眾所周知，航空航天裝備結(jié)構(gòu)件復(fù)雜，大而薄，焊縫多為空間曲線焊縫。保證焊接質(zhì)量、提高效率，是推動(dòng)航空航天裝備制造水平的關(guān)鍵。在生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量并舉的今天，單一機(jī)器人已不能很好地勝任現(xiàn)代制造業(yè)的要求，在開放體系結(jié)構(gòu)的軟硬件基礎(chǔ)之上，如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制就成為焊接機(jī)器人柔性加工的研究重點(diǎn)之一。多機(jī)器人協(xié)調(diào)工作方式可以有效地提高生產(chǎn)力并增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的通用性。一般而言，多機(jī)器人工作環(huán)境包括兩類協(xié)調(diào)操作：緊協(xié)調(diào)操作和松協(xié)調(diào)操作。緊協(xié)調(diào)操作是指在同一工作空間里，多機(jī)器人操作手共同處理同一物體；松協(xié)調(diào)操作是指在同一工作空間里，每個(gè)機(jī)器人獨(dú)立地完成各自任務(wù)。

　　多焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制

　　一般地，可將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)分為：每個(gè)機(jī)器人在共享工作空間內(nèi)獨(dú)立執(zhí)行各自的任務(wù)和所有機(jī)器人協(xié)調(diào)完成一項(xiàng)給定的任務(wù)兩大類。多機(jī)器人協(xié)調(diào)操作具有以下特點(diǎn)：

　?。?）兩機(jī)械手抓住同一物體或構(gòu)成特定形位關(guān)系后，雙臂形成一個(gè)閉式運(yùn)動(dòng)鏈，兩個(gè)操作臂之間的運(yùn)動(dòng)必須滿足一定的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。

　　（2）雙臂協(xié)調(diào)的動(dòng)力學(xué)比單臂更為復(fù)雜，雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)時(shí)的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)方程可組合成單一的動(dòng)力學(xué)方程，但維數(shù)的增加及相互耦合的關(guān)系使求解困難。

　?。?）雙臂協(xié)調(diào)的控制結(jié)構(gòu)比單臂的復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械臂間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，必須在機(jī)器人原控制系統(tǒng)之上增加協(xié)調(diào)控制級(jí)。

　　由于機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜性與困難性，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，主要工作集中在載荷分配、運(yùn)動(dòng)分解、避碰軌跡規(guī)劃、閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型及協(xié)調(diào)控制策略等方面。

　　協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制約束條件

　　多機(jī)器人協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)約束條件是焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制研究的基礎(chǔ)，Y.F.Zheng、J.Y.S.Luh 在這方面作了較突出的工作，其將兩個(gè)機(jī)器人分為主動(dòng)機(jī)器人和從動(dòng)機(jī)器人，主動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃預(yù)先給定，而從動(dòng)機(jī)器人的對(duì)應(yīng)值則通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)的主從關(guān)系來(lái)確定，并且首次推導(dǎo)出兩個(gè)機(jī)器人在特定工作條件下末端執(zhí)行器的位姿齊次約束方程，進(jìn)而又將這一結(jié)果擴(kuò)展到關(guān)節(jié)速度、加速度和廣義力的約束方程。Hong Suh等對(duì)雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人系統(tǒng)中一個(gè)機(jī)器人剛性地抓住物體的一端，另一個(gè)機(jī)器人在抓住物體的另一端時(shí)可沿被抓物體表面相對(duì)移動(dòng)的情況進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，得到了從動(dòng)機(jī)器人的廣義解。毛祖鐵用回轉(zhuǎn)變換張量的方法推導(dǎo)出兩個(gè)機(jī)器人相對(duì)位姿保持不變，但兩機(jī)器人同時(shí)有運(yùn)動(dòng)，以及兩機(jī)器人均有運(yùn)動(dòng)，且其中一個(gè)機(jī)器人相對(duì)另一個(gè)機(jī)器人有相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩種情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)條件。楊成梧等針對(duì)雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人兩手同時(shí)抓持同一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，由主手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推導(dǎo)出從手在其自身坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。湯宇松等以空間復(fù)雜邊緣跟蹤任務(wù)為對(duì)象，基于矢量方程的方法在笛卡爾空間內(nèi)提出了利用機(jī)器人雙手協(xié)調(diào)解決此類問(wèn)題的基本策略方法，為弧焊機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究提供了良好的借鑒。

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　　協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制

　　進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，主要有3種控制方案，即位置—位置控制、位置—力控制及動(dòng)力學(xué)控制。位置—位置控制是機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)研究過(guò)程中首先發(fā)展起來(lái)的一種控制方法，C.O.Alford在位置控制方式下，控制主動(dòng)機(jī)器人按預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)機(jī)器人則沿著由主動(dòng)機(jī)器人軌跡導(dǎo)出的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主從機(jī)器人間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。位置—位置控制時(shí)，由于每個(gè)機(jī)器人的依從性差，在剛性連接條件下運(yùn)動(dòng)位置誤差將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而這種方法只適用于低速運(yùn)動(dòng)和非剛性連接的運(yùn)動(dòng)。為了克服上述不足，人們提出了位置—力控制，即主動(dòng)機(jī)器人為位置控制，沿預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，而從動(dòng)機(jī)器人為力控制，利用腕部的力傳感器所獲得的力信息跟隨主動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行反饋運(yùn)動(dòng)控制。M.Uchiyama在定義工作空間坐標(biāo)和引入關(guān)節(jié)空間向量的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)公式，成功地應(yīng)用了混合位置—力控制。為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究人員在機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的研究中提出了動(dòng)力學(xué)控制方案，應(yīng)用非線性變換方法研究了雙臂協(xié)調(diào)時(shí)兩個(gè)機(jī)器人操縱單一物體的動(dòng)力學(xué)混合控制算法，并把物體間的內(nèi)力作為一個(gè)控制量來(lái)消除，只考慮物體位置時(shí)的逆動(dòng)力學(xué)冗余問(wèn)題，取得較好的控制效果。

　　系統(tǒng)采用集散控制，雙面雙機(jī)器人采用主從協(xié)調(diào)控制策略，Motoman機(jī)器人為主手（正面），KUKA機(jī)器人為從手（背面），建立該系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的算法模型，根據(jù)主手焊槍末端位置和姿態(tài)，以工件基準(zhǔn)路徑平面為對(duì)稱面，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)變換，推導(dǎo)出背面從手機(jī)器人工具末端的運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn)，從而控制從手跟隨主手協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了雙面雙弧焊機(jī)器人焊接。圖1為多機(jī)器人協(xié)作焊接系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。