CN102151948A

CN102151948A - 用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法

Info

Publication number: CN102151948A
Application number: CN 201110023772
Authority: CN
Inventors: 李海超; 高洪明; 杜爱国; 陈洪堂; 张广军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法，包括以下步骤：通过工具转换接口和气动夹紧模块完成宏机器人与微机器人的自主快速连接；在宏机器人与微机器人之间加入六维力觉传感器，使宏-微的机器人遥操作中具有主动柔顺性；对微机器人进行重力进行补偿，按照管道自适应装配策略，实现了远端环境中的管道抓取、装配；通过弧压传感控制，实现焊接质量可控的遥控焊接。本发明能够实现各种复杂环境及多种姿态的管道抓取和装配，大大节省了焊前准备时间，提高装配精度；微机器人重量轻、易抓取、操作灵活，可通过编程控制，适应多种形式的焊缝及焊缝形状；同时配有弧压传感系统，焊接过程可控，提高焊接质量。

Description

用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法

技术领域

本发明涉及遥控焊接领域，具体而言，涉及一种用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法。

背景技术

目前，核电以其清洁环保，高效节能的特点成为我国大力发展的新能源形式。核电站运行过程的维护工作中，管道裂纹检测和焊接修复是主要任务，但是在这种人无法进入的极限环境中，只能采用遥控焊接的方式。

遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中根据从现场发来的各种传感信息对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接操作。目前大部分方案是针对特定任务开发专用设备和系统，或者使用机器人携带管道全位置焊接机构，但这些设备和系统不但开发周期长、成本高，而且仅限于所针对的特定维修任务。机器人携带全位置管道焊接机构的智能化程度不高，不能有效控制焊接质量，机器人末端持重易超标，不适用于复杂环境的管道维修任务。因此，开发一种结构简单、轻便、灵活的遥控焊接系统，并使其具有较高的智能化程度，以适应复杂环境和进行焊接质量控制，对解决核环境管道焊接维修任务很有必要。

发明内容

本发明提供一种宏-微机器人遥控焊接方法，用以完成复杂环境的管道维修任务，其包括以下内容：首先参考全位置管道焊接设备特点，开发了具有重量轻、易抓取、操作灵活特点的微机器人，可以实现对焊接路径的准确控制。通过工具转换接口和气动夹紧模块完成宏机器人与微机器人的快速连接。另外在系统中增加了弧长调节控制系统，提高了焊接质量。在宏机器人与微机器人之间加入了六维力觉传感器，构成宏-微机器人系统，使系统具有主动柔顺性。执行管道装配任务过程中，通过微机器人重力补偿与人机共享的管道装配策略，来完成自主的管道抓取和装配。在实现焊接弧长控制、工具重力补偿、管道装配策略的基础上，实现了这种用宏-微结构的机器人通过遥操作进行管道遥控焊接的技术。

较佳的，上述的微机器人具有3个自由度，可通过编程控制，分别由三个步进电机控制机器人的周向、横向、径向运动。电机的步距角为1.8°，驱动器可以提供2到200的细分数，从而达到较高的控制精度。该微机器人功能上具备全自动化装卸，焊接速度可调、焊接顺序和焊接位置可控。

较佳的，上述的弧长控制系统主要由一台工控机、数据采集卡、PC-6501D光隔离脉冲计数定时接口卡等组成。利用数据采集卡实时采集电弧电压，然后通过计算机VC++编程根据电弧电压提供驱动器的信号，按照需要输出一定频率的脉冲信号CP，方向信号DIR以及使能信号EN，进而实现对步进电机的启动、停止以及速度，从而控制弧长。

较佳的，上述的管道装配策略是通过人机共享控制算法实现的，人机共享控制技术包括自主控制系统、直接控制系统及直接控制和自主控制的融合算法，本发明所用的自主控制系统是基于六维力/力矩传感器的自主控制系统，直接控制系统是基于手动操纵杆的直接控制系统，实现共享控制的融合算法是控制权分配算法。控制权分配算法是指根据力觉传感器测量到的实际接触力的大小和形式，由中央控制器做出决策，将控制权交给人进行直接控制或交给机器人进行自主调整。

