專利名稱：一種焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接加工切割領(lǐng)域，尤其是一種激光熔覆機(jī)器人與外部軸的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，具體是一種焊接機(jī)器人與2軸變位機(jī)之間的位姿關(guān)系標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
激光再制造過程以激光熔覆為修復(fù)技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合激光快速成型技術(shù)和現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)零件進(jìn)行修復(fù)和提高。激光再制造機(jī)器人是基于激光技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的高度集成系統(tǒng)，它將機(jī)器人與激光器耦合，具有良好的加工柔性。機(jī)器人提供五個(gè)或六個(gè)可編程的運(yùn)動(dòng)軸，其有效工作空間和容許空間受到運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的限制，因此需要利用變位機(jī)等輔助設(shè)備來提供冗余自由度，如圖1所示?；跈C(jī)器人的激光再制造系統(tǒng)，機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定是機(jī)器人與變位機(jī)高效協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的前提，也是離線編程技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉圣祥碩士論文“弧焊機(jī)器人離線編程實(shí)用化研究”提出了基于旋傾變位機(jī)的五點(diǎn)標(biāo)定法，記錄TCP點(diǎn)在五個(gè)不同的位置的位姿數(shù)據(jù)，通過計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。該方法簡(jiǎn)單快速，但易受偶然因素的影響，隨機(jī)誤差較大，難以滿足高精度激光熔覆的需求。文中提出了基于最小二乘法的球面擬合標(biāo)定法，對(duì)機(jī)器人與旋傾變位機(jī)的位姿關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。通過激光熔覆技術(shù)對(duì)重要的零部件進(jìn)行表面改性是降低成本，提高性能的一種非常重要的手段，但一些工件曲面非常復(fù)雜，零件尺寸大，僅僅依靠機(jī)器人本身的6個(gè)自由度難以有效地完成這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，其有效工作空間和容許空間受到運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的限制，因此需要利用變位機(jī)等輔助設(shè)備來提供冗余自由度。機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定是機(jī)器人與變位機(jī)高效協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的前提，也是離線編程技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種激光熔覆機(jī)器人與旋傾兩軸變位機(jī)的位姿標(biāo)定方法，具有較高的精度，完全滿足高精度激光熔覆的離線編程的實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)需要。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，包括如下步驟步驟1:通過機(jī)器人控制器使變位機(jī)分別繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)到多個(gè)位置，記錄TCP點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置的位姿數(shù)據(jù)并建立球面方程，基于最小二乘法擬合最優(yōu)球面，從而求得變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)；步驟2 :通過機(jī)器人控制器使變位機(jī)分別繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)到多個(gè)位置，讓TCP點(diǎn)在變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸軸向和傾斜軸軸向作多點(diǎn)標(biāo)記，基于矢量叉乘的方法進(jìn)一步求得各坐標(biāo)軸的方向矢量，從而實(shí)現(xiàn)位姿關(guān)系標(biāo)定。優(yōu)選地，所述基于矢量叉乘的方法進(jìn)一步求得各坐標(biāo)軸的方向矢量的步驟，具體為，先讓變位機(jī)處于旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸的零位，并使TCP點(diǎn)與變位機(jī)標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)的TCP位置；然后使變位機(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)新的位置，分別使TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)TCP的位置；然后保持當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸的位置不動(dòng)，讓變位機(jī)繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同的位置，并使機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)TCP的位置數(shù)據(jù)；然后基于同一平面上兩個(gè)不同的矢量叉乘得到垂直于該平面的法向矢量，分別求得變位機(jī)坐標(biāo)軸的方向矢量。優(yōu)選地，在求取坐標(biāo)軸的方向矢量時(shí)，如果所取點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離值與期望值差別較大，則重新取點(diǎn)；其中，所采用的方法是誤差閾值的方法，當(dāng)實(shí)際值與期望值的差值除以期望值大于設(shè)定的閾值時(shí)，則重新取點(diǎn)，這進(jìn)該方法可以有效減小隨機(jī)誤差，避免偶然因素的影響，具有較聞的標(biāo)定精度。優(yōu)選地，所述步驟I具體包括如下步驟步驟1.1 :首先在變位機(jī)卡盤上做一標(biāo)記點(diǎn)，當(dāng)變位機(jī)傾斜軸J2處于0°、-40°、-30°、-20° ,-10°、10°、20°、30°、40°、50°、60° 時(shí)，執(zhí)行步驟設(shè)置變位機(jī)協(xié)調(diào)功能，變位機(jī)為主動(dòng)組，機(jī)器人為從動(dòng)組；示教機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，啟用變位協(xié)調(diào)功能，使變位機(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸J1旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)動(dòng)的過程中TCP點(diǎn)會(huì)始終保持與標(biāo)記點(diǎn)重合；變位機(jī)隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到20個(gè)位置，記錄相應(yīng)TCP點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)；步驟1. 