机器人焊接技术教案-2015年

1机器人焊接技术第二部分张广军教授2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33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）4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。5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%6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7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。8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9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10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遥操作科学技术控制模式系统结构输入设备及人机接口控制器结构临场感虚拟现实感知交互11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12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13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14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HMIAutonomousOperationsHMITeleoperationInteractiveTaskPlannerFaultDetection&RecoveryCooperativeAssistsPlannerInsitu.ModelBuilderControllerMobilityTaskspaceToolSensorManipulatorRSTATRControlComputerassistedteleops•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3D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)15第一节概述15遥控焊接3.遥控焊接的发展Robot’sspeedRobot’spositionRemoteenvironmentHumanoperatormasterdevice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16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17第一节概述17遥控焊接3.遥控焊接的发展NASAJPL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18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19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60—600ms可以进行力和位置的匹配20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21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22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23第一节概述23遥控焊接3.遥控焊接的发展遥控焊接（RemoteWelding）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DouglusPoint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24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25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1993-19996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26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27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28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29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30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31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32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Robot’sspeedRobot’spositionRemoteenvironmentHumanoperatormasterdevice人机交互远端执行机构传感系统控制系统网络通讯33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）34第一节概述34遥控焊接5.遥控焊接的涉及到的技术RemoteweldingTelerobotWeldingseamTracingsystemStereoscopicVideosystemInputdevice&InputcontrolSensor-BasedtechnologyForcefeedback&controlControlmodeControlmeansControllersystemstructureVirtualRealitytechnologyDynamicgraphicssimulationVR35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直接控制人的智能参与程度系统中机器人的智能参与程度完全自主控制半自主控制-遥编程-预测/显示控制-扩展和减轻时共享控制-后援和代替是交互控制-机器人的高智能-处理紧急情况的能力-信息数据的高速处理-共享控制-监督控制-合作控制-映射人的动作-