[发明专利]一种多机器人协同的装配线安全布局的设计方法

说明书

本发明涉及一种多目标优化方法，尤其涉及在多机器人协同的装配线布局设计的应用中，针对不规则设备之间因缺乏考虑优化布局设备的高度信息而导致的协作不安全的问题，提出一种机器人装配线安全布局的优化方法。我们定义机器人不规则设备的建模规则，建立安全的装配线优化模型，以物流成本最小和占地面积最小为优化目标，使用差分进化策略和非支配排序遗传算法II的结合算法，对装配线上待布局设备进行布局优化设计，再定量安全指标作为三维碰撞检测的触发，以确保获得安全布局的设计方案。

技术领域

本发明属于多机器人集群协同制造技术领域，涉及一种装配线安全布局设计方法，具体涉及一种基于启发式随机搜索方法和遗传方法的结合方法，以及碰撞检测方法的安全布局方法。

背景技术

在“工业4.0”的背景下，市场需求不断变化，客户的个性化定制需求成为趋势。传统装配线亟需更新换代以适应新的生产需求。在设计生产系统的早期，装配线的布局设计是很重要的问题，不仅会影响项目阶段的有效性，还会影响后续的生产率，包括物料流，空间利用，能耗，安全的工作环境。安全有效的装配线布局设计能保证整体生产率，提高制造效率，是改善制造系统性能的关键。

伴随自动化的普及，大型工业机器人被大量应用在装配线上，减少对人工的依赖,也可以人机协作完成重物的托举和搬运等装配任务，实现装配线的工作效率的提高，构建智能装配线。但机器人存在工作范围大，自由度多，工作时的运动方向任意的危险情况。这就给装配线的前期布局带来挑战。因此，考虑以机器人为代表的不规则设备的装配线的安全布局十分重要。

目前装配线布局优化设计的相关研究具有局限性，亟需研究：

1.布局优化缺少考虑三维高度信息：现有无机器人的装配线布局主要是对规则形状设备和规则形状区域的二维布局设计，缺乏考虑三维高度信息。尤其当装配线中有机器人为代表的不规则形状设备时，只考虑二维布局的布局计划是明显不足够的，极易因忽视不规则设备高度信息，而发生碰撞，增加布局后期实际装配工作进行中的不安全性。

2.机器人和不规则设备建模的局限性：有机器人的装配线布局都是把装配线中的组件近似看成长方形，通常以机器人基座或者机器人的工作最大运动范围为优化目标。这样的假设无疑存在以下两点局限，一，以机器人基座为布局优化目标假设成长方形作为优化实体，在前期布局中完全不考虑机器臂。实际装配中机器臂运行一定会超过基座范围，极容易发生机器臂间的物理碰撞，同时，也易发生机器臂和设备之间的碰撞。二，把机器人最大工作范围假设成长方形作为布局优化实体，不能满足占地面积最小的目标需求，既不能满足机器臂间的协同装配，又不能节省空间资源。

3.缺乏对整体装配线每个设备布局的三维验证：实际装配线布局都是只针对机器人自身进行碰撞检测验证，缺少考虑确定工艺流程的整条装配线设备布局的安全性。装配线布局计划产生后，整体装配线布局的三维碰撞检测验证，能保证装配线物理布局的可行性和安全性。

4.装配线多目标优化方法有待升级：大量研究证明，产线布局的多目标优化问题用遗传算法及其改进算法是有效的，但在装配线布局优化中算法的收敛效果和解集多样性仍有提升空间。

发明内容

为了解决上面现有研究中的空白和实际布局设计的实际需求。本发明提出了一种安全布局的优化方法。

建立装配线安全布局模型，考虑了物流成本和装配线面积。基于遗传算法(NSGA-II)的高质量性能，集成了启发式随机搜索算法(DE)，以减少重复计划并有效地增加解决方案的多样性。考虑待布局设备的高度信息和以及固定装配工艺流程的安全性，以物流成本和占地面积最小为优化目标，确保输出装配线的安全布局方案。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种多机器人协同的装配线安全布局的设计方法，包括以下步骤：

根据仿真机器人的作业状态和作业范围，构建装配范围的点云模型，通过建模规则将不规则的机器人模型构建规则的机器人模型；