CN102091879A - 一种焊接机器人过渡轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接机器人过渡轨迹规划方法。过渡轨迹用来融合直线段焊缝和圆弧段焊缝，将被焊接的工件两相邻被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的几何约束条件导入机器人的路径规划模块生成过渡段圆弧焊缝轨迹，通过控制过渡段轨迹的圆弧半径，保证机器人焊接过渡段时满足焊接约束条件和机器人焊接系统动力学约束条件。本轨迹规划方法适用于不同段轨迹之间的切换和过渡轨迹的规划，解决了机器人在弧焊焊接时，从直线段焊缝过渡到圆弧段焊缝的平滑性问题。

Description

一种焊接机器人过渡轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种机器人过渡轨迹规划方法，尤其涉及一种焊接机器人轨迹规划方法。

背景技术

随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。机器人的轨迹规划通常是在笛卡尔坐标系里面完成的，因为机器人的任务通常是在任务空间里完成，并且壁障功能的实现也更容易，但机器人的轨迹规划通常是在关节空间里面实现的，在笛卡尔坐标系里面生成机器人的几何轨迹后，通过逆运动学计算转换成机器人关键空间里面的关节轨迹。

目前对焊接机器人轨迹规划方法有部分研究，如：中国专利申请号200810130196.0，发明名称为《用于轨迹规划的改进的融合算法》，公开日2009年2月4日，就公开了不同直线路径之间的融合方法，但该方法的融合段（过渡段）路径的速度是变化的，并且被融合段路径是直线。河南科技大学学报(自然科学版) 2003 年04期，《基于遗传算法的多关节焊接机器人轨迹规划》一文介绍了利用遗传算法对六自由度多关节机器人的PIP运动进行规划的方法：在给定的多关节焊接机器人焊接点中插入点，对这些点的坐标统一进行十进制编码，应用遗传算法进行轨迹规划，寻找三维空间下的最优轨迹。《焊接技术》 2010年第07期，《骑座式相贯线焊缝焊接机器人连续轨迹规划》一文介绍了：采用弗莱纳-雪列矢量对焊枪端点的运动轨迹进行了有效地规划，针对相贯线焊缝焊接机器人的焊接要求，推导出了轨迹的时间函数和焊枪的规划矩阵，为骑座式相贯线焊缝焊接机器人的轨迹控制提供了依据和算法支持，然后通过Matlab仿真软件对一相贯线焊接轨迹进行仿真，依此方法对焊枪端点轨迹规划可以有效地完成焊接过程焊枪轨迹控制。以上轨迹规划方法对不同段轨迹之间的切换和过渡没有研究，因而机器人在焊接过程中难以快速地切换到不同的轨迹进行工作，在不同轨迹之间的过渡是机器人轨迹规划的一个热点和难点问题，现有技术中没考虑到过渡段与理想轨迹直接的误差，这些误差在一些应用中却可能是关键的参数，比如机器人弧焊。没有考虑直线与其他形状线条（比如弧线）的过渡问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种焊接机器人过渡轨迹规划的方法，该过渡轨迹用来融合直线段焊缝和圆弧段焊缝，该方法能有效地保证机器人运动轨迹在直线段焊缝和圆弧段焊缝之间的平滑过渡，并且误差和加速度可控。

本发明的基本技术方案包括以下步骤：

S1.将被焊接工件相邻被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的几何约束条件包括：被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的约束路径、被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝轨迹的焊接速度；焊接约束条件，包括焊接速度、焊缝误差；焊接系统动力学约束条件，包括关节最大加速度、最大速度，导入机器人的路径规划模块；

S2.求出满足几何约束条件的过渡段圆弧焊缝的圆心轨迹，其轨迹按以下公式（1）～（4）计算出来：

 

其中r为被融合圆弧段焊缝的圆弧半径，θ₀为被融合圆弧段焊缝的圆心角，α为被融合直线段焊缝的直线斜率，被融合直线段焊缝与被融合圆弧段焊缝的交点的坐标为（x₀，y₀）。

当X≥X₀时，被融合圆弧段焊缝的轨迹为：

当X＜X₀时，被融合直线段焊缝的轨迹为：

公式（2）中（x，y）为被融合圆弧段焊缝的坐标轨迹，公式（3）中（x，y）为被融合直线段焊缝的坐标轨迹，他们是以时间为变量的函数，过渡段焊缝采用圆弧，并使过渡段焊缝与两被融合段焊缝的位置和速度连续，过渡段圆弧焊缝既与被融合的直线段焊缝相切，也与被融合的圆弧段焊缝相切，因此，过渡段圆弧焊缝的圆心到被融合直线段焊缝所在直线的距离与到被融合圆弧段焊缝所在圆弧的距离相等，他们的关系用如下公式（4）表示： 

