基于树搜索的多机器人桁架协同装配研究

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现今,机器人由于具有自主性、可根据环境做出自主决策等优点使得其应用广泛,可帮助人类来完成重复性、危险环境中的工作。在工业生产、航天等任务中,机器人自主规划、协同装配问题一直以来是广大研究人员的研究热点。但如果把现有的规划方法直接使用到桁架结构的装配序列规划中,不仅在问题描述上存在差异,规划效率也很低。针对该问题,本论文提出了基于树搜索的桁架结构装配序列规划方法,对桁架装配过程中的稳定性与合理性进行了量化描述,并通过树搜索算法高效求解装配序列。进而在多机器人协同装配平台上进行装配实验,验证桁架结构序列规划算法的高效性。主要研究内容如下:(1)基于Gazebo物理仿真软件,搭建了一个异构多机器人实验平台,以验证论文相关算法的可行性和稳定性。该仿真平台解决了在ROS机器人操作系统下多机器人节点通讯干扰问题,在装配任务中使用相关API对分散的桁架杆件构建连接关系,从而在刚性的仿真平台中模拟出物体装配后的固连效果。(2)提出了基于广度优先扩展树搜索的桁架装配序列规划方法。在使用搜索树表达装配序列规划问题上,以蒙特卡洛树搜索算法为基础,将稳定性量化值作为评价指标搜索最优装配序列。考虑到机器人装配动作可达性,改进了树搜索算法,依据广度优先原则扩展搜索树,并兼顾合理性及搜索效率。实验结果表明,改进后的树搜索算法求解得到的装配序列,在保证机器人可以顺利安装的基础上,求解过程效率大幅提升。(3)提出了多机器人装配任务协同策略。将机器人在协同装配过程中所有使用到的动作拆解为基本动作元素。在此基础上,提出“扶持”与“传递”两个基本动作,将这两个基本动作元素进行组合构成完整复杂动作。任务分配器可将复杂动作进行分解,依照重要动作发生时序,将多组串行任务转换为多机器人并行任务。(4)基于改进的树搜索装配序列规划算法进行机器人实验,以验证可行性。实验结果表明,通过规划算法得到的桁架装配序列指导机器人装配过程合理、稳定,且对于小型桁架结构的规划时间可以达到毫秒级,对于1000余根杆件构成的桁架规划时间约为半分钟。
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