入新的自主任务，或者手工遥控焊接无法自主完成的任务。,缺点是人与机器的控制权交接过程难以平稳实现，易影响焊接质量，广义的共享控制代替交互控制为好。,第二节 遥控焊接运动控制,46,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,人机共享控制,共享控制允许人和具有智能的机器同时对焊枪进行控制，,两种情况：,1),人、机负责不同参数的控制，如计算机负责弧长控制或接头跟踪控制，人负责需要焊接知识的焊枪姿态控制。,2),人、机同时控制同一参数，如设定计算机控制恒定的弧长或焊枪姿态，由于接头局部结构尺寸变化，人可以参与调整，实际弧长或姿态是人、机综合作用的结果。,共享控制中，人、机控制信息的融合方法可以根据具体情况进行实践探索。人、机任务分配的依据是他们各自的特点和传感能力，如人善于处理特殊事件，可进行避障、特殊调整控制，机器善于定量控制，应进行弧长等控制。,第二节 遥控焊接运动控制,47,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,分布式控制,采用多位操作员，每个人负责不同控制任务，称为分布控制。,一个人难以完成对焊枪的,6,个运动参数（焊枪的偏航角也应该予以控制）的全面控制，可以让一个人负责速度控制，一个人负责跟踪控制，一个人负责弧长控制，另一个人负责焊枪姿态角度控制，或者采用其他数量的人员和任务分配。由于每个人仅负责,1,至,2,自由度，控制输入设备可以采用简单的二维操纵杆等，免除了高造价的主手，因此控制系统在硬件结构上比主从系统简单。,每个人的控制依据可以是视觉系统获得的图象，也可以是检测到的被控参数的模拟显示，如机器可以自动计算焊枪速度，以标尺长度的形式显示，供控制焊接速度的人参考使用。,计算机仿真技术和多媒体技术已为此提供了强有力的工具。,分布控制思想是在现有技术基础上解决手工遥控操作焊接难题的突破点。,第二节 遥控焊接运动控制,48,遥控焊接,遥控焊接的运动控制方法,分布式控制,分布控制的优点是：,1),可以实现人工控制的目的；,2),可以发挥多人的操作技术和焊接知识；,3),各个操作员的劳动强度低，误操作可能性小；,4),易于利用传感信息进行部分自主控制；,5),能够实现避碰控制；,6),适用范围广；,7),所需技术支持少，易实现。,第二节 遥控焊接运动控制,49,遥控焊接,机器人遥控焊接系统的结构,主从系统,主从型遥控焊接系统可以利用人的智力，发挥其技巧，灵活性、通用性最强。所采用的操作手是通用型的，便于采用同一设备完成不同任务。示教盒、手控球、操纵杆等只能实现速率控制，不能实现位置控制，操作者没有三维空间的位置和运动感觉。,通用的,6,自由度主机械臂则克服了这些缺点,.,两部分之间仅以来自主手方面的位姿控制信息和来自从手方面的力信息联系起来,第二节 遥控焊接运动控制,50,遥控焊接,机器人遥控焊接系统的结构,柔性遥控焊接系统,第二节 遥控焊接运动控制,51,遥控焊接,机器人遥控焊接系统的结构,分布式控制系统,三维激光扫描视觉系统用于遥控焊接中，主要作用是：,1),作为高精度评价控制能力的参数误差检测手段；,2),作为智能装置在自主控制中作为控制的依据，在共享控制和分布式控制研究中代替一部分操作员完成控制任务；,3),作为解决遥控焊接中视觉问题的一种途径，为操作员提供控制依据。,第三节遥控焊接关键技术,52,遥控焊接,用于遥控焊接的临场感技术,视觉信息的传感,宏观监视视觉：,摄像机,-,监视器,监视头盔,双目视觉,微观视觉：,CCD,、结构光视觉,力觉信息,力反应能力的主从操作系统,减少对碰撞的担心,顺应调整,第三节遥控焊接关键技术,53,遥控焊接,用于遥控焊接的视觉临场感技术,视觉信号采集,摄像机姿态控制,系统通讯,姿态控制器,立体视觉显示,采用分时显示的页面交换模式，,具有较高的分辨率和刷新率，视觉效果最好,设计的,立体视觉系统包括：,立体图像采集模块、换页缓冲模块、图像显示模块、液晶光闸眼镜驱动模块。