CN101706665B - 用于移动焊接机器人自寻迹的位姿调整方法 - Google Patents

Abstract

一种自动化焊接技术领域的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，包括：使得焊接机器人以切入角小于等于90°的方向前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；根据焊接机器人的姿态及激光条纹投射到坡口上的畸变特征得到移动焊接机器人的初始切入角；对焊接机器人进行差位预调整使移动焊接机器人的切入角小于等于20°；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，且移动焊接机器人车体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。本发明采用闭环反馈控制，实现了移动焊接机器人在切入角0~90°范围内焊前自寻迹的精确位姿调整，稳定可靠，且调整距离短，对外界环境具有较强的抗干扰能力。

Description

用于移动焊接机器人自寻迹的位姿调整方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接技术领域的方法，具体是一种用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法。

背景技术

在焊前，如果只需将焊接机器人放在距焊缝一定距离的位置，而由焊接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，即由焊接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，使焊接机器人具有了更高的自主性，这无疑是非常具有实际意义的。而位姿调整是自寻迹过程中一个最为关键的环节，能否调整到期望的焊接位置和姿态是决定整个自寻迹过程成功与否的关键。

经过对现有技术的检索发现，“移动焊接机器人坡口自寻迹位姿调整的轨迹规划”《机械工程学报》(2005，Vol41，No.5：215-220)中提出了一种曲线与圆弧相组合的方案。在轨迹调整过程中，焊接机器人先后退，然后分别作匀加速曲线运动，匀速圆周运动，最后再做匀减速曲线运动，到达目标位姿时角速度为零。理想的情况下，它能得到一个较为精确的结果。但在实际过程中，坡口加工精度，装配间隙的一致性等许多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；另外，如果规划的轨迹没有使焊枪与焊缝之间形成闭环的关系，在位姿调整过程中，诸如转动惯量，驱动轮的电气参数，外部作业环境等诸多不确定性因素的影响，也极有可能导致最终的调整失败。因此上述的调整方法在实际生产中是难以应用的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，通过实时采集数据并基于最小二乘法实现切入角的精确辨识，达到稳定、可靠、较短距离地实现了移动焊接机器人的焊前自寻迹的位姿调整，提高了移动焊接机器人的智能化水平。

本发明是通过以下技术方案实现的：

首先移动焊接机器人根据焊接机器人本体的姿态及激光条纹传感器投射到焊缝坡口上的畸变特征初略计算初始切入角，然后进行直线前进+向焊接方向作匀速圆周的预调整，如果没有调整到位，再基于最小二乘法精确求解切入角，最后进行精确的位姿调整，使其达到期望的目标位姿，完成自寻迹任务。

本发明包括以下步骤：

第一步、使得焊接机器人以切入角小于等于90°的方向前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；

所述的切入角是指移动焊接机器人的纵向中轴线或其延长线与焊缝在焊接方向与的夹角。

第二步、根据焊接机器人的姿态及激光条纹投射到坡口上的畸变特征得到移动焊接机器人的初始切入角，当初始切入角小于20°时，执行第四步；当初始切入角在20~90°范围时，执行第三步；

第三步、对焊接机器人进行差位预调整使移动焊接机器人的切入角小于等于20°；

所述的差位预调整是指：沿初始切入角减去5~10°的方向依次进行直线前进和转动调整，

所述直线前进是指：

当焊接机器人的驱动轮或者辅助自由轮距焊缝中心线的距离均不大于焊接机器人轴距时，则直线前进的距离为两者中的较小距离；

当焊接机器人的驱动轮或者辅助自由轮距焊缝中心线的距离均大于焊接机器人轴距时，则直线前进的距离为焊接机器人轴距；

所述的焊接机器人轴距是指焊接机器人的驱动轮和辅助自由轮的间距。

所述的转动调整是指：焊接机器人以转动半径为R的匀速圆周运动进行初步调整。

第四步，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，且移动焊接机器人车体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

所述的最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整是指：

4.1)焊接机器人在前进同时按时间步长对传感器与焊缝之间的偏差进行实时采集，然后将偏差组成偏差数据列后对焊接机器人与焊缝之间的夹角，即切入角进行最小二乘法辨识得到焊接机器人的位姿调整参数；