在上述实施例中，根据全位置管道焊接设备特点，开发了具有重量轻、易抓取、操作灵活特点的微机器人，可以实现对焊接路径的准确控制。通过人机共享控制策略完成了替换用新管的抓取和焊前管道装配。另外在系统中增加了弧长调节控制器，提高了焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的遥控焊接方法流程图；

图2为采用人机共享控制模式进行管道装配与手动遥操作进行管道装配消耗时间对比图；

图3为宏-微机器人遥控焊接系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的遥控焊接方法流程图。如图1所示，其包括以下步骤：

S102，通过本地端的操纵杆遥控远端的宏机器人接近微机器人，通过快速连接接口使宏机器人与微机器人自主连接为宏-微机器人；

S104，通过本地端的操纵杆遥控宏-微机器人接近替换用新管，在人机共享控制模式下使微机器人不断接近新管直到微机器人与新管紧密接触，完成新管抓取；

S106，通过本地端的操纵杆遥控宏-微机器人运动，将新管带至待修补管道环境中，根据人机共享的管道装配策略，快速完成管道的焊前准确装配；

S108，操作者通过本地端操作界面控制微机器人上的横向及径向电机来调节焊枪的焊缝对中，通过数据采集卡实时采集电弧电压，根据电弧电压控制微机器人上径向电机调节焊枪的位置来控制弧长，开始对新管进行第一道焊缝焊接；

S1010，通过本地端的操纵杆遥控宏-微机器人离开管道，根据人机共享的管道装配策略，根据第二道焊缝位置，快速完成管道的第二次装配；

S1012，操作者通过本地端操作界面控制微机器人上的横向及径向电机来调节焊枪的焊缝对中，然后进行第二道焊缝的焊接；

S1014，通过本地端的操纵杆遥控宏-微机器人离开管道，将微机器人送回原处，宏机器人与微机器人分离，焊接任务完成。

在本发明的实施例中，根据全位置管道焊接设备特点，开发了具有重量轻、易抓取、操作灵活特点的微机器人，可以实现对焊接路径的准确控制。通过工具转换接口和气动夹紧模块完成宏机器人与微机器人的快速连接。另外在系统中增加了弧长调节控制器，提高了焊接质量。

例如，在宏机器人与微机器人之间加入了六维力觉传感器，构成宏-微机器人系统，使系统具有主动柔顺性。执行管道装配任务过程中，通过微机器人重力补偿与人机共享的管道装配策略，完成了自主的管道抓取和装配。在实现焊接弧长控制、工具重力补偿、管道装配策略的基础上，实现了这种用宏-微结构的机器人通过遥操作进行管道遥控焊接的技术。

其中，微机器人具有3个自由度，分别由三个步进电机控制机器人的周向、横向、径向运动。电机的步距角为1.8°，驱动器可以提供2到200的细分数，从而达到较高的控制精度。该微机器人功能上具备全自动化装卸，焊接速度可调、焊接顺序和焊接位置可控。

本发明实施例中的弧长控制系统主要由一台工控机、数据采集卡、PC-6501D光隔离脉冲计数定时接口卡等组成。利用数据采集卡实时采集电弧电压，然后通过计算机VC++编程根据电弧电压提供驱动器的信号，按照需要输出一定频率的脉冲信号CP，方向信号DIR以及使能信号EN，进而实现对步进电机的启动、停止以及速度，从而控制弧长。

本发明实施例中管道装配策略是通过人机共享控制算法实现的，人机共享控制技术包括自主控制系统、直接控制系统及直接控制和自主控制的融合算法，其中自主控制系统是基于六维力/力矩传感器的自主控制系统，直接控制系统是基于手动操纵杆的直接控制系统，实现共享控制的融合算法是控制权分配算法。控制权分配算法是指根据力觉传感器测量到的实际接触力的大小和形式，由中央控制器做出决策，将控制权交给人进行直接控制或交给机器人进行自主调整。