其中A、B、C为被融合直线段焊缝的直线方程式系数，r为被融合圆弧段焊缝的圆弧半径，（x_c，y_c）为满足几何约束条件的过渡段圆弧焊缝的圆心，公式（4）“=”左边表示过渡段圆弧焊缝圆心到被融合直线的距离，它也是过渡段焊缝圆弧的半径，公式（4）“=”右边表示过渡段圆弧焊缝圆心到被融合段圆弧焊缝的距离，它同样是过渡段圆弧的半径；

S3.设定搜索最佳过渡段焊缝圆弧半径的初始条件：选择一个足够大的过渡段焊缝圆弧初始值r₀，保证该过渡段焊缝圆弧满足焊接约束条件和焊接系统动力学约束条件，将r₀赋值给过渡段焊缝圆弧的当前值r_c，通过公式（4）“=”两边都等于r_c，计算出过渡段焊缝圆弧的圆心坐标为（x_c，y_c），通过如下评价函数f计算该过渡段焊缝圆弧的初始评价值f(r₀)

    （5）

其中E为过渡段焊缝圆弧与被融合焊缝理想轨迹的最大误差：

    （6）

为过渡段的向心加速度：

               （7）

r _c 通过搜索的方法找到，当评价函数f取最小值时，就是理想的r _c 值。

其中r为被融合圆弧段焊缝的圆弧半径，v为经过过渡段焊缝给定的理想焊接速度、为经过过渡段焊缝的向心加速度，w为权值。被融合焊缝的理想轨迹为被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝，在被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的交点处形成拐点，要使机器人末端精确运动到拐点，需要使机器人的焊接速度在此点为0，但根据焊接要求，焊枪在焊接时必须以一定速度运动，过渡段圆弧轨迹只能接近理想轨迹，而不能与理想轨迹重叠。权值w可以根据误差和加速度的要求调整，它的取值范围为0～1之间，当增大w表示误差因素更重要，而加速度约束降低，当减小w表示加速度要求更高，而误差要求相对降低，满足上面条件的过渡段圆弧的圆心是一条轨迹，因此可根据焊接约束条件对误差E的要求和机器人焊接系统动力学约束条件对加速度

的限制，确定过渡段焊缝圆弧的圆心和半径。

S4：将过渡段焊缝圆弧的半径当前值，减小一个刻度dr_c，赋值给r_c，用公式（6）计算误差E，判断是否满足焊接约束条件，如果不满足，转步骤S5，当误差E满足焊接约束条件时，用公式（7）计算过渡段焊缝的向心加速度a_c值，比较a_c值是否满足机器人焊接系统动力学约束条件，如果不满足机器人焊接系统动力学约束条件转步骤S5，当满足机器人焊接系统动力学约束条件时，比较f(r₀)与f(r_c)的值，如果f(r_c)＜f(r₀)，重复步骤S4，否则转步骤S5

S5：将r_c增加一个刻度dr_c，输出r_c值为确定的r_c值；  

S6：完成r_c值搜索后，生成过渡段焊缝圆弧，过渡段焊缝圆弧与被融合直线段焊缝所在的直线的交点为过渡段焊缝圆弧的起点，过渡段焊缝圆弧与被融合圆弧段焊缝所在圆弧的交点为过渡段焊缝圆弧的终点，从而确定过渡段焊缝的焊接路径，完成轨迹规划。

本过渡轨迹规划方法的基本原理适应被融合段焊缝为直线和直线、圆弧和圆弧的匀速过渡。

以下为本发明基本技术方案的进一步改进方案：

改进方案之一：过渡段焊缝轨迹为圆弧形，焊接轨迹融合了直线段焊缝和圆弧段焊缝，焊接轨迹在机器人焊接前通过示教确定，过渡段焊缝圆弧轨迹示教三个点，其中二个点为过渡段圆弧焊缝与被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的相切点，另一点为两个相切点之间圆弧焊缝长度的等分点；更优的方案是：被融合直线段焊缝机器人示教二个点，其中一个点为过渡段圆弧焊缝与被融合直线段焊缝的相切点，示教两个点就可以完成一条直线焊缝的轨迹；被融合圆弧段焊缝示教三个点，其中一点为过渡段圆弧焊缝与被融合圆弧段焊缝的相切点。

改进方案之二：过渡段焊缝圆弧的半径r_c满足函数f(r _c )＝wE+(1-w)a _c 的值最小时是最佳的圆弧半径，既满足加速度小的要求又满足误差小的要求，这两个要求可根据实际需要调整其权值w，当加速度要求更高时，就增大加速度的权值，减小误差权值，当误差要求更高时，就增大误差的权值，减小加速度的权值；