立体图像采集、液晶光闸眼镜驱动两个部分由软、硬件配合完成；换页缓冲、图像显示由编程实现,第三节遥控焊接关键技术,54,遥控焊接,第三节遥控焊接关键技术,55,遥控焊接,力觉传感器,第三节遥控焊接关键技术,56,遥控焊接,力觉传感器,第三节遥控焊接关键技术,57,遥控焊接,力觉传感器,根据六维力传感器提供的机器人末端球形力探测头与任务环境接触过程中的接触力信息,，,在线估计接触任务环境的几何特征,，,实时地确定力控制方向和表面跟踪方向,，,是实现基于机器人力控制表面跟踪的关键,第三节遥控焊接关键技术,58,遥控焊接,力觉主要应用在轮廓跟踪、双手协调、多指灵巧手、柔性装配、机器人力反馈控制、机器人去毛刺和磨削、医疗手术辅助系统、切削力测量、力觉临场感和防碰撞等方面。将力觉引入遥示教中，为遥控焊接遥示教提供一种新的示教方法,灵巧手,表面修理机器人,水果采摘机器人,国际空间站对接,第三节遥控焊接关键技术,59,遥控焊接,机器人遥操作共享力觉控制,1992,NASA JPL,力反馈共享柔顺控制机器人遥操作系统,1993,DLR,ROTEX,空间机器人多传感器反馈共享控制系统,1998,UTK,人机协作阻抗控制机器人遥操作系统,2001,NCTU,虚拟现实机器人共享柔顺控制遥操作系统,2003,Stanford DML,力觉反馈遥操作灵巧手共享控制系统,2006,Stanford AIL,机器人局部接触力控制遥操作系统,第三节遥控焊接关键技术,60,遥控焊接,1976,Raimondi,最早将力觉传感控制技术用于遥控焊接领域,1995,吴威等人开发了力觉临场感主从焊接机器人系统,双向力反馈,主从遥操作,机器人,TIG,焊接,力觉探针,焊缝接触跟踪,第三节遥控焊接关键技术,61,遥控焊接,SANYO,交流伺服电机,(,电流环,+,速度环,),PMAC,运动控制卡,+,编码器反馈,(,位置环,),力环包容位置环主动柔顺控制,刚性碰撞冲击,被动柔顺装置,主动柔顺与被动柔顺相结合,机器人位置伺服力控制策略,Position,Control,Force,Control,第三节遥控焊接关键技术,62,遥控焊接,遥控焊接力觉遥示教系统,第三节遥控焊接关键技术,63,遥控焊接,测试软件界面,焊缝辨识搜索过程,焊缝搜寻辨识原理,第三节遥控焊接关键技术,64,遥控焊接,V,型焊缝搜寻辨识模型,第三节遥控焊接关键技术,65,遥控焊接,第三节遥控焊接关键技术,66,遥控焊接,型焊缝搜寻辨识模型,第三节遥控焊接关键技术,67,遥控焊接,型焊缝搜寻辨识六维力曲线,第三节遥控焊接关键技术,68,遥控焊接,基于辨识模型,V,型焊缝辩识试验,第三节遥控焊接关键技术,69,遥控焊接,表面跟踪,接触力探测工具,约束平面轮廓线,力觉辅助表面跟踪策略,表面跟踪局部自主力控制,第三节遥控焊接关键技术,70,遥控焊接,输入设备,在遥操作中起到人机接口,(human-machine interface),的作用，操作者在使用不同的输入设备具有不同的执行能力。,人机接口作用：,1,）能够发出及其系统可以相应的控制信息，,2,）由输入设备实现，机器系统提供便于人理解和应用的系统状态信息，用视频和力觉反馈,(force feedback),等加以实现。,按照输入设备的类型划分：,主手（,master manipulator),、操纵杆,(joystick),、控制球,(spaceball,、,space controller),、头盔,(HMD),、键盘,(keyboard),、示教盒,(pandent),、数据手套（,Data Glove,）声音输入系统,(voice input system),等。,按照控制方式划分：,1,）速率控制型,(rate control),2,）位置控制型,(position control),3,）加速度控制型,(acceleration control),第三节遥控焊接关键技术,71,遥控焊接,第三节遥控焊接关键技术,72,遥控焊接,机器人遥操作系统的人机交互,人机交互,（,Human-machine interaction）,是机器人遥操作的研究核心,虚拟现实、临场感、多模式人机界面是提高人机交互能力的有效手段,虚拟现实(,VR,),在机器人遥操作领域的应用,研究分为：虚拟人机界面技术，,VR,系统构造技术，,VR,系统应用技术,在遥操作中应用分为,:(1),实现预测显示;(2)实现临场感监视;(3)作为人机界面辅助遥操作,第三节遥控焊接关键技术,73,遥控焊接,机器人遥操作中的临场感技术,充分接收远端的环境信息,以自然的方式显示给操作者,目前的研究主要有：视觉、力觉（触觉）、听觉等方面,机器人遥操作中的多模式人机界面,允许用户用多个交互通道以并行、非精确方式