本發(fā)明涉及機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要技術(shù)組成部分，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子裝配、金屬加工、化工等多個(gè)行業(yè)，能夠執(zhí)行高度重復(fù)性、精確度要求高的工作，代替人工完成危險(xiǎn)、繁重或精度要求高的作業(yè)，提升了生產(chǎn)效率，降低了人為失誤和安全風(fēng)險(xiǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人已成為提高生產(chǎn)力、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)競爭力的重要手段。

2、然而，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提升，制造業(yè)對機(jī)器人智能化、協(xié)作能力的需求也在不斷增長，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人缺乏自適應(yīng)能力，無法應(yīng)對生產(chǎn)過程中突發(fā)的變化或者復(fù)雜的協(xié)同工作任務(wù)，為了滿足日益復(fù)雜的制造需求，工業(yè)機(jī)器人需要從“孤立操作”向“協(xié)作優(yōu)化”的方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切。

3、隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)的功能和應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)展，未來，工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)將朝著更加智能化、自主化、分布化的方向發(fā)展。

4、但現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化方法存在如下技術(shù)問題：任務(wù)分配采用固定的或簡單的調(diào)度算法，如靜態(tài)分配或基于固定優(yōu)先級的調(diào)度方式，容易導(dǎo)致部分工業(yè)機(jī)器人過載，而其他工業(yè)機(jī)器人閑置，從而造成負(fù)載不均衡；分配機(jī)制極少考慮任務(wù)執(zhí)行效益和資源消耗的綜合權(quán)衡，導(dǎo)致任務(wù)分配效率低，無法充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的協(xié)作效益；缺乏對工業(yè)機(jī)器人資源消耗和狀態(tài)的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整機(jī)制，無法根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)負(fù)荷和資源狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配的優(yōu)化，會導(dǎo)致資源過度使用或資源緊張的工業(yè)機(jī)器人被持續(xù)分配任務(wù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和效率；路徑規(guī)劃缺乏對任務(wù)緊急性、路徑復(fù)雜度、障礙物動(dòng)態(tài)因素的綜合考慮；路徑規(guī)劃容易陷入局部最優(yōu)解，工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能頻繁選擇固定的路徑，導(dǎo)致路徑資源競爭和整體效率下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的任務(wù)分配采用固定的或簡單的調(diào)度算法，如靜態(tài)分配或基于固定優(yōu)先級的調(diào)度方式，容易導(dǎo)致部分工業(yè)機(jī)器人過載，而其他工業(yè)機(jī)器人閑置，從而造成負(fù)載不均衡；分配機(jī)制極少考慮任務(wù)執(zhí)行效益和資源消耗的綜合權(quán)衡，導(dǎo)致任務(wù)分配效率低，無法充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的協(xié)作效益；缺乏對工業(yè)機(jī)器人資源消耗和狀態(tài)的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整機(jī)制，無法根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)負(fù)荷和資源狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配的優(yōu)化，會導(dǎo)致資源過度使用或資源緊張的工業(yè)機(jī)器人被持續(xù)分配任務(wù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和效率；路徑規(guī)劃缺乏對任務(wù)緊急性、路徑復(fù)雜度、障礙物動(dòng)態(tài)因素的綜合考慮；路徑規(guī)劃容易陷入局部最優(yōu)解，工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能頻繁選擇固定的路徑，導(dǎo)致路徑資源競爭和整體效率下降的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明的一種工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)，具體包括以下技術(shù)方案：

3、一種工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1：創(chuàng)建任務(wù)分配矩陣，采用多目標(biāo)優(yōu)化的策略對任務(wù)分配矩陣進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)置約束條件，引入自適應(yīng)反饋調(diào)整機(jī)制，得到優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣；

5、s2：基于優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣，引入路徑選擇概率算法和路徑權(quán)重的更新機(jī)制進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成最優(yōu)的路徑；工業(yè)機(jī)器人基于最優(yōu)的路徑執(zhí)行任務(wù)。

6、優(yōu)選的，所述s1，具體包括：

7、多目標(biāo)優(yōu)化的策略的優(yōu)化目標(biāo)分為兩部分：一是最大化任務(wù)執(zhí)行的效益，二是最小化任務(wù)分配的成本。

8、優(yōu)選的，所述s1，具體包括：

9、在進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，計(jì)算每個(gè)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行每項(xiàng)任務(wù)所能帶來的效益，并在任務(wù)效益最大化的基礎(chǔ)上，減去因任務(wù)分配而產(chǎn)生的任務(wù)成本；同時(shí)計(jì)算每個(gè)工業(yè)機(jī)器人任務(wù)負(fù)載的均衡性，并最小化資源消耗，平衡工業(yè)機(jī)器人之間的工作負(fù)荷，多目標(biāo)優(yōu)化公式為：

