CN101700596A - 移动焊接机器人焊前自寻迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动焊接机器人焊前自寻迹的方法，包括步骤如下：移动焊接机器人以≤180°的角度前行，由焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；结合移动焊接机器人本体的姿态和焊缝坡口上的畸变特征，得到移动焊接机器人的初始切入角，当初始切入角较小时，直接进行基于最小二乘法的精确位姿调整；当初始切入角较大时，选择进行差位调整或者过位调整，然后再进行基于最小二乘法的精确位姿调整，直至使移动焊接机器人本体与焊缝平行，焊枪位于焊缝中心。本发明使焊枪与焊缝之间形成了闭环与反馈关系，每次调整后都使焊枪回到焊缝中心；基于最小二乘法得到的切入角更准确；实现了移动焊接机器人在切入角0°-180°范围内任意角度任意焊接方向焊前自寻迹的位姿调整。

Description

移动焊接机器人焊前自寻迹的方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接技术领域的方法，具体是一种移动焊接机器人焊前自寻迹的方法。

背景技术

利用机器人进行焊接前，如果只需将机器人放在距焊缝一定距离的位置，而由机器人根据焊缝的特征信息自动寻找焊缝并调整自己的位姿到设定的待焊状态，即由机器人自主的实现焊接对中及起始点的辨识，这将大大减少焊前准备工作的时间，使机器人具有了更高的自主性和智能，那么这对于大型结构件的高效自动化焊接无疑是非常具有实际意义的。

经对现有文献检索发现，2004年《机器人》上刊登的“移动焊接机器人坡口自寻迹算法及实现”一文，提供了一种焊前自寻迹的实现方法：焊前移动焊接机器人与焊缝线的角度以不大于90°的任意角度前行，在行进过程中根据坡口的特征模型不断进行焊缝辨识，成功识别到坡口后，得到移动焊接机器人的切入角，然后根据目标位置进行轨迹规划，并进行位姿调整。但该技术在实际生产中难以应用：坡口加工精度和装配间隙的一致性等因素使得单纯依靠激光条纹与焊缝之间位置关系，很难得到精确的切入角度；同时，由于焊枪和焊缝之间并没有形成闭环关系，一旦受到外部作业环境的干扰，焊枪就很难再回到焊缝线中心，最后也难以达到期望的目标位姿，导致最终的调整失败；不能实现90°-80°范围内的位姿调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出了一种移动焊接机器人焊前自寻迹的方法。本发明应用最小二乘法使得得到的切入角更加准确；通过预调整使得焊枪始终能回到焊缝中心，且实现了0°-180°大范围内任意焊接方向的焊前自寻迹。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，移动焊接机器人以≤180°的角度前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝。

第二步，结合移动焊接机器人本体的姿态和焊缝坡口上的畸变特征，得到移动焊接机器人的初始切入角θ，当初始切入角θ小于20°且焊接方向为正时，执行第三步；当初始切入角θ在20°-180°范围内且焊接方向为正时，执行第四步；当初始切入角θ位于0°-180°大范围内而焊接方向为负时，执行第五步。

所述的切入角是移动焊接机器人的纵向中轴线或其延长线与焊接方向的焊缝之间的夹角。

所述的焊接方向为正是移动焊接机器人自下向上向焊缝前行，在其自寻迹位姿调整结束后，移动焊接机器人位于焊缝的下方。

所述的焊接方向为负是移动焊接机器人自下向上向焊缝前行，在其自寻迹位姿调整结束后，移动焊接机器人位于焊缝的上方。

第三步，直接应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

所述的应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，是移动焊接机器人直线前进s′，并实时采集焊缝偏差数据，然后利用最小二乘法辨识得到此时移动焊接机器人精确的切入角θ′，如果小于设定的阈值，自寻迹完成；否则，移动焊接机器人继续直线前进s″，然后根据切入角θ′作向焊接方向的转动半径为R的匀速圆周运动，直至使此时的切入角小于设定的阈值。

所述的转动半径R满足：

其中：a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离，s′+s″≤a。

第四步，先对移动焊接机器人进行差位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ2≤20°，然后再应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

所述的差位预调整是指：移动焊接机器人直线前进s1，然后按照切入角θ1作向焊接方向的转动半径为R1的匀速圆周运动。

所述的转动半径R1满足：

其中：5°≤θ-θ1≤10°，s1≤a，a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离。

第五步，先对移动焊接机器人进行过位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ4≤20°，然后再利用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的上方，移动焊接机器人本体与焊缝平行，且焊枪位于焊缝中心。