进行交互，旨在提高人机交互的自然性和高效性,是图形用户界面到自然语言交互界面的一种过渡,Milgram(1995),第三节遥控焊接关键技术,74,遥控焊接,控制策略,直接控制、监督控制、共享控制、合作控制、自主控制,人的智能参与和机器人的自主级别之间的关系,第三节遥控焊接关键技术,75,遥控焊接,焊枪运动空间,自由运动区、受限运动区、焊接区,根据运动区间和焊缝类型确定遥操作运动控制方法,遥控焊接的任务空间,结构化环境、半结构化环境和完全非结构化环境,并行的两个子系统,三个控制回路,第三节遥控焊接关键技术,77,遥控焊接,第四节遥控焊接实例,78,遥控焊接,第四节遥控焊接实例,79,遥控焊接,直接控制,遥操作子系统与视觉临场感子系统配合实现,共享控制,共享避障、保持焊接连续性、提高遥操作精度,局部自主控制,通过激光视觉传感和机器人控制器组成控制闭环,基于虚拟环境的监督控制,遥控示教,AWTRS,的工作模式,第四节遥控焊接实例,遥控焊接,基于遥控示教的焊接遥操作研究,问题描述,传统示教再现的局限性,从视觉临场感、直接控制、遥控示教方法深入研究,第四节遥控焊接实例,81,遥控焊接,焊接遥操作的直接控制实现,基于空间鼠标的人机接口开发,罗技公司,Classic,空间鼠标,速率控制型的输入设备,具有6,DOF,控制精度高，无力反馈，操作者容易保持位置感,第四节遥控焊接实例,82,遥控焊接,基于视觉临场感的焊接遥操作系统设计,远端,双目立体视觉摄像机,宏观自动变焦摄像机,可控云台,及可调支架,6,DOF,焊接机器人,焊枪组成,本地端,空间鼠标,焊接遥操作多模式人机界面,立体视觉显示器,液晶光闸眼镜,图像卡,光闸眼镜驱动器,第四节遥控焊接实例,83,遥控焊接,远端现场,本地端,焊接遥操作的直接控制实现,第四节遥控焊接实例,84,遥控焊接,操作者的熟练程度测试,定位精度实验,焊接遥操作的直接控制实现,第四节遥控焊接实例,85,遥控焊接,激光视觉传感辅助遥控示教,第四节遥控焊接实例,86,遥控焊接,激光视觉传感辅助遥控示教,第四节遥控焊接实例,87,遥控焊接,基于共享控制的焊接遥操作,AWTRS,的多模式控制,串行：直接控制、监督控制,并行：共享控制的叠加方式；,共享控制的混合方式,第四节遥控焊接实例,88,遥控焊接,基于共享控制的焊接遥操作,第四节遥控焊接实例,89,遥控焊接,基于虚拟环境的监督控制,第四节遥控焊接实例,90,遥控焊接,AWTRS,多模式人机界面设计与总体实验,1.焊枪速度显示,2.关节角显示,3空间鼠标控制命令显示,4.遥操作控制面板,5.系统状态显示,6.远端工作环境,第四节遥控焊接实例,91,遥控焊接,基于直接控制进行遥控焊接,本地操作端,远端现场,横向偏差,焊枪高度的变化,第四节遥控焊接实例,92,遥控焊接,基于共享控制跟踪焊缝,直接控制跟踪焊缝,激光视觉传感自主跟踪焊缝,采用,共享控制的自由度分割算法:激光视觉传感器控制横向偏差,x，,操作者控制焊枪其余自由度,第四节遥控焊接实例,93,遥控焊接,管道维修遥控焊接,第四节遥控焊接实例,94,遥控焊接,第四节遥控焊接实例,95,遥控焊接,第四节遥控焊接实例,96,遥控焊接,第四节遥控焊接实例,97,遥控焊接,功能：,焊枪调整功能,气动夹紧功能,机械传动功能,机器人与焊接工具对接,第四节遥控焊接实例,98,遥控焊接,99,第六章焊接机器人的应用,第一节 焊接机器人应用基础知识（,2,学时）,第二节 机器人系统集成（,0.5,学时）,第三节典型应用实例（,0.5,学时）,第四节机器人增材制造（,1,学时）,第一节 机器人应用基础知识,100,机器人应用,机器人焊接自动化已成为焊接自动化发展的主流,1,）人工成本，尤其是熟练焊工成本正在迅速上升,2,）焊接产品向中高端发展，焊接质量稳定十分重要,3,）环保要求日益严格,4,）新的焊接先进工艺无法采用手工焊接，如复合能源,焊接、激光焊接、高速高效焊接方法等,5,）产品型号多、批量小、更新快、质量要求高，,总体上看适合机器人焊接自动化,第一节 机器人应用基础知识,101,机器人应用,成本,西方统计 近,20,年来,机器人的价格降低了,60%,人工成本增加了,40%,中国大陆 当前,弧焊机器人,18-22,万元,熟练焊工（工资、奖金、劳保、医疗、培训,等）,4-6,万元,机,/,人,=3-4,年 日本机器人元年 机,/,人,=3.5,年,目前机器人的寿命为,15-20,年,中国已进入使用机器人经济上合算的年代,第一节 机器人应用基础知识,102,机器人应用,1954,年，美国人,George C.Devol,提出了第一个工业机器人方案并在,1956,年获得美国专利。