10、

11、其中，wij(t)表示工業(yè)機(jī)器人i在時(shí)間t執(zhí)行任務(wù)，時(shí)產(chǎn)生的效益；γi(t)表示工業(yè)機(jī)器人i在時(shí)間t的反饋調(diào)整參數(shù)；cij(t)表示工業(yè)機(jī)器人i在時(shí)間t執(zhí)行任務(wù)j時(shí)的資源消耗量；aij(t)表示任務(wù)分配矩陣的元素；表示平衡負(fù)荷項(xiàng)；n為工業(yè)機(jī)器人數(shù)量；m為待分配的任務(wù)總數(shù)；表示工業(yè)機(jī)器人i在時(shí)間t被分配的任務(wù)總數(shù)；表示每個(gè)工業(yè)機(jī)器人理想情況下應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)數(shù)量。

12、優(yōu)選的，所述s1，具體包括：

13、設(shè)置的約束條件為：

14、第一點(diǎn)，任務(wù)獨(dú)占約束：每個(gè)任務(wù)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能被一個(gè)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行；

15、第二點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人任務(wù)容量約束：每個(gè)工業(yè)機(jī)器人在某一時(shí)刻任務(wù)執(zhí)行的數(shù)量不能超過最多可以執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量；

16、第三點(diǎn)，資源消耗約束：每個(gè)工業(yè)機(jī)器人在某一時(shí)刻所消耗的資源不應(yīng)超過設(shè)定的資源消耗閾值。

17、優(yōu)選的，所述s1，具體包括：

18、所述自適應(yīng)反饋調(diào)整機(jī)制，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的當(dāng)前資源消耗與資源消耗閾值之間的差距和工業(yè)機(jī)器人的資源消耗的時(shí)間變化率，得到反饋調(diào)整參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整任務(wù)分配的策略，優(yōu)化資源分配，得到優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣。

19、優(yōu)選的，所述s2，具體包括：

20、將任務(wù)執(zhí)行區(qū)域劃分為拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，定義為無向圖；同時(shí)定義節(jié)點(diǎn)狀態(tài)矩陣，得到工業(yè)機(jī)器人在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)，并設(shè)定約束條件；定義路徑規(guī)劃矩陣，描述工業(yè)機(jī)器人在路徑上的移動(dòng)情況，并設(shè)定路徑不交叉的約束。

21、優(yōu)選的，所述s2，具體包括：

22、基于優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣和路徑規(guī)劃矩陣，引入路徑選擇概率算法，結(jié)合路徑權(quán)重和擾動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人在不同節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)的概率；基于工業(yè)機(jī)器人在不同節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)的概率，調(diào)整路徑規(guī)劃矩陣，并選擇最優(yōu)的路徑。

23、優(yōu)選的，所述s2，具體包括：

24、引入路徑權(quán)重的更新機(jī)制，根據(jù)任務(wù)的緊急程度以及路徑的復(fù)雜度進(jìn)行路徑選擇；路徑權(quán)重更新的計(jì)算公式為：

25、

26、其中，wrs(t+1)表示在時(shí)間t+1從節(jié)點(diǎn)r移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)s的路徑權(quán)重；wrs(t)表示在時(shí)間t從節(jié)點(diǎn)r移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)s的路徑權(quán)重；表示調(diào)整路徑權(quán)重的動(dòng)態(tài)因子；表示任務(wù)緊急性因子，t′表示任務(wù)的截止時(shí)間；ci(t)表示工業(yè)機(jī)器人i到目前為止完成的工作量；co表示任務(wù)的總工作量；lrs(t)表示在時(shí)間t從節(jié)點(diǎn)r移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)s的路徑上障礙物數(shù)量；表示從節(jié)點(diǎn)r移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)s的路徑物理長度。

27、一種工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)，包括以下部分：

28、構(gòu)建任務(wù)分配模塊、優(yōu)化任務(wù)分配模塊、反饋調(diào)整模塊、約束條件管理模塊、路徑規(guī)劃優(yōu)化模塊、路徑權(quán)重更新模塊；

29、構(gòu)建任務(wù)分配模塊：確定工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)中存在的機(jī)器人數(shù)量以及待分配的任務(wù)總數(shù)，創(chuàng)建任務(wù)分配矩陣，將任務(wù)分配矩陣輸出至優(yōu)化任務(wù)分配模塊；

