一种移动式柔性打磨机器人工作站及调度方法与流程

本发明属于移动式柔性打磨机器人，也涉及涉及智能制造与机器人，具体涉及一种移动式柔性打磨机器人工作站及调度方法，用于管道支吊架，特别是核电建造场景中非标管道支吊架焊缝的自动化打磨抛光，以及该工作站的车间级调度方法。

背景技术：

1、在核电建造与预制施工过程中，管道支吊架焊缝打磨仍普遍依赖人工手持角磨机或砂纸作业，核电支吊架多为非标构件，规格繁杂且材质多样，人工打磨难以保证表面质量与焊缝处理一致性，作业效率低、劳动强度大以及粉尘危害突出，且无法满足核电领域对工艺稳定性与过程可追溯的严苛要求。

2、为提升自动化水平，部分核电支吊架预制车间引入机器人进行焊缝打磨，在其他工业领域，已有多款车载式打磨机器人公开，但多数采用agv自动导航小车作为移动载体，然而，agv方案在核电打磨场景下面临一系列固有缺陷：

3、 核电预制车间内物料堆放密集、工位布局随工程进度动态调整、通道内常有脚手架及电缆临时布设，agv依赖的固定导航路径和地面标识极易被破坏或遮挡，导致导航失效； 打磨作业产生的高频振动、金属粉尘及伺服驱动器产生的电磁干扰，对agv的激光雷达、磁导航传感器等精密部件构成严重威胁，故障率显著升高； agv在人员密集、物项杂乱的车间内运行，存在路径冲突和碰撞风险，同时其系统复杂性引入了新的不可控因素，与核电现场对设备本质安全和过程零异常的严苛要求存在矛盾； 高精度agv及其导航配套设施成本高昂，部署需进行场地测绘、标识敷设和系统调试，周期长且难以适应车间布局的动态变化。

4、而普通的人工手推平台驱动的打磨机器人则缺少锚定锁紧、系统高度集成与安全互锁功能，前者（agv方案）自动化水平高但成本高、部署复杂和环境适应性差；后者（手推平台）转场灵活、成本低廉但缺乏稳定作业所必需的锚定与安全保障，两者均无法兼顾移动柔性、打磨精度与核电场景对高安全性能的要求。

5、此外，在mes系统调度层面，现有技术也存在明显局限，现有的mes系统的任务调度主要集中在固定装备的作业排程或agv小车的物料转运路径优化，尚未涉及将人工辅助移动和主动锚定作业这类半移动式设备纳入统一调度的架构。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有核电管道支吊架焊缝打磨技术中存在的人工作业质量与效率低下、固定工作站柔性不足、agv车载打磨移动方案成本高且环境适应性差、手推平台缺少锚定与精准调姿，且现有mes系统调度架构无法覆盖半移动设备等缺陷，提供一种移动式柔性打磨机器人工作站及调度方法。

2、本发明运用如下的技术方案。

3、一种移动式柔性打磨机器人工作站的调度方法，包括：

4、步骤1：mes系统获取车间内所有工作站的相关信息来求解目标函数，得到任务与工作站的最优分配方案；

5、步骤2：mes系统通过无线网络将生产工单下发至最优分配方案中指定的工作站的工控机进行处理；

6、步骤3：操作人员确认任务后，人工辅助移动式承载平台离开当前工位，前往指定的打磨工位；

7、步骤4：移动式承载平台到达指定工位后，操作人员通过锚定按钮启动锚定机构与车间地面接触并锁紧固定；

8、步骤5：工控机接收到锚定到位的信号后，控制协作机械臂带动打磨头按规划路径对支架进行力控打磨；

9、步骤6：按规划路径对支架进行力控打磨完毕后，工控机控制协作机械臂自动复位至安全位置，打磨执行模块停止旋转，工控机自动生成任务完成报告；

10、步骤7：操作人员通过显示器对工控机发出锚定松开指令，工控机控制锚定机构反向动作，解除锚定，轮组恢复着地。

11、进一步的，步骤1具体包括：

12、定义车间共有n台可用的移动式柔性打磨机器人工作站，记为i={1, 2, …, n}，每一台工作站i在时刻t具有以下状态参数：

13、位置参数，其为工作站i当前所处的工位坐标，定义为预设的车间二维坐标系下的坐标；

14、状态参数，其包括待命状态、作业中状态、转场状态以及离线/维护状态；

15、负载因子，其为工作站i在当前任务周期内的累计作业时长与额定作业时长之比；

16、定义车间内共有k个待打磨任务，记为集合j= {1, 2, …, k}，每一个任务j具有以下属性：

17、工位位置，其为任务j所在工位的坐标；

18、预估作业时长，其为基于历史数据和当前支架类型的预估打磨时长；

19、到达时间窗，其包含任务的最早可开始时间和最晚完成时间；

20、前置依赖标志位，其为设定的任务j是否依赖于前一工位的工序完成信号。

21、进一步的，步骤1具体还包括：

22、目标函数定义为：

23、

24、其中：为总移动时间，，为操作人员的平均响应时间；为人工平均推行速度；为将任务j分配给工作站i时，工作站从当前位置赶到任务工位所需总转场耗时；为工作站i的当前位置坐标；为任务j所在工位坐标；

