專利名稱：用于移動焊接機器人自尋跡的位姿調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種焊接技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種用于移動焊接機器人的自
尋跡位姿調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
在焊前，如果只需將焊接機器人放在距焊縫一定距離的位置，而由焊接機器人根 據(jù)焊縫的特征信息自動尋找焊縫并調(diào)整自己的位姿到設(shè)定的待焊狀態(tài)，即由焊接機器人自 主的實現(xiàn)焊接對中及起始點的辨識，這將大大減少焊前準備工作的時間，使焊接機器人具 有了更高的自主性，這無疑是非常具有實際意義的。而位姿調(diào)整是自尋跡過程中一個最為 關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，能否調(diào)整到期望的焊接位置和姿態(tài)是決定整個自尋跡過程成功與否的關(guān)鍵。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，"移動焊接機器人坡口自尋跡位姿調(diào)整的軌跡規(guī)劃" 《機械工程學(xué)報》(2005， Vol 41， No. 5 :215-220)中提出了一種曲線與圓弧相組合的方案。 在軌跡調(diào)整過程中，焊接機器人先后退，然后分別作勻加速曲線運動，勻速圓周運動，最后 再做勻減速曲線運動，到達目標位姿時角速度為零。理想的情況下，它能得到一個較為精確 的結(jié)果。但在實際過程中，坡口加工精度，裝配間隙的一致性等許多因素使得單純依靠激光 條紋與焊縫之間位置關(guān)系，很難得到精確的切入角度；另外，如果規(guī)劃的軌跡沒有使焊槍與 焊縫之間形成閉環(huán)的關(guān)系，在位姿調(diào)整過程中，諸如轉(zhuǎn)動慣量，驅(qū)動輪的電氣參數(shù)，外部作 業(yè)環(huán)境等諸多不確定性因素的影響，也極有可能導(dǎo)致最終的調(diào)整失敗。因此上述的調(diào)整方 法在實際生產(chǎn)中是難以應(yīng)用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于移動焊接機器人的自尋跡位 姿調(diào)整方法，通過實時采集數(shù)據(jù)并基于最小二乘法實現(xiàn)切入角的精確辨識，達到穩(wěn)定、可 靠、較短距離地實現(xiàn)了移動焊接機器人的焊前自尋跡的位姿調(diào)整，提高了移動焊接機器人 的智能化水平。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 首先移動焊接機器人根據(jù)焊接機器人本體的姿態(tài)及激光條紋傳感器投射到焊縫 坡口上的畸變特征初略計算初始切入角，然后進行直線前進+向焊接方向作勻速圓周的預(yù) 調(diào)整，如果沒有調(diào)整到位，再基于最小二乘法精確求解切入角，最后進行精確的位姿調(diào)整， 使其達到期望的目標位姿，完成自尋跡任務(wù)。
本發(fā)明包括以下步驟 第一步、使得焊接機器人以切入角小于等于90。的方向前行，根據(jù)焊接坡口的特 征模型搜尋到焊縫； 所述的切入角是指移動焊接機器人的縱向中軸線或其延長線與焊縫在焊接方向 與的夾角。 第二步、根據(jù)焊接機器人的姿態(tài)及激光條紋投射到坡口上的畸變特征得到移動焊接機器人的初始切入角，當(dāng)初始切入角小于20°時，執(zhí)行第四步；當(dāng)初始切入角在20
90°范圍時，執(zhí)行第三步； 第三步、對焊接機器人進行差位預(yù)調(diào)整使移動焊接機器人的切入角小于等于 20° ; 所述的差位預(yù)調(diào)整是指沿初始切入角減去5 10°的方向依次進行直線前進和
轉(zhuǎn)動調(diào)整， 所述直線前進是指 當(dāng)焊接機器人的驅(qū)動輪或者輔助自由輪距焊縫中心線的距離均不大于焊接機器 人軸距時，則直線前進的距離為兩者中的較小距離； 當(dāng)焊接機器人的驅(qū)動輪或者輔助自由輪距焊縫中心線的距離均大于焊接機器人 軸距時，則直線前進的距離為焊接機器人軸距； 所述的焊接機器人軸距是指焊接機器人的驅(qū)動輪和輔助自由輪的間距。