30、優(yōu)化任務(wù)分配模塊：基于構(gòu)建任務(wù)分配模塊的任務(wù)分配矩陣、反饋調(diào)整模塊的反饋調(diào)整參數(shù)和約束條件管理模塊的約束條件，采用了多目標(biāo)優(yōu)化的策略對任務(wù)分配矩陣進(jìn)行優(yōu)化，形成優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣，將優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣輸出至路徑規(guī)劃優(yōu)化模塊；

31、反饋調(diào)整模塊：引入自適應(yīng)反饋調(diào)整機(jī)制計(jì)算得到反饋調(diào)整參數(shù)，將反饋調(diào)整參數(shù)輸出至優(yōu)化任務(wù)分配模塊；

32、約束條件管理模塊：自定義約束條件，將約束條件輸出至優(yōu)化任務(wù)分配模塊和路徑規(guī)劃優(yōu)化模塊；

33、路徑規(guī)劃優(yōu)化模塊：基于優(yōu)化任務(wù)分配模塊的優(yōu)化后的任務(wù)分配矩陣、約束條件管理模塊的約束條件和路徑權(quán)重更新模塊的路徑權(quán)重，引入了路徑選擇概率算法計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)間路徑的概率；

34、路徑權(quán)重更新模塊：引入路徑權(quán)重的更新機(jī)制計(jì)算得到路徑權(quán)重，將路徑權(quán)重輸出至路徑規(guī)劃優(yōu)化模塊。

35、本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果是：

36、1、通過任務(wù)分配矩陣的建立以及多目標(biāo)優(yōu)化策略的引入，優(yōu)化了工業(yè)機(jī)器人與任務(wù)之間的匹配，在任務(wù)分配過程中，考慮了任務(wù)執(zhí)行的效益和資源消耗，將工業(yè)機(jī)器人資源的分配在達(dá)到最大化效益、最小化成本的同時(shí)，均衡了每個(gè)工業(yè)機(jī)器人的工作負(fù)荷，有效提高了任務(wù)執(zhí)行效率，并降低了因任務(wù)過載分配帶來的資源浪費(fèi)，確保工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)中各個(gè)工業(yè)機(jī)器人的工作負(fù)載趨于均衡，延長了工業(yè)機(jī)器人的使用壽命，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

37、2、通過多目標(biāo)優(yōu)化公式中的平衡負(fù)荷項(xiàng)，確保任務(wù)在工業(yè)機(jī)器人之間的分配接近平均任務(wù)量，同時(shí)平衡了工業(yè)機(jī)器人任務(wù)負(fù)荷，防止某些工業(yè)機(jī)器人過載運(yùn)行，不僅提升了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還減少了任務(wù)執(zhí)行過程中因過度分配引發(fā)的故障風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了工業(yè)機(jī)器人協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)的協(xié)作性能。

38、3、通過引入任務(wù)獨(dú)占約束、工業(yè)機(jī)器人任務(wù)容量約束以及資源消耗約束，可以有效避免多個(gè)工業(yè)機(jī)器人爭搶同一任務(wù)、過載執(zhí)行任務(wù)以及資源超負(fù)荷使用的問題，確保了任務(wù)的合理分配，避免了系統(tǒng)內(nèi)因資源分配不當(dāng)或任務(wù)分配過多導(dǎo)致的協(xié)作沖突和資源浪費(fèi)，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和資源利用效率。

39、4、通過引入自適應(yīng)反饋調(diào)整機(jī)制，實(shí)時(shí)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的資源消耗情況和變化趨勢動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)分配策略，確保資源緊張的工業(yè)機(jī)器人能減少任務(wù)分配，從而優(yōu)化系統(tǒng)資源使用，提高了系統(tǒng)的資源分配靈活性，使得工業(yè)機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)合理調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級，進(jìn)一步減少了資源浪費(fèi)，優(yōu)化了系統(tǒng)運(yùn)行的長期效益。

40、5、通過對任務(wù)執(zhí)行過程中路徑的高效選擇，避免了工業(yè)機(jī)器人在路徑上發(fā)生沖突和擁堵現(xiàn)象，提升了路徑選擇的靈活性，確保了工業(yè)機(jī)器人可以在復(fù)雜環(huán)境中高效、安全地執(zhí)行任務(wù)。

41、6、通過路徑權(quán)重更新機(jī)制，能夠根據(jù)任務(wù)緊急程度進(jìn)行智能調(diào)度，確保重要任務(wù)得到及時(shí)處理，同時(shí)避免危險(xiǎn)路徑的選擇，從而進(jìn)一步提升了整體系統(tǒng)的響應(yīng)速度和安全性。