基于多Agent技术的复杂结构件自动装配系统

苗新刚 汪 苏 怀其武 郭 倩

北京航空航天大学,北京,100191

基于多Agent技术的复杂结构件自动装配系统

苗新刚 汪 苏 怀其武 郭 倩

北京航空航天大学,北京,100191

复杂结构件自动装配系统是集自动装配、精确定位、误差检测、过程仿真、数据存储等于一体的系统,由柔性装配工装、工业机器人、激光跟踪仪、激光扫描仪等单元组成,而各单元之间的合作与协调是该系统的关键技术。通过分析装配过程发现,多A gent技术非常适合该装配过程的特点,因此,对复杂结构件自动装配系统进行了多Agent建模,将系统分成若干个相互独立的Agent,各Agent间通过局域网进行通信,通过改进的合同网协议进行协商,从而可以可靠地、有效地完成自动装配任务。

飞机装配;多A gent;激光跟踪仪;激光扫描仪;机器人

0 引言

研究发现,复杂结构件自动装配系统由若干个相对独立的子系统组成,是典型的分布式系统,将多Agent的控制思想应用到该装配系统中,是解决各子系统间通信、协调和合作的最有效途径。

1 复杂结构件自动装配系统总体方案

1.1 装配过程简介

在复杂结构件自动装配系统工作时,由柔性装配工装来支撑和夹持飞机部件。在飞机部件的定位基准点上安装光学目标反射器,由激光跟踪仪测量这些光学目标点的位置,以获得位置信息。该信息与飞机部件模型信息比对后,将数据传递给装配系统的运动控制器,从而驱动柔性装配工装来调整飞机部件的位姿,直到定位基准点到达公差范围内的准确目标位置上,实现部件的精确对接定位。同时,辅助机器人夹持着激光扫描仪对装配部件进行扫描,获得飞机部件的形面数据,然后传递给数据分析与处理系统,实现对整个装配过程的实时在线仿真。

1.2 系统的总体方案

如上所述,复杂结构件自动装配实验系统是一个集自动装配、精确定位、适时检测、批量数据处理、装配过程仿真等一体的综合系统,涉及机械、控制、测量、计算机等方面的专业知识,系统的硬件结构如图1所示。

图1 飞机装配检测一体化实验系统硬件结构

(1)柔性装配工装子系统。主要由柔性工装机械本体、多姿态柔性装配型架、UMAC运动控制器等部分组成。柔性装配工装子系统是整个装配系统的主体,它接受产品数据集数据,并根据其内部的控制算法来驱动机械本体,从而实现装配定位的具体动作。

(2)数据采集与定位子系统。在装配的过程中,装配部件位置测量的准确性直接影响装配的成败,而激光跟踪测量系统是解决这一难题的最好手段。激光跟踪仪是近十几年才发展起来的新型测量仪,它可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间三维坐标,具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点。

(3)装配适时检测与仿真子系统。采用三维激光扫描仪,可快速准确地对工件原型进行三维扫描和高精度数字化复制,从而建立工件的数学模型,产生出装配全过程的三维动态仿真,并显示装配工装系统的生成时间、飞机部件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查评估报告。该系统由辅助机器人末端夹持激光扫描仪来实现。

(4)装配机器人子系统。当定位完成后,由装配机器人按照装配工艺的要求,对零部件进行装配连接。

(5)数据管理子系统。基于Orical数据库,利用多线程技术并行实现数据采集、数据存储与在线监控,将产品数据集、装配工作数据、测量数据、检测数据等关键数据进行实时保存,并提供一个友好的用户界面。

2.1 文献检索结果 初检获得相关文献498篇，阅读题目和摘要后纳入74篇文献，然后按纳入与排除标准，最终纳入10篇文献[4-13]，共541例。文献筛选流程，见图1。

2 复杂结构件自动装配系统的多Agent建模

2.1 系统的多Agent建模

通过对系统的特征分析我们可以发现,系统中包含有功能不同、相互独立的资源,采用传统的集中式控制存在一定的困难。而多Agent[4-11]思想符合飞机自动装配系统分布式控制的特点,并且该系统中的独立资源,如柔性装配子系统、激光扫描仪、激光跟踪仪、装配机器人等,它们都是Agent的最佳代表。因此,本文选择多Agent的思想作为系统的控制模型,从而建立系统的多Agent结构,如图2所示。

系统中各 Agent的功能如下:系统管理Agent负责整个系统的管理工作,用户Agent通过系统管理Agent提供的界面与装配过程进行交互;柔性装配工装Agent负责系统的装配任务,包括基本的机械构件及控制模块,是整个装配系统的主体;数据采集与定位Agent负责系统的精确定位,一般由三台激光跟踪仪组成,可对空间的定位点提供精确地三维坐标;定位完成后,由装配机器人Agent进行装配连接;适时检测Agent由工业辅助机器人手持激光扫描仪组成,主要完成装配零部件的关键部分轮廓扫描,得到该特征的三维实体模型;装配过程仿真Agent一方面要根据装配零部件生成相关的装配工艺,另一方面还要根据反馈的信息对装配过程进行适时仿真,从而监控整个装配过程;数据库Agent将装配过程中生成的大量数据进行保存。所有的Agent通过以太网进行通信,并采用改进的合同网协议进行协商,从而共同完成整个装配任务。