所述的过位预调整是指：移动焊接机器人直线前进s2，然后按切入角θ3作向焊接方向的转动半径为R2的匀速圆周运动。

所述的转动半径R2满足：

其中：5°≤θ3-θ≤10°，s2≤a，a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过使移动焊接机器人先直线前进再作向焊接方向的匀速圆周运动的位姿调整方法，使焊枪与焊缝之间形成了闭环与反馈关系，不管是否调整到位，每次调整后都能使焊枪回到焊缝中心；基于最小二乘法的切入角精确辨识，为实现自寻迹位姿的精确调整提供了先决条件；实现了移动焊接机器人在切入角0°-180°大范围内任意角度任意焊接方向焊前自寻迹的位姿调整。

附图说明

图1为实施例第三步的位姿调整过程；

其中：(a)代表移动焊接机器人进行最小二乘法处理时的位姿；(b)代表移动焊接机器人直线前进结束的位姿；(c)代表移动焊接机器人焊前自寻迹位姿调整后的位姿。

图2为实施例第四步的位姿调整过程；

其中：(a)代表移动焊接机器人寻找到焊缝时的位姿；(b)代表移动焊接机器人进行差位预调整时直线前进结束的位姿；(c)代表移动焊接机器人进行差位预调整时向焊接方向作匀速圆周运动后的位姿；(d)代表移动焊接机器人应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整时进行最小二乘法处理时的位姿；(e)代表移动焊接机器人应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整时直线前进结束的位姿；(f)代表移动焊接机器人焊前自寻迹位姿调整后的位姿。

图3为实施例第五步的位姿调整过程；

其中：(a)代表移动焊接机器人寻找到焊缝时的位姿；(b)代表移动焊接机器人进行过位预调整时直线前进结束的位姿；(c)代表移动焊接机器人进行过位预调整时向焊接方向作匀速圆周运动后的位姿；(d)代表移动焊接机器人应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整时进行最小二乘法处理时的位姿；(e)代表移动焊接机器人应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整时直线前进结束的位姿；(f)代表移动焊接机器人焊前自寻迹位姿调整后的位姿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例包括步骤如下：

第一步，移动焊接机器人以≤180°的角度前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝。

所述的移动焊接机器人是差速驱动的移动焊接机器人，其中的焊枪随十字滑架进行上下左右四个方向的移动。

第二步，结合移动焊接机器人本体的姿态和焊缝坡口上的畸变特征，得到移动焊接机器人的初始切入角θ，当初始切入角θ小于20°且焊接方向为正时，执行第三步；当初始切入角θ在20°-180°范围内且焊接方向为正时，执行第四步；当初始切入角θ位于0°-180°大范围内而焊接方向为负时，执行第五步。

所述的切入角是移动焊接机器人的纵向中轴线或其延长线与焊接方向的焊缝之间的夹角。

所述的焊接方向为正是移动焊接机器人自下向上向焊缝前行，在其自寻迹位姿调整结束后，移动焊接机器人位于焊缝的下方。

所述的焊接方向为负是移动焊接机器人自下向上向焊缝前行，在其自寻迹位姿调整结束后，移动焊接机器人位于焊缝的上方。

第三步，直接应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

所述的应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整的过程如图1所示，移动焊接机器人找到焊缝(F₂点)以后，移动焊接机器人从F₂继续直线前进s′，当到达F₂′时，系统采集到足够的偏差数据，基于最小二乘法得到此时移动焊接机器人精确的切入角θ′(如图1(a)所示)，如果θ′小于设定的阈值，自寻迹完成；否则，移动焊接机器人继续直线前进s″至F₃后(如图1(b)所示)，开始进行圆弧方式调整移动焊接机器人向焊接方向作转动半径为R的匀速圆周运动，直至使此时的切入角小于设定的阈值，焊枪回到焊缝中心线F₄，位姿调整结束(如图1(c)所示)，其中，F₂F₂′F₃F₄为移动焊接机器人一次调整到位的位姿调整轨迹。

所述的转动半径R满足：

其中：a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离，s′+s″≤a。

第四步，先对移动焊接机器人进行差位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ2≤20°，然后再应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

所述的差位预调整是指：移动焊接机器人从F₂(如图2(a)所示)直线前进s1到F₃(如图2(b)所示)，然后按初始切入角θ1向焊接方向作转动半径为R1的匀速圆周运动，直至使焊枪回到焊缝中心F₄点(如图2(c)所示)，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ2≤20°。

所述的转动半径R1满足：

其中：5°≤θ-θ1≤10°，s1≤a，a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离。

如图2(d)所示，移动焊接机器人继续直线前进至F₅点，系统得到足够的偏差数据，通过最小二乘法精确辨识得到此时移动焊接机器人的切入角θ2，如果小于设定的阈值，则自寻迹位姿调整结束；否则移动焊接机器人继续前进，直至到达F₆点(如图2(e)所示)，然后再次作向焊接方向的匀速圆周运动，移动焊接机器人经过圆弧调整后，焊枪达到F₇点，此时焊枪回到焊缝中心，而移动焊接机器人本体与焊缝平行，且位于焊缝的下方(如图2(f)所示)，其中F₂F₃F₄F₅F₆F₇即为移动焊接机器人两次位姿调整的运动轨迹。