2 :將采集的TCP點(diǎn)位姿數(shù)據(jù)整理，建立球面誤差方程，基于最小二乘法誤差的平方和最小原則，建立線性方程組從而求得球心在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的位置和球面半徑，其中，所述球心即為變位機(jī)基坐系原點(diǎn)。優(yōu)選地，所述步驟2具體包括如下步驟先使傾斜軸J2處于零位，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸J1轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)角度，標(biāo)記點(diǎn)分別到達(dá)兩個(gè)不同的位置，示教機(jī)器人TCP與標(biāo)記點(diǎn)重合；讓旋轉(zhuǎn)軸J1不動(dòng)，傾斜軸J2分別傾轉(zhuǎn)兩個(gè)角度，標(biāo)記點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)不同的位置，然后示教機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄標(biāo)記點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)；依據(jù)同一平面上的兩個(gè)矢量作叉乘即可得到垂直于該平面的方向矢量，進(jìn)一步求得變位機(jī)基坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向矢量。在優(yōu)選的方案中，變位機(jī)為2軸的旋傾變位機(jī)，一個(gè)是繞水平方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，一個(gè)是繞垂直方向旋轉(zhuǎn)的傾斜軸，兩個(gè)軸均為機(jī)器人的外部軸，便于機(jī)器人和變位機(jī)通過機(jī)器人控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，建立變位機(jī)基坐標(biāo)系，傾斜軸為Z軸，旋轉(zhuǎn)軸為Y軸，坐標(biāo)系原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸軸線與傾斜軸軸線的交點(diǎn)0，與Y軸、Z軸垂直且符合右手定則的另一軸為X軸。在變位機(jī)卡盤上任取一點(diǎn)，無論變位機(jī)繞傾斜軸傾斜還是繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，該點(diǎn)到變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)O點(diǎn)的距離始終保持不變。即該點(diǎn)在以原點(diǎn)為球心，至原點(diǎn)的距離為半徑的球面上?；谶@一規(guī)律，可以通過變位機(jī)卡盤上一點(diǎn)隨變位機(jī)分別旋轉(zhuǎn)或傾斜到多個(gè)位置，記錄TCP點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置的位姿數(shù)據(jù)并建立球面方程，采用最小二乘法擬合最優(yōu)球面，從而求得變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)。然后采用同樣的方法，讓TCP點(diǎn)在變位機(jī)兩個(gè)軸向作多點(diǎn)標(biāo)記，依據(jù)在同一平面上的兩個(gè)矢量作叉乘即可得到垂直于該平面的方向矢量，可進(jìn)一步求得坐標(biāo)系各軸的方向矢量，從而得到變位機(jī)相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣，從而實(shí)現(xiàn)變位機(jī)位姿關(guān)系標(biāo)定。為消除偶然因素的影響，提出了距離偏差率概念并設(shè)定取點(diǎn)閾值判定方法，進(jìn)一步提聞了標(biāo)定精度。本發(fā)明是采用卡盤上一點(diǎn)隨變位機(jī)運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)多點(diǎn)坐標(biāo)值，然后基于最小二乘法擬合最優(yōu)球面從而求得變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)，而通過多點(diǎn)標(biāo)記法采用矢量叉乘得到坐標(biāo)軸方向矢量從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人變位機(jī)的位姿關(guān)系標(biāo)定，而當(dāng)在求方向矢量取點(diǎn)時(shí)，如果所取點(diǎn)超過設(shè)定的偏差率閾值則需重新取點(diǎn)，進(jìn)一步提高了標(biāo)定的準(zhǔn)確性。相對(duì)于常規(guī)的僅僅取三個(gè)點(diǎn)或者五個(gè)點(diǎn)的“三點(diǎn)法”或者“五點(diǎn)法”標(biāo)定精度顯然提高了很多，經(jīng)過標(biāo)定后，離線編程的程序不需要修正或者只需要很少的修正就可直接用于生產(chǎn)實(shí)際，便于離線編程程序的實(shí)際應(yīng)用，具有較大的實(shí)用價(jià)值。


通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯圖1為變位機(jī)坐標(biāo)系定義；圖2為變位機(jī)標(biāo)記過程示意圖；圖3為基于最小二 乘法的球面法擬合結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。( I)第一步、擬合球面法求坐標(biāo)系原點(diǎn)如圖1所示，本發(fā)明定義變位機(jī)基坐標(biāo)系的傾斜軸軸向?yàn)閆軸方向，旋轉(zhuǎn)軸軸向?yàn)閅軸方向，與Y軸、Z軸垂直且符合右手定則的另一軸為X軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸軸線與傾斜軸軸線的交點(diǎn)O。設(shè)待擬合球面球心為O (A，B, C)，半徑為R。在變位機(jī)卡盤上任取一點(diǎn)A，示教機(jī)器人TCP點(diǎn)與A點(diǎn)重合，啟用變位協(xié)調(diào)功能?？刂谱兾粰C(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸J1旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)動(dòng)的過程中TCP點(diǎn)會(huì)始終保持與A點(diǎn)重合。變位機(jī)隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到20個(gè)位置，記錄此時(shí)TCP點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)。然后再讓變位機(jī)傾斜軸J2分別處于-40°、-30°、-20°、-10°、10°、20°、30°、40°、50°、60°等角度時(shí)，機(jī)器人和變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)器人TCP在變位機(jī)各個(gè)角度時(shí)相應(yīng)的位姿數(shù)據(jù)。設(shè)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)集為Pi (Xi, Yi, Zi)，I≤i≤N，待擬合球面球心為O (A，B，C)，半徑為R，每個(gè)點(diǎn)到球心的距離為Di,則
權(quán)利要求