图2 飞机自动装配系统的多Agent模型

2.2 Agent内部结构建模

Agent的体系结构一般包括以下三种[12-13]:慎思型结构、反应型结构、混合型结构。其中,混合型结构是慎思型结构和反应型结构的结合,既能实现面向目标的长期规划,又具有实时性的特点,是多Agent应用中最常用的体系结构。

在考虑Agent基本结构和实际装配生产过程的基础上,本文提出了如图3所示的混合式Agent模型。

各模块功能如下:

(1)总控模块 初始化内部知识库,调入领域专家定义的协作描述,应用交互协议与其他专家Agent交互,控制任务队列中任务的提交和委托等。它是各个Agent内部的控制机构。

(2)反应模块 使得Agent具备了反应性;继承了反应型Agent的优点。

(3)通信模块 与其他 Agnet的接口,使Agent不再是孤立的,具备和其他Agent的交互能力,从而使Agent具有了社会性。本系统通信协议采用改进的合同网协议,通信语言采用KQM L语言。

(4)局部任务规划模块和协作模块 使Agent根据自己的目标、能力及状态做出决定,而不受其他系统干涉,保证了Agent具有自主性和能动性。

图 3 Agent内部结构

(5)任务模块和任务队列 系统中的问题求解和协作均以任务为单位进行,任务处理模块对本地用户提交的问题进行分析,将超出自身知识领域的部分问题分解成一个或多个子任务并放入任务队列,将其转化成推理模块可以识别的信息格式以进行推理。

(6)推理模块 是专家Agent的执行机构,由任务处理模块启动,推理机体现了知识运用的方法。

(7)知识库 记录本地专家Agent和协作问题求解过程中的中间信息。存放专家Agent间协作的策略、知识、方法,以及采用的交互协议。

从系统的开发方式来看,该模型既具有反应层的特性又复合慎思层的要求,以适应系统对反应速度和智能水平的不同要求。有了这样的混合型Agent内核,可以实现更多原有系统的重用,同时原有子系统的重用也为新系统的开发提高了效率、节约了成本。

3 装配实例

图4为用多Agent系统进行装配定位的一个实例。装配要求为:某机翼的翼梁模型由三段连接而成,3个三坐标的柔性工装上分别夹持其中一段进行对接,由激光跟踪仪进行定位测量。为了对比效果,分两次进行对接,一次是基于传统的集中式控制方法,另一次是基于多Agent方法。

对接完成后再次使用激光跟踪仪对其设计轴线的同轴度进行测量,测量方法是在每段翼梁上分别取一个测量点A、B、C,分别测其空间 X、Y、Z的坐标,每个点测量三次,测量结果如表1和表2所示。

图4 装配实例图

表1 集中式控制方法测量的同轴度

表2 基于Agent方法测量的同轴度

从表中可以看出,与传统的集中式控制相比,运用基于多Agent的控制方法装配的定位精度(同轴度)大约提高了30%。另外,由于多Agent系统在控制方式和数据传递上都比集中式控制减少了中间环节,所以,其装配效率有很大提高。

4 结束语

本文首先设计了复杂结构件装配检测一体化系统的总体方案,该方案是一个集自动装配、适时检测、精确定位、批量数据处理、装配过程仿真等一体的综合系统。其次,提出了基于多Agent技术的控制思想,对系统进行了多Agent建模,将整个系统划分为系统管理Agent、柔性装配工装Agent、数据采集与定位Agent等独立的Agent,并根据装配过程的实际情况设计了单Agent的内部结构,从而为复杂结构件自动装配系统的各子系统设计提供了理论基础。装配实验表明,基于多Agent技术的控制方法,其定位精度和装配效率都得到很大的提高。

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Comp lex-structure Automatic Assembly System Based on Multi-agent

M iao Xingang Wang Su HuaiQiwu Guo Qian
Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing,100191

Comp lex-structure assemb ly detection integrated system included autom atic assemb ly,precision orientation,error checking,process simulation and data storage.Itwasmade up by flexible numerical control assem bly p latform,industrial robot,laser tracker and laser scanner.The cooperation of all parts is the key techno logy.It can be seen from analyses that the technology of multi-agent is very suitable for theassembly,so themulti-agentmodel ismade.Thewhole system can be divided into several separate agents,they can communicate by local area network,and they can negotiation by contract net protocol,so they can accom plish the assembly task reliably and effectively.

aircraft assembly;multi-agent;laser tracker;laser scanner;robot

TP273

1004—132X(2011)12—1440—04

2010—07—23

北京市教育委员会共建项目专项资助(20091024)

(编辑 何成根)

苗新刚,男,1973年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士研究生。研究方向为焊接机器人设计及控制系统、飞机自动装配系统。发表论文10余篇。汪 苏,男,1959年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授、博士研究生导师。怀其武,男,1985年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院硕士研究生。郭 倩,女,1987年生。北京航空航天大学机械工程及自动化学院硕士研究生。