第五步，先对移动焊接机器人进行过位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ4≤20°，然后再利用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的上方，移动焊接机器人本体与焊缝平行，且焊枪位于焊缝中心。

所述的过位预调整是指：移动焊接机器人从F₂点直线前进s2(如图3(a)所示)，到达F₃点(如图3(b)所示)，然后按切入角θ3向焊接方向作转动半径为R2的匀速圆周运动，直至使焊枪回到焊缝中心F₄点(如图3(c)所示)，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ4≤20°。

所述的转动半径R2满足：

其中：5°≤θ3-θ≤10°，s2≤a，a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离。

如图3(d)所示，移动焊接机器人从F₄点继续直线前进，移动焊接机器人运动到F₅点，系统得到足够的偏差数据，通过最小二乘法精确辨识得到此时移动焊接机器人的切入角，如果小于设定的阈值，则自寻迹位姿调整结束；否则移动焊接机器人继续前进，直至到达F₆点(如图3(e)所示)，然后再次作向焊接方向的匀速圆周运动，移动焊接机器人经过圆弧调整后，焊枪达到F₇点，此时焊枪回到焊缝中心，而移动焊接机器人本体与焊缝平行，且位于焊缝的上方(如图3(f)所示)，其中F₂F₃F₄F₅F₆F₇即为移动焊接机器人两次位姿调整的运动轨迹。

本实施例通过使移动焊接机器人先直线前进再作向焊接方向的匀速圆周运动的位姿调整方法，使焊枪与焊缝之间形成了闭环与反馈关系，不管是否调整到位，每次调整后都能使焊枪回到焊缝中心；基于最小二乘法的切入角精确辨识，为实现自寻迹位姿的精确调整提供了先决条件；实现了移动焊接机器人在切入角0°-180°大范围内任意角度任意焊接方向焊前自寻迹的位姿调整。

Claims (4)

1.一种移动焊接机器人焊前自寻迹的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，移动焊接机器人以≤180°的角度前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；

第二步，结合移动焊接机器人本体的姿态和焊缝坡口上的畸变特征，得到移动焊接机器人的初始切入角θ，当初始切入角θ小于20°且焊接方向为正时，执行第三步；当初始切入角θ在20°-180°范围内且焊接方向为正时，执行第四步；当初始切入角θ位于0°-180°大范围内而焊接方向为负时，执行第五步；

第三步，直接应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心；

第四步，先对移动焊接机器人进行差位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ2≤20°，然后再应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人本体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心；

第五步，先对移动焊接机器人进行过位预调整，使焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人本体姿态和焊接方向一致，且使移动焊接机器人此时的切入角θ4≤20°，然后再利用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的上方，移动焊接机器人本体与焊缝平行，且焊枪位于焊缝中心。

2.根据权利要求1所述的移动焊接机器人焊前自寻迹的方法，其特征是，第二步中所述的应用最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整，是移动焊接机器人直线前进s′，并实时采集焊缝偏差数据，然后利用最小二乘法辨识得到此时移动焊接机器人精确的切入角θ′，如果小于设定的阈值，自寻迹完成；否则，移动焊接机器人继续直线前进s″，然后根据切入角θ′作向焊接方向的转动半径为R的匀速圆周运动，直至使此时的切入角小于设定的阈值；

所述的转动半径R满足： $R=(a-s^{\′}-s^{\′\′})\cot \frac{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{2}-b$

其中：a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离，s′+s″≤a。

3.根据权利要求1所述的移动焊接机器人焊前自寻迹的方法，其特征是，第四步中所述的差位预调整是指：移动焊接机器人直线前进s1，然后按照切入角θ1作向焊接方向的转动半径为R1的匀速圆周运动；

所述的转动半径R1满足： $R1=(a-s1)\cos \frac{\mathrm{\θ}1}{2}-b$

其中：a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离，5°≤θ-θ1≤10°，s1≤a。

4.根据权利要求1所述的移动焊接机器人焊前自寻迹的方法，其特征是，第五步中所述的过位预调整是指：移动焊接机器人直线前进s2，然后按切入角θ3作向焊接方向的转动半径为R2的匀速圆周运动：

所述的转动半径R2满足： $R2=(a-s2)\cot \frac{\mathrm{\θ}3}{2}+b$

其中：a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖端到十字滑架中心的距离，5°≤θ3 -θ≤10°，s2≤a。

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