4.2)焊接机器人根据位姿调整参数进行移动直至焊枪位于焊缝的上方，然后焊接机器人向焊接方向作匀速圆周运动一周，直至焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人的运动停止。

所述的最小二乘法辨识是指：利用最小二乘法得到偏差数据数列中每一个偏差对应的切入角，当切入角小于偏差阈值则设定位姿调整参数为零度且自寻迹完成；否则，判定下一个切入角，同时设定位姿调整参数为指向焊接方向的转动半径为R的匀速圆周运动，直至使切入角小于偏差阈值。

所述的偏差阈值为10～20°

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

其中：θ为切入角，v为焊接机器人直线运动阶段的线速度，t为以线速度v直线运动的时间，a为焊接机器人的两驱动轮中点到其十字滑架中心的距离，b为焊枪尖到焊接机器人的滑架中心的距离。

与现有技术相比，本发明提出的先直线前进再圆弧调整的自寻迹位姿调整方法，在调整过程中，不管位姿是否调整到位，但最终都能使焊枪回到焊缝中心，这保证了算法的稳定性和可靠性；而通过最小二乘法的精确辨识切入角，大大提高了位姿调整的精度，也为一次调整到位提供了先决条件，同时也大大缩短了实际调整距离。因此，该调整方法具有相当的实际应用价值，满足实际工程应用需要。

附图说明

图1为实施例中当切入角较小时的位姿调整过程示意图；

其中：(a)为直线前进并基于最小二乘法求切入角；(b)为焊接机器人继续直线前进到位；(c)为焊接机器人圆弧方式调整，位姿调整到位。

图2为实施例中当切入角较大时，其位姿调整过程示意图；

其中：(a)为焊接机器人位姿调整前寻找到焊缝的初始状态；(b)为焊接机器人直线前进；(c)为焊接机器人圆弧方式预调整；(d)为直线前进并基于最小二乘法辨识再次辨识焊接机器人的切入角；(e)为焊接机器人二次调整直线前进到位；(f)焊接机器人再次圆弧方式调整，位姿调整到位。

图3为实施例中直线前进距离的计算示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在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。

本实施例涉及的焊接机器人包括：包括：移动焊接机器人车体、十字滑架、焊枪和激光视觉传感器，其中：焊枪位于移动焊接机器人车体的一侧，且焊枪与十字滑架的横向滑架相连，横向滑架安装于纵向滑架上，然后纵向滑架固定于移动焊接机器人车体上，移动焊接机器人本体由左右两个驱动轮驱动，为了提供车体的稳定性，在车体的前后各安装了一个自由辅助轮，为了使移动焊接机器人具有一定的爬坡能力和增加系统的稳定性，在车体的底部以及左右驱动轮上都安装了强磁铁。

所述的十字滑架的纵向滑架带动横向滑架以及焊枪一起上下移动，横向滑架带动激光视觉传感器和焊枪一起左右移动。

所述的激光视觉传感器用于焊缝偏差的识别和处理。

所述的移动焊接机器人车体是差速驱动的移动焊接机器人车体，其轨迹通过两驱动轮的差速实现各种轨迹的控制。

本实施例包括步骤如下：

第一步、移动焊接机器人以≤90°的任意角度前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；

第二步、结合焊接机器人本体的姿态，以及激光条纹投射到坡口上的畸变特征，得到移动焊接机器人的初始切入角。当初始切入角小于20°时，执行第三步；当初始切入角在20~90°范围时，执行第四步；

第三步，直接应用最小二乘法进行位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人车体平行于焊缝，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，当到达F′₂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，直至焊枪回到焊缝中心线F₄，位姿调整结束(如图1(c)所示)，其中，F₂F′₂F₃F₄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： $R=(a-\mathrm{vt})\cot \frac{\mathrm{\θ}}{2}-b.$

其中：v为直线运动阶段的线速度，t为以线速度v直线运动的时间，a为两驱动轮中点到十字滑架中心的距离，b为焊枪尖到滑架中心的距离。

所述的直线前进的距离小于或者等于两驱动轮中点到十字滑架中心的距离a。

第四步，先按初始切入角θ1进行差位预调整，调整结束后使移动焊接机器人的切入角θ2≤20°，然后再应用最小二乘法进行精确位姿调整，使移动焊接机器人位于焊缝的下方，且移动焊接机器人车体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心，从而完成自寻迹的位姿调整。