25、为加权作业时间，为当前时刻的工作站i的负载因子；为预估作业时长；

26、为设备负载均衡偏差，（）为max函数；

27、，，为权重系数；

28、为决策变量，表示任务j是否分配给工作站i，满足，且；

29、目标函数的约束条件包括：

30、负载均衡约束，即各工作站累计作业时长的偏差不超过设定上限；

31、锚定前置约束，即工作站i只有在锚定到位状态下才能开始作业。

32、进一步的，步骤1具体还包括：

33、基于目标函数及约束条件，mes系统随机生成多种任务派单方案，根据优化目标公式对每个派单方案进行适应度分析，筛选出适应度较高的方案；随后不断优化方案性能，最终拟合得到满足所有约束条件、且加权综合目标值最小的最优任务分配方案，实现多工作站与多任务的高效匹配，其具体步骤如下：

34、定义任务分配方案，其适应度函数直接由目标函数转换得到优化目标公式，该公式为：

35、；

36、其中=；=z；为极小偏移量；为适应度值；

37、当连续若干代的适应度值无提升，或达到预设最大迭代次数时，终止迭代，输出当前最优调度方案作为最优分配方案。

38、进一步的，在步骤2中，生产工单的工单信息包括任务的任务id、工位坐标、预估作业时长、到达时间窗和前置依赖标志；操作人员通过显示器接收到生产工单后，点击显示器上的接单按钮确认任务。

39、进一步的，在步骤4中，位置检测传感器持续监测锚定状态，待锚定完全到位后，向工控机反馈锚定到位的信号，工控机接收到该信号后，自动解锁协作机械臂的使能控制权限，移动式柔性打磨机器人工作站进入自动化加工程序就绪状态。

40、进一步的，在步骤6中，任务完成报告的内容包括任务id、实际作业时长、平均打磨力；工控机将该任务完成报告上报mes系统，mes系统记录任务完成报告中本次作业的所有数据，并将任务状态更新为已完成，关联至生产工单。

41、进一步的，在步骤7中，解除锚定后，协作机械臂重新进入使能锁定状态，等待下一次锚定到位信号的解锁；操作人员人工辅助移动式承载平台离开当前工位，根据mes系统下发的下一生产工单，移动至下一个任务工位或返回原来的待命区。

42、一种移动式柔性打磨机器人工作站，包括：

43、移动式承载平台、锚定机构、协作机械臂、2d视觉模块、打磨执行模块以及车载控制与集成模块；2d视觉模块为固定在协作机械臂末端的2d相机；打磨执行模块为安设在协作机械臂末端的电控打磨头；

44、锚定机构、协作机械臂、2d视觉模块、打磨执行模块以及车载控制与集成模块集成于移动式承载平台上，实现一体化移动与作业。

45、进一步的，移动式承载平台采用钢结构推车结构，钢结构推车结构的底部设万向轮或者定向轮组；钢结构推车结构的车身顶部设水平安装平台，用于搭载协作机械臂；车身背面设推手与扶手。

46、进一步的，车载控制与集成模块包括设置在移动式承载平台上的工控机和移动式承载平台的推手上方嵌入安装的显示器和锚定按钮；锚定按钮、显示器、协作机械臂、2d视觉模块和打磨执行模块均与工控机连接；该工控机通过车间无线网络与mes系统通信连接。

47、进一步的，锚定机构包括与工控机连接的设于移动式承载平台的底部四角的液压缸或电动缸，液压缸或电动缸的输出端设有与工控机连接的位置检测传感器，液压缸或电动缸的输出端的底部设有作为执行组件的锚定爪。

48、本发明的有益效果在于，和现有技术相比，本发明的技术效果包括：

49、本发明通过构建以设备实时状态和任务属性为核心的调度模型，配合无线派单终端实现系统决策和人工辅助执行的协同模式；采用人工辅助移动和锚定的方案，无需地面改造、轨道铺设或复杂导航标识部署，可快速适配核电车间物料堆放密集和通道动态变化的非结构化环境。相较于agv方案，本发明结构简单、成本低、部署快以及维护简便,且规避了振动、粉尘和电磁干扰对导航系统的失效风险； 创新的锚定和机械臂硬件安全互锁逻辑，从硬件源头杜绝了设备未固定即启动的风险，确保打磨过程中平台的绝对稳定性，同时安全互锁信号与mes异常上报联动，形成设备状态的全流程可追溯； 将半移动设备纳入mes统一调度，实现了系统派单和数据驱动的生产组织模式，调度模型融合设备实时位置、负载均衡和任务优先级等客观参数，优化资源利用率，完整的作业数据上报为质量追溯提供了坚实依据，推动车间管理向数字化、智能化转型。