例如，在上述遥控焊接方法中，通过操纵杆遥控远端的宏机器人接近微机器人，通过快速连接接口将宏机器人与微机器人连接为宏-微机器人步骤包括：通过远端的平面视觉摄像头和双目立体摄像头传回的视觉图像获得远端环境的信息，同时通过本地端的视觉控制器来控制视觉的范围和图像缩放，通过操纵杆遥控远端的宏机器人接近微机器人，并通过快速连接接口将宏机器人与微机器人连接为宏-微机器人。

例如，在上述遥控焊接方法中，通过操纵杆遥控宏-微机器人运动，将新管带到待修补管道环境中的装配位置步骤包括：通过力觉传感器实时测量接触力的大小并传输至中央控制器，对接触力进行分析，由中央控制器根据管道自适应算法做出决策，将控制权交给人或者机器人，在共享控制模式下操作宏-微机器人共同完成新管的装配任务。

图2为采用人机共享控制模式进行管道装配与手动遥操作进行管道装配消耗时间对比图。如图2所示，采用人机共享模式完成管道装配可以大大节省焊前准备时间。

通过平面视觉摄像头可以清晰观察到焊枪和焊缝的相对位置，通过本地端操作界面可以控制微机器人上的横向及径向电机来调节焊枪的位置。调节好焊枪的位置后，通过本地端操作界面上的起弧按钮，开始焊接。微机器人控制焊枪绕管道一周，完成焊接。同样的方式完成第二道焊缝的焊接，并操作宏机器人将微机器人送至初始位置，整个焊接任务完成。

其中弧压传感系统主要由一台工控机、数据采集卡、PC-6501D光隔离脉冲计数定时接口卡等组成。

从以上描述中可以看出，本发明的上述实施例实现了以下有益效果：

(1)宏-微结构的机器人遥控焊接系统能够实现各种复杂环境及多种姿态的管道抓取和装配，大大节省了焊前准备时间，提高了装配精度；

(2)微机器人重量轻、易抓取、操作灵活，可通过编程控制，适应多种形式的焊缝及焊缝形状；

(3)配有弧压传感系统，焊接过程可控，提高了焊接质量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过工具转换接口(7)和气动夹紧模块完成宏机器人(8)与微机器人(9)的快速连接；

在宏机器人(8)与微机器人(9)之间加入六维力觉传感器(6)，使宏-微的机器人遥操作具有主动柔顺性；

对微机器人重力进行补偿，实时获取实际接触力信息，按照人机共享的管道装配策略，实现远端环境中的管道抓取、装配，通过弧压传感控制，使焊接过程中弧长保持一致，控制焊接质量，对管道进行焊接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，微机器人(9)具有3个自由度，可通过编程进行控制，分别由三个步进电机控制机器人的周向、横向、径向运动；步进电机的步距角为1.8°，驱动器提供2到200的细分数，从而达到较高的控制精度；该微机器人重量轻、易抓取、操作灵活，功能上具备全自动化装卸，焊接速度可调、焊接顺序和焊接位置可控。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道装配策略通过人机共享控制算法实现，人机共享控制技术包括自主控制系统、直接控制系统及直接控制和自主控制的融合算法，自主控制系统是基于六维力/力矩传感器的自主控制系统，直接控制系统是基于手动操纵杆的直接控制系统，实现共享控制的融合算法是控制权分配算法；控制权分配算法是指根据力觉传感器测量到的实际接触力的大小和形式，由中央控制器做出决策，将控制权交给人进行直接控制或交给机器人进行自主调整。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弧长控制系统包括一台工控机、数据采集卡和PC-6501D光隔离脉冲计数定时接口卡；利用数据采集卡实时采集电弧电压，然后通过计算机VC++编程根据电弧电压提供驱动器的信号，按照需要输出一定频率的脉冲信号CP，方向信号DIR以及使能信号EN，进而实现对步进电机的启动、停止以及速度的控制，从而控制弧长。