改进方案之三：所述过渡段圆弧焊缝轨迹既与被融合直线段焊缝相切也与被融合段圆弧段焊缝相切，过渡段焊缝圆弧的圆心到被融合直线段焊缝和到被融合段圆弧焊缝的距离相等。

本发明具有的有益效果是：

1）所得轨迹能保证在直线段焊缝与圆弧段焊缝之间的过渡焊缝位置和速度连续。能使机器人的执行时间最小化，从而提高工业机器人的生产效率；降低能量消耗，使机器人的执行机构更容易跟踪，有利于减小了机器人执行机构的磨损；机器人的关节力矩波动小，从而有利于减少执行机构对参考轨迹的跟踪误差、降低执行机构的负荷、限制机器人的共振频率的范围和生成协调、自然的运动。

2）过渡焊缝轨迹与理想值的误差可根据机器人具体应用（比如弧焊）要求和允许的最大加速度进行灵活调整，从而得到平滑的轨迹。平滑轨迹使机器人的能量消耗小、电力需求少，减少电机和减速器等关键部件的磨损，延长机器人的使用寿命、提高机器人的运行精度。

3）焊缝轨迹的起点和终点定位准确，从而提高焊接精度和焊件的质量。

附图说明

图1是焊接机器人过渡轨迹规划方法的流程图；

图2是机器人结构示意图；

图3是工件示意图；

图4是焊缝参数示意图； 

图5是焊缝过渡段轨迹示意图； 

图6是过渡圆弧圆心的轨迹示意图；

图7是过渡圆弧半径与焊缝误差的关系示意图；

图8是过渡圆弧半径与加速度的关系示意图；

图9过渡圆弧的评价函数。

具体实施方式

下面结合6自由度机器人弧焊系统对本发明作进一步说明。焊接机器人过渡轨迹规划的流程图见图1所示，过渡轨迹规划步骤如本说明书前述发明内容所述。如图2所示，该机器人弧焊系统由一台工业机器人1、变位机2、焊接电源3、焊枪4、送丝机构5、气源6、控制中心7、控制柜8组成。机器人1为标准6自由度的工业机器人，变位机2为L型的变位机，将点焊组立好的工件用压板及T型螺栓固定于带T型槽的工作台面上，调节好回转速度，翻转到所需位置后再升降至合适高度即可对工件9实施焊接，对于回转的圆形焊缝还可实现变位机与枪联动从而实现自动焊接，升降电机、翻转电机和回转电机采用与机器控制系统相配套的伺服电机，以达到变位机的高精度，焊机电源3为全数字脉冲MIG/MAG焊机电源，焊枪4采用的是水冷焊枪，送丝机5为：YW-CNF011HAE。

对工件9进行焊接前，先根据焊缝的位置，调整变位机改变工件9的姿势，以使坡口尽量垂直朝上，工件9位置固定后，将被融合直线段焊缝10和被融合圆弧段焊缝11的约束路径，被融合直线段焊缝10和被融合圆弧段焊缝11轨迹的速度；焊接系统动力学约束条件，包括关节最大加速度、最大速度；焊接约束条件，包括焊接速度、焊缝误差导入机器人的路径规划模块。从图3所示工件得到如图4所示工件的参数为，θ₀＝117°，α＝133°r=0.481m,被融合圆弧段焊缝11的圆弧半径r=0.481m，因此根据式（1）可以求出x₀=-0.2184, y₀=0.4286, 根据公式（3）被融合直线段焊缝10的直线方程为：

 根据上式可得A=-1.0724，B=-1，C=0.1944，

从而根据公式（4）可求出过渡段圆弧焊缝圆心的轨迹如图6所示，利用公式（7）和公式（8）分别求出过渡段焊缝圆弧与焊缝的理想轨迹的误差和向心加速度，图6中示例了3个过渡段焊缝圆的轨迹，过渡段焊缝圆弧半径与焊缝误差及加速度的关系分别如图7和图8所示。

利用图1的搜索方法搜索最优的过渡段焊缝圆弧半径，设定式（5）评价函数的w值为0.5，相对应的评价函数的轨迹为图9所示，r₀的初始值为10cm，搜索到最优的过渡段焊缝圆弧半径为15mm，最小f值为0.0467，误差E为2.55mm，对应的机器人末端向心加速度为0.0212m/s² 。 