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)直线前进到F₃(如图2(b)所示)，然后按初始切入角θ1-5~10°向焊接方向作转动半径为R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)且小车车体姿态与焊接方向的夹角θ2≤20°。

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

所述的切入角满足：θ＝θ1-5~10°；

所述的直线前进距离为：靠近焊缝的驱动轮或者前面的辅助自由轮距焊缝中心线的最小者，且不大于a；

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，而移动焊接机器人车体与焊缝平行，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。

本实施例的效果

本实施例基于最小二乘法对切入角进行精确辨识，采用先直线前进，然后向焊接方向作匀速圆周运动的位姿调整方法，稳定、可靠地实现了焊接机器人自寻迹过程中的位姿调整任务，克服了已有技术中存在的各种影响因素的影响，其调整方法稳定，可靠，算法调整距离短，位姿调整精确，具有实际生产应用价值，极大地提高了系统的智能化程度。

Claims (9)

1.一种用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、要求焊接机器人以切入角小于等于90°的方向前行，根据焊接坡口的特征模型搜寻到焊缝；

第二步、根据焊接机器人的姿态及激光条纹投射到坡口上的畸变特征得到移动焊接机器人的初始切入角：

当初始切入角小于20°时，执行第四步；

当初始切入角在20～90°范围时，执行第三步；

第三步、对焊接机器人进行差位预调整使移动焊接机器人的切入角小于等于20°；

第四步，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，且移动焊接机器人车体平行于焊缝，焊枪位于焊缝中心。

2.根据权利要求1所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的切入角是指移动焊接机器人的纵向中轴线或其延长线与焊缝在焊接方向的夹角。

3.根据权利要求1所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的差位预调整是指：沿初始切入角减去5～10°的方向依次进行直线前进和转动调整。

4.根据权利要求3所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述直线前进是指：

当焊接机器人的驱动轮或者辅助自由轮距焊缝中心线的距离均不大于焊接机器人轴距时，则直线前进的距离为焊接机器人的驱动轮或者辅助自由轮距焊缝中心线的距离或焊接机器人轴距中的较小距离；

当焊接机器人的驱动轮或者辅助自由轮距焊缝中心线的距离均大于焊接机器人轴距时，则直线前进的距离为焊接机器人轴距；

所述的焊接机器人轴距是指焊接机器人的驱动轮和辅助自由轮的间距。

5.根据权利要求3所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的转动调整是指：焊接机器人以转动半径为R的匀速圆周运动进行初步调整。

6.根据权利要求1所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的最小二乘法进行焊前自寻迹位姿调整是指：

焊接机器人在前进同时按时间步长对传感器与焊缝之间的偏差进行实时采集，然后将偏差组成偏差数据列后对焊接机器人与焊缝之间的夹角，即切入角进行最小二乘法辨识得到焊接机器人的位姿调整参数；

焊接机器人根据位姿调整参数进行移动直至焊枪位于焊缝的上方，然后焊接机器人向焊接方向作匀速圆周运动一周，直至焊枪回到焊缝中心，移动焊接机器人的运动停止。

7.根据权利要求6所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的最小二乘法辨识是指：利用最小二乘法得到偏差数据数列中每一个偏差对应的切入角，当切入角小于偏差阈值则设定位姿调整参数为零度且自寻迹完成；否则，判定下一个切入角，同时设定位姿调整参数为指向焊接方向的转动半径为R的匀速圆周运动，直至使切入角小于偏差阈值。

8.根据权利要求7所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的转动半径R满足：

其中：θ为切入角，v为焊接机器人直线运动阶段的线速度，t为以线速度v直线运动的时间，a为焊接机器人的两驱动轮中点到其十字滑架中心的距离，b为焊枪尖到焊接机器人的滑架中心的距离。

9.根据权利要求7所述的用于移动焊接机器人的自寻迹位姿调整方法，其特征是，所述的偏差阈值为10～20°。

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