所述的轉(zhuǎn)動調(diào)整是指焊接機器人以轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動進行初步調(diào)整。 第四步，應(yīng)用最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整，使移動焊接機器人位于焊縫
的下方，且移動焊接機器人車體平行于焊縫，焊槍位于焊縫中心。 所述的最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整是指 4. 1)焊接機器人在前進同時按時間步長對傳感器與焊縫之間的偏差進行實時采 集，然后將偏差組成偏差數(shù)據(jù)列后對焊接機器人與焊縫之間的夾角，即切入角進行最小二 乘法辨識得到焊接機器人的位姿調(diào)整參數(shù)； 4. 2)焊接機器人根據(jù)位姿調(diào)整參數(shù)進行移動直至焊槍位于焊縫的上方，然后焊接 機器人向焊接方向作勻速圓周運動一周，直至焊槍回到焊縫中心，移動焊接機器人的運動停止。 所述的最小二乘法辨識是指利用最小二乘法得到偏差數(shù)據(jù)數(shù)列中每一個偏差對
應(yīng)的切入角，當(dāng)切入角小于偏差閾值則設(shè)定位姿調(diào)整參數(shù)為零度且自尋跡完成；否則，判定
下一個切入角，同時設(shè)定位姿調(diào)整參數(shù)為指向焊接方向的轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動，
直至使切入角小于偏差閾值。 所述的偏差閾值為10 20° 所述的轉(zhuǎn)動半徑R滿足i 二 一 VZ) COt 一 6 ; 其中e為切入角，v為焊接機器人直線運動階段的線速度，t為以線速度v直線 運動的時間，a為焊接機器人的兩驅(qū)動輪中點到其十字滑架中心的距離，b為焊槍尖到焊接 機器人的滑架中心的距離。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的先直線前進再圓弧調(diào)整的自尋跡位姿調(diào)整方法， 在調(diào)整過程中，不管位姿是否調(diào)整到位，但最終都能使焊槍回到焊縫中心，這保證了算法的 穩(wěn)定性和可靠性；而通過最小二乘法的精確辨識切入角，大大提高了位姿調(diào)整的精度，也為 一次調(diào)整到位提供了先決條件，同時也大大縮短了實際調(diào)整距離。因此，該調(diào)整方法具有相 當(dāng)?shù)膶嶋H應(yīng)用價值，滿足實際工程應(yīng)用需要。


圖1為實施例中當(dāng)切入角較小時的位姿調(diào)整過程示意圖； 其中(a)為直線前進并基于最小二乘法求切入角；(b)為焊接機器人繼續(xù)直線前
進到位；(c)為焊接機器人圓弧方式調(diào)整，位姿調(diào)整到位。
圖2為實施例中當(dāng)切入角較大時，其位姿調(diào)整過程示意圖； 其中(a)為焊接機器人位姿調(diào)整前尋找到焊縫的初始狀態(tài)；(b)為焊接機器人直 線前進；(c)為焊接機器人圓弧方式預(yù)調(diào)整；(d)為直線前進并基于最小二乘法辨識再次辨 識焊接機器人的切入角；(e)為焊接機器人二次調(diào)整直線前進到位；(f)焊接機器人再次圓 弧方式調(diào)整，位姿調(diào)整到位。
圖3為實施例中直線前進距離的計算示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 本實施例涉及的焊接機器人包括包括移動焊接機器人車體、十字滑架、焊槍和 激光視覺傳感器，其中焊槍位于移動焊接機器人車體的一側(cè)，且焊槍與十字滑架的橫向滑 架相連，橫向滑架安裝于縱向滑架上，然后縱向滑架固定于移動焊接機器人車體上，移動焊 接機器人本體由左右兩個驅(qū)動輪驅(qū)動，為了提供車體的穩(wěn)定性，在車體的前后各安裝了一 個自由輔助輪，為了使移動焊接機器人具有一定的爬坡能力和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在車體 的底部以及左右驅(qū)動輪上都安裝了強磁鐵。 所述的十字滑架的縱向滑架帶動橫向滑架以及焊槍一起上下移動，橫向滑架帶動 激光視覺傳感器和焊槍一起左右移動。 所述的激光視覺傳感器用于焊縫偏差的識別和處理。 所述的移動焊接機器人車體是差速驅(qū)動的移動焊接機器人車體，其軌跡通過兩驅(qū)
動輪的差速實現(xiàn)各種軌跡的控制。