图5的过渡段焊缝轨迹，利用机器人的示教盒控制机器人沿工件焊缝进行示教，保证焊枪尽量垂直朝下。如焊接图3工件的被融合直线段焊缝10和被融合圆弧段焊缝11，需要示教如图5所示六个点，机器人直线运动和圆弧运动都采用不同的命令如ArcL、ArcC。机器人示教直线焊接时二个点示教P₀、P₁就可以完成一条直线焊缝的轨迹，P₁点为过渡段圆弧焊缝的始点，P₃点为过渡段圆弧焊缝的终点，还有过渡段圆弧焊缝中间的一点P₂即可确定过渡段圆弧焊缝的轨迹，从P₃点开始就是被融合圆弧段焊缝，同样由三个点P₃、P₄、P₅确定被融合圆弧段焊缝的轨迹。在焊缝轨迹示教成功后退出在线焊缝轨迹示教模式，该焊接机器人通过该机器人弧焊系统，便可按示教的运动轨迹来进行焊接操作，该示教控制实现了多点的分段线性化，且各分段之间的交点准确，做到轨迹平滑过渡，从而能适应复杂多变的不规则焊缝的自动焊接。

Claims (4)

1.一种焊接机器人过渡轨迹规划方法，其特征在于：该过渡轨迹用来融合直线段焊缝和圆弧段焊缝，包括以下步骤：

S1.将被焊接工件两相邻被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝的几何约束条件：包括被融合直线段焊缝和圆弧段焊缝的约束路径、被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝轨迹的焊接速度；焊接约束条件：包括焊接速度、焊缝误差；焊接系统动力学约束条件：包括关节最大加速度、最大速度，导入机器人的路径规划模块；

S2.求出满足几何约束条件的过渡段圆弧焊缝的圆心轨迹，其轨迹根据以下公式计算出来： 

其中A、B、C为被融合直线段焊缝的直线方程式系数，r为被融合圆弧段焊缝的圆弧半径，（x_c，y_c）为满足几何约束条件的过渡段圆弧焊缝的圆心；

S3.在所有满足几何约束条件的过渡段圆弧焊缝中，选择满足焊接系统动力学约束条件和焊接约束条件误差最小的一个过渡段圆弧焊缝，过渡段焊缝圆弧的半径为：

r _c 通过搜索的方法找到，当如下评价函数f取最小值时，就是理想的r _c 值

其中:E为过渡段焊缝圆弧与被融合焊缝理想轨迹的最大误差:

为过渡段的加速度:

其中（x_c，y_c）为过渡段焊缝圆弧的圆心、v为经过过渡段焊缝给定的理想焊接速度、w为权值，根据焊接约束条件对误差E的要求和焊接系统动力学约束条件对加速度

的限制，确定过渡圆弧焊缝的圆心和半径；

S4：将过渡段焊缝圆弧的半径当前值减小一个刻度dr_c，赋值给r_c，计算误差E，判断是否满足焊接约束条件，如果不满足，转步骤S5，当误差E满足焊接约束条件时，计算过渡段的加速度a_c值，比较a_c值是否满足机器人焊接系统动力学约束条件，如果不满足焊接系统动力学约束条件转步骤S5，当满足焊接系统动力学约束条件时，比较f（r₀）与f（r_c）的值，如果f（r_c）<f（r₀），转步骤S4，否则转步骤S5；

S5：将r_c增加一个刻度dr_c，输出r_c值为确定的r_c值；  

S6.完成上面的r_c值搜索后，生成过渡段圆弧焊缝轨迹，过渡段焊缝圆弧与被融合直线段焊缝所在直线的交点为过渡段圆弧焊缝的起点，过渡段焊缝圆弧与被融合圆弧段焊缝所在圆弧的交点为过渡段圆弧焊缝的终点，从而确定过渡段焊缝的轨迹。

2.根据权利要求1所述的过渡轨迹规划方法，其特征在于：过渡段焊缝轨迹为圆弧形，焊接轨迹融合了被融合直线段焊缝和被融合圆弧段焊缝，焊接轨迹在机器人焊接前通过示教确定，过渡段圆弧焊缝轨迹示教三个点，其中二个点为过渡段圆弧焊缝与被融合直线段焊缝和圆弧段焊缝的相切点，另一点为两个相切点之间圆弧焊缝长度的等分点。

3.根据权利要求1所述的过渡轨迹规划方法，其特征在于：过渡段焊缝圆弧的半径r_c满足函数

的值最小时是最佳的圆弧半径，既满足加速度小的要求又满足误差小的要求，这两个要求可根据实际需要调整其权值，权值w可以通过解析解法确认或通过计算机数值搜索的方法搜索到，取值范围为0～1。

4.根据权利要求1所述的过渡轨迹规划方法，其特征在于：所述过渡段圆弧焊缝轨迹既与被融合直线段焊缝相切也与被融合圆弧段焊缝相切，过渡段焊缝圆弧的圆心到被融合直线段焊缝和到被融合圆弧段焊缝的距离相等。

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