(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210995538.5 (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市金牛区二环路 北一段111号 (72)发明人 唐启超　马磊　孙永奎　王清沂　 李瑞晨　金宇荣　杨建平　徐健　 (74)专利代理 机构 成都信博专利代理有限责任 公司 5120 0 专利代理师 秦立飞 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B23K 9/12(2006.01) (54)发明名称 一种基于多目标优化的多机器人协作弧焊 任务规划方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于多目标优化的多机 器人协作弧焊任务规划方法， 具体为： 对多机器 人协作弧焊作业任务进行描述与分析， 并对输入 的焊缝信息进行处理， 添加所属机器人、 同步、 异 步以及焊接方向标签； 选定决策变量和优化目 标， 设定约束条件， 将多机器人焊接任务分配问 题建模为一个多变量、 多约束、 多目标的优化问 题； 针对所建立的优化模 型， 设计新的交叉、 变异 算子， 使用多目标遗传算法进行求解， 得到各个 机器人的焊接序列， 完成任务分配。 本发明有效 的解决了多机器人在面向大型复杂构件焊接时， 由于焊缝数量众多、 实际焊接约束复杂以及多机 器人系统约束繁多等导致任务难以分配的问题， 有效的提高了算法的求解效率和全局寻优能力， 具有更加广阔的应用前 景。 权利要求书4页 说明书8页 附图2页 CN 115122338 A 2022.09.30 CN 115122338 A 1.一种基于多目标优化的多机器人协作弧焊任务规划方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 步骤1： 对多机器人协作弧焊作业任务进行描述与分析， 并对输入的焊缝信息进行处 理， 添加所属机器人、 同步、 异步以及焊接方向标签； 步骤2： 选定决策变量和优化目标， 设定约束条件， 将多机器人焊接任务分配问题建模 为一个多变量、 多约束、 多目标的优化问题； 步骤3： 针对所建立的优化模型， 设计新的交叉、 变异算子， 使用多目标遗传算法进行求 解， 得到各个机器人的焊接序列， 完成任务分配。 2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的多机器人协作弧焊任务规划方法， 其 特征在于， 所述 步骤1具体为： S11： 多机器人协作弧焊作业任务的描述与分析： 多机器人协作焊接任务分配问题的本质是在满足各种约束和焊接质量的前提下， 高效 有序的完成任务； 定义机器人集合R＝[r1,r2,...,rn]， 其中n为机器人数量， ri为第i台机器 人， i＝1,2,...,n； 定义焊缝集合W＝[w1,w2,...,wm]， 其中m为焊缝的数量， wj为第j条焊缝， j＝1,2,...,m， 机器人的焊接和空载速度分别为vm和vn； 受初始位置和工作空间的限制， 每 台机器人只能焊接特定区域的部分焊缝， 多机器人之间不可避免的要出现合作和竞争关 系， 因此， 将集合W中的焊缝划分为每台机器人 的专属焊缝以及多台机器人的竞争焊缝； 定 义机器人ri的专属焊缝集合为 其中sk∈[1,m]且无重 复元素， k∈[1,| ri|]， |ri|为机器人ri拥有专属焊缝的数量； 定义竞争焊缝集合为C＝[c1,c2,...,cl]， 其中 经过寻优后， 每台机器人最终被分配的焊缝序列为 S12： 为焊缝 添加所属机器人、 同步、 异步以及焊接方向标签： 定义焊缝信息结构体Winf， 其中Winf(i).w＝wi为第i条焊缝， 其起点和终点分别为Winf (i).start ＝[x1,y1,z1]和Winf(i).end＝[x2,y2,z2]， Winf(i).robot ＝rj表示该焊缝属于第 j 台机器人， Winf(i).l＝l表示该焊缝的长度； Winf(i).syn＝[1,rj]表示该焊缝和rj焊缝属于 同步焊缝， 需要同时开始且同时结束焊接， Winf(i).syn＝0表示该焊缝不属于同步焊缝； Winf (i).asyn＝[1,rj]表示该焊缝和rj焊缝属于异步焊缝， 需要一条焊缝焊接结束才可进行另 外一条焊缝的焊接， Winf(i).asyn＝0表示该焊缝不属于异步焊缝； Winf(i).d＝1表示该焊缝 的焊接方向是从起 点到终点， Winf(i).d＝0表示该焊缝的焊接方向是从终点到起 点。 3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的多机器人协作弧焊任务规划方法， 其 特征在于， 所述 步骤2具体为： S21： 决策变量的选择： 集合x＝[x1,x2,...,xm]中的每个 元素代表焊缝的ID， 将其作为优化模型的决策变量， xm ∈[1,m]， 取值要求均为整数且无缺失无重复； S22： 约束条件的选择： (1)同步焊接约束Φ1： 为保证焊接质量， 某些焊缝需要同步焊接， 即两 条焊缝开始、 结束 时间以及焊接方向一 致， 对于两条同步焊缝wi和wj， 需满足 tsi＝tsj， tei＝tej， di＝dj， 其中i,j∈[1,m ] tsi为焊缝wi的开始时间， tei为其结束时间， di为其焊接方向；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115122338 A 2(2)异步焊接约束Φ2： 为防止焊缝变形 或机器人相互碰撞， 某些焊缝需错开彼此的焊接 时间， 对于 两条异步焊缝wi和wj， 需满足 tei＜tsj||tej＜tsi， 其中i,j∈[1,m ] (3)焊接方向约束Φ3： 由于焊接工艺要求， 某些焊缝需要按照特定的方向进行焊接， 对 于一条有焊接方向约束的焊缝wi， 需满足 其中i∈[1,m ] (4)各机器人的空间可达性约束Φ4： 对于任意一台机器人ri， 分配给它的焊缝必须在它 的可达空 间内， 否则无 法完成焊接； 设机器人rj的可达空间为Rj(qj)， 其中qj为机器人rj的关 节向量范围， 则有 wi(rj)∈Rj(qk)， 其中i∈[1,m ],j∈[1,n] (5)各机器人间的碰撞约束Φ5： 设工件所占空间为Rw， 机器人ri和rj此时位姿所占空间 分别为Ri(qi)和Rj(qj)， 则有 其中i,j∈[1,n] S23： 目标函数的选择： (1)机器人等待时间Tw： 针对 一组同步焊缝wi1和wj1， 当一台机器人先到达其中一条焊缝 wi1时， 需等待时间Tw1后和wj1一起焊接； 针对一组异步焊缝wi2和wj2， 如果wi2先开始焊接， 需 等待时间Tw2后开始焊缝wj2的焊接， 因此， (2)机器人的空载距离Dn： 第i台机器人ri分配的焊接路径为 其中 pk∈Si∪Ci， 因此， S24： 优化模型的建立： 综合以上决策变量、 约束条件和目标函数， 建立如下多约束、 多目标优化模型：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115122338 A 3