本實施例包括步驟如下 第一步、移動焊接機器人以《90°的任意角度前行，根據(jù)焊接坡口的特征模型搜 尋到焊縫； 第二步、結(jié)合焊接機器人本體的姿態(tài)，以及激光條紋投射到坡口上的畸變特征，得 到移動焊接機器人的初始切入角。當(dāng)初始切入角小于20。時，執(zhí)行第三步；當(dāng)初始切入角 在20 90°范圍時，執(zhí)行第四步； 第三步，直接應(yīng)用最小二乘法進行位姿調(diào)整，使移動焊接機器人位于焊縫的下方， 且移動焊接機器人車體平行于焊縫，焊槍位于焊縫中心。 所述的應(yīng)用最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整的過程如圖1所示，移動焊接機 器人找到焊縫(&點)以后，移動焊接機器人從&繼續(xù)直線前進，當(dāng)?shù)竭_F' 2時，系統(tǒng)采 集到足夠的偏差數(shù)據(jù)，基于最小二乘法得到此時移動焊接機器人精確的切入角e (如圖 l(a)所示)，如果小于設(shè)定的閾值，自尋跡完成；否則，移動焊接機器人繼續(xù)直線前進至F3后(如圖1(b)所示)，開始進行圓弧方式調(diào)整-移動焊接機器人向焊接方向作轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動，直至焊槍回到焊縫中心線^，位姿調(diào)整結(jié)束(如圖1(c)所示)，其中，F(xiàn)2F' 2F3F4為移動焊接機器人一次調(diào)整到位的位姿調(diào)整軌跡。
所述的轉(zhuǎn)動半徑R滿足及=("—V/) COt ^ — 6 其中V為直線運動階段的線速度，t為以線速度v直線運動的時間，a為兩驅(qū)動輪中點到十字滑架中心的距離，b為焊槍尖到滑架中心的距離。 所述的直線前進的距離小于或者等于兩驅(qū)動輪中點到十字滑架中心的距離a。
第四步，先按初始切入角9 1進行差位預(yù)調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后使移動焊接機器人的切入角e2《20° ，然后再應(yīng)用最小二乘法進行精確位姿調(diào)整，使移動焊接機器人位于焊縫的下方，且移動焊接機器人車體平行于焊縫，焊槍位于焊縫中心，從而完成自尋跡的位姿調(diào)整。 所述的差位預(yù)調(diào)整是指移動焊接機器人從&(如圖2(a)所示)直線前進到FJ如圖2(b)所示)，然后按初始切入角9 1-5 10°向焊接方向作轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動，直至使焊槍回到焊縫中心^點(如圖2(c)所示)且小車車體姿態(tài)與焊接方向的夾角e 2《20° 。 所述的轉(zhuǎn)動半徑R滿足 i = (" - Vf) COt _ ^ ;所述的切入角滿足e = 9 1-5 10° ; 所述的直線前進距離為靠近焊縫的驅(qū)動輪或者前面的輔助自由輪距焊縫中心線的最小者，且不大于a; 如圖2(d)所示，移動焊接機器人繼續(xù)直線前進至&點，系統(tǒng)得到足夠的偏差數(shù)據(jù)，通過最小二乘法精確辨識得到此時移動焊接機器人的切入角9 2，如果小于設(shè)定的閾值，則自尋跡位姿調(diào)整結(jié)束；否則移動焊接機器人繼續(xù)前進，直至到達Fe點(如圖2(e)所示)，然后再次作向焊接方向的勻速圓周運動，移動焊接機器人經(jīng)過圓弧調(diào)整后，焊槍達到&點，此時焊槍回到焊縫中心，而移動焊接機器人車體與焊縫平行，且位于焊縫的下方(如圖2(f)所示)，其中F2F3F4F5F6F7即為移動焊接機器人兩次位姿調(diào)整的運動軌跡。
本實施例的效果 本實施例基于最小二乘法對切入角進行精確辨識，采用先直線前進，然后向焊接方向作勻速圓周運動的位姿調(diào)整方法，穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)了焊接機器人自尋跡過程中的位姿調(diào)整任務(wù)，克服了已有技術(shù)中存在的各種影響因素的影響，其調(diào)整方法穩(wěn)定，可靠，算法調(diào)整距離短，位姿調(diào)整精確，具有實際生產(chǎn)應(yīng)用價值，極大地提高了系統(tǒng)的智能化程度。
權(quán)利要求