1.一種焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1:通過機(jī)器人控制器使變位機(jī)分別繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)到多個(gè)位置，記錄TCP點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置的位姿數(shù)據(jù)并建立球面方程，基于最小二乘法擬合最優(yōu)球面，從而求得變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)；步驟2 :通過機(jī)器人控制器使變位機(jī)分別繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)到多個(gè)位置，讓TCP點(diǎn)在變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸軸向和傾斜軸軸向作多點(diǎn)標(biāo)記，基于矢量叉乘的方法進(jìn)一步求得各坐標(biāo)軸的方向矢量，從而實(shí)現(xiàn)位姿關(guān)系標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，其特征在于，所述基于矢量叉乘的方法進(jìn)一步求得各坐標(biāo)軸的方向矢量的步驟，具體為，先讓變位機(jī)處于旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸的零位，并使TCP點(diǎn)與變位機(jī)標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)的TCP位置；然后使變位機(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)新的位置，分別使TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)TCP的位置；然后保持當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸的位置不動(dòng)，讓變位機(jī)繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同的位置，并使機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄下此時(shí)TCP的位置數(shù)據(jù)；然后基于同一平面上兩個(gè)不同的矢量叉乘得到垂直于該平面的法向矢量，分別求得變位機(jī)坐標(biāo)軸的方向矢量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，其特征在于，在求取坐標(biāo)軸的方向矢量時(shí)，如果所取點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離值與期望值差別較大，則重新取點(diǎn)；其中，所采用的方法是誤差閾值的方法，當(dāng)實(shí)際值與期望值的差值除以期望值大于設(shè)定的閾值時(shí)，則重新取點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟I具體包括如下步驟步驟1.1 :首先在變位機(jī)卡盤上做一標(biāo)記點(diǎn)，當(dāng)變位機(jī)傾斜軸J2處于0°、-40°、-30°、-20° ,-10°、10°、20°、30°、40°、50°、60° 時(shí)，執(zhí)行步驟設(shè)置變位機(jī)協(xié)調(diào)功能，變位機(jī)為主動(dòng)組，機(jī)器人為從動(dòng)組；示教機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，啟用變位協(xié)調(diào)功能，使變位機(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸J1旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)動(dòng)的過程中TCP點(diǎn)會(huì)始終保持與標(biāo)記點(diǎn)重合；變位機(jī)隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到20個(gè)位置，記錄相應(yīng)TCP點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)；步驟1. 2 :將采集的TCP點(diǎn)位姿數(shù)據(jù)整理，建立球面誤差方程，基于最小二乘法誤差的平方和最小原則，建立線性方程組從而求得球心在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的位置和球面半徑，其中，所述球心即為變位機(jī)基坐系原點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟2具體包括如下步驟先使傾斜軸J2處于零位，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸J1轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)角度，標(biāo)記點(diǎn)分別到達(dá)兩個(gè)不同的位置，示教機(jī)器人TCP與標(biāo)記點(diǎn)重合；讓旋轉(zhuǎn)軸J1不動(dòng)，傾斜軸J2分別傾轉(zhuǎn)兩個(gè)角度，標(biāo)記點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)不同的位置，然后示教機(jī)器人TCP點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)重合，記錄標(biāo)記點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)；依據(jù)同一平面上的兩個(gè)矢量作叉乘即可得到垂直于該平面的方向矢量，進(jìn)一步求得變位機(jī)基坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向矢量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法，定義變位機(jī)傾斜軸為Z軸，旋轉(zhuǎn)軸為Y軸，坐標(biāo)系原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸軸線與傾斜軸軸線的交點(diǎn)O，與Y，Z軸垂直且符合右手定則的另一軸為X軸。通過機(jī)器人控制器使變位機(jī)分別繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)到多個(gè)位置，記錄TCP點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置的位姿數(shù)據(jù)并建立球面方程，基于最小二乘法擬合最優(yōu)球面，從而求得變位機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)。然后采用同樣的方法，讓TCP點(diǎn)在變位機(jī)兩個(gè)軸向作多點(diǎn)標(biāo)記，基于矢量叉乘的方法可進(jìn)一步求得各坐標(biāo)軸的方向矢量，從而實(shí)現(xiàn)位姿關(guān)系標(biāo)定。本發(fā)明為消除偶然因素的影響，提出了距離偏差率概念并設(shè)定取點(diǎn)閾值判定方法，提高了標(biāo)定精度。
文檔編號(hào)G01C21/20GK103063213SQ20131000252
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者張軻, 朱曉鵬, 李鑄國(guó), 涂志強(qiáng), 黃潔 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)