,1960,年，,Conder,公司购买专利并制造了样机。,1961,年，,Unimation,公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器,“,Unimate,”,，即万能自动之意。,1962,年，,A.M.F.,公司研制出一台数控自动通用机，取名,“,Versatran”,，即多用途搬运之意，并以,“,Industrial Robot”,为商品广告投入市场。,球面坐标型,Verstran,机器人,圆柱坐标型,Unimate,机器人,第一节 机器人应用基础知识,103,机器人应用,1967,年，,Unimation,公司第一台喷涂用机器人出口日本川崎重工业公司,1968,年，第一台智能机器人,Shakey,在斯坦福研究所诞生。,1972,年，,IBM,公司开发出直角坐标机器人。,1973,年，,Cincinnati Milacron,公司推出,T3,型机器人。,1978,年，第一台,PUMA,机器人在,Unimation,公司诞生。,1982,年，,Westinghouse,公司兼并,Unimation,公司，随后又卖给了瑞士的,Staubli,公司。,1990,年，,Cincinnati Milacron,公司被瑞士,ABB,公司兼并。,第一节 机器人应用基础知识,104,机器人应用,日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。,60,70,年代是机器技术获得巨大发展的阶段。,80,年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。,90,年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。,我国机器人技术起步较晚，,70,年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，,80,年代初，开发小型教育机器人。,1985,年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇,号）。,第一节 机器人应用基础知识,105,机器人应用,业内认为中国一跃成为全球机器人及智能装备产业最大的市场,2014,年成为“中国机器人元年”,2013,年，全球每售出,5,台工业机器人，便有,1,台被中国买走，国内机器人行业也将迎来发展良机。,国际机器人联合会,(IFR),统计，,2014,年中国市场规模达到,2.8,万台,依靠人海战术成长为“世界工厂”的中国也将面临计划生育政策导致的劳动力不足和人工费上涨问题，中国将通过积极利用机器人来成为最尖端的生产基地。,2020,年“机器人密度（每万名员工使用机器人台数）达到,100(,现在,30),制造智造,工业,4.0,第一节 机器人应用基础知识,106,机器人应用,焊接机器人应用需要考虑的问题,上自动化的目的,怎样选择自动化方案,机器人自动化要注意的问题,第一节 机器人应用基础知识,107,机器人应用,1.,实现焊接生产过程机器人化的优点,1,）提高和稳定焊接质量（主要出发点）,(1),焊接参数的一致,(2),与变位机配合，实现最佳位置焊接,2,）提高焊接生产效率,(1),可以,24,小时工作,(2),长焊缝可以连续焊接。手工焊的燃弧率,45,，机器人的燃弧率可达,85,(3),可以高速运动，,3m/s,可以实现高速焊接。,(4),在断续焊接中，可以减少移位辅助时间,3,）使焊接生产实现柔性自动化,4,）改善劳动安全卫生条件，降低工人的技术要求,5,）增强生产管理的计划性和可预见性,6,）可准确预算材料的消耗量和生产成本,焊接机器人应用需要考虑的问题,第一节 机器人应用基础知识,108,机器人应用,焊接机器人应用需要考虑的问题,2.,焊接自动化方式的选择,-,适度自动化,焊接自动化的途径很多，每一个企业都必须根据自己的产品特点、产品结构、生产批量、生产条件、人员素质等各方面的情况来考虑和确定自己的技术改造方案。,第一节 机