一種用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、要求焊接機器人以切入角小于等于90°的方向前行，根據(jù)焊接坡口的特征模型搜尋到焊縫；第二步、根據(jù)焊接機器人的姿態(tài)及激光條紋投射到坡口上的畸變特征得到移動焊接機器人的初始切入角當(dāng)初始切入角小于20°時，執(zhí)行第四步；當(dāng)初始切入角在20～90°范圍時，執(zhí)行第三步；第三步、對焊接機器人進行差位預(yù)調(diào)整使移動焊接機器人的切入角小于等于20°；第四步，應(yīng)用最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整，使移動焊接機器人位于焊縫的下方，且移動焊接機器人車體平行于焊縫，焊槍位于焊縫中心。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的切入角是指移動焊接機器人的縱向中軸線或其延長線與焊縫在焊接方向與的夾角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的差位預(yù)調(diào)整是指沿初始切入角減去5 10°的方向依次進行直線前進和轉(zhuǎn)動調(diào)整。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所述直線前進是指當(dāng)焊接機器人的驅(qū)動輪或者輔助自由輪距焊縫中心線的距離均不大于焊接機器人軸距時，則直線前進的距離為兩者中的較小距離；當(dāng)焊接機器人的驅(qū)動輪或者輔助自由輪距焊縫中心線的距離均大于焊接機器人軸距 時，則直線前進的距離為焊接機器人軸距；所述的焊接機器人軸距是指焊接機器人的驅(qū)動輪和輔助自由輪的間距。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的轉(zhuǎn)動調(diào)整是指焊接機器人以轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動進行初步調(diào)整。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整是指焊接機器人在前進同時按時間步長對傳感器與焊縫之間的偏差進行實時采集，然后將 偏差組成偏差數(shù)據(jù)列后對焊接機器人與焊縫之間的夾角，即切入角進行最小二乘法辨識得 到焊接機器人的位姿調(diào)整參數(shù)；焊接機器人根據(jù)位姿調(diào)整參數(shù)進行移動直至焊槍位于焊縫的上方，然后焊接機器人向 焊接方向作勻速圓周運動一周，直至焊槍回到焊縫中心，移動焊接機器人的運動停止。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的最小二乘法辨識是指利用最小二乘法得到偏差數(shù)據(jù)數(shù)列中每一個偏差對應(yīng)的切入 角，當(dāng)切入角小于偏差閾值則設(shè)定位姿調(diào)整參數(shù)為零度且自尋跡完成；否則，判定下一個切 入角，同時設(shè)定位姿調(diào)整參數(shù)為指向焊接方向的轉(zhuǎn)動半徑為R的勻速圓周運動，直至使切 入角小于偏差閾值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的轉(zhuǎn)動半徑R滿足i = (a — V/) COt— Z ;其中e為切入角，v為焊接機器人直線運動階段的線速度，t為以線速度v直線運動的時間，a為焊接機器人的兩驅(qū)動輪中點到其十字滑架中心的距離，b為焊槍尖到焊接機器 人的滑架中心的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，其特征是，所 述的偏差閾值為10 20° 。
全文摘要
一種自動化焊接技術(shù)領(lǐng)域的用于移動焊接機器人的自尋跡位姿調(diào)整方法，包括使得焊接機器人以切入角小于等于90°的方向前行，根據(jù)焊接坡口的特征模型搜尋到焊縫；根據(jù)焊接機器人的姿態(tài)及激光條紋投射到坡口上的畸變特征得到移動焊接機器人的初始切入角；對焊接機器人進行差位預(yù)調(diào)整使移動焊接機器人的切入角小于等于20°；應(yīng)用最小二乘法進行焊前自尋跡位姿調(diào)整，使移動焊接機器人位于焊縫的下方，且移動焊接機器人車體平行于焊縫，焊槍位于焊縫中心。本發(fā)明采用閉環(huán)反饋控制，實現(xiàn)了移動焊接機器人在切入角0～90°范圍內(nèi)焊前自尋跡的精確位姿調(diào)整，穩(wěn)定可靠，且調(diào)整距離短，對外界環(huán)境具有較強的抗干擾能力。
文檔編號G05D3/00GK101706665SQ20091031080
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者吳毅雄, 張悅, 張軻, 金鑫 申請人:上海交通大學(xué)