CN104227250A - 基于平面的机器人三维寻位纠偏方法 - Google Patents

基于平面的机器人三维寻位纠偏方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出采用一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法及就应用该纠偏方法的焊接机器人，目的在于提供新颖的寻边和计算方法以应对产品加工中所造成的偏差，提高产品的焊接质量与合格率。本发明的方法包括如下步骤：在工件上定义工件坐标系与基于所述工件坐标系的用户坐标系；沿工件坐标系XY平面的X轴、Y轴方向，分别间隔相同距离获取两个坐标点值；利用坐标点值中的两个，根据反正切三角函数ATan计算出偏移角度A；利用上述坐标点值，根据直线方程求解基于工件坐标系的X轴偏移量△X与Y轴偏移量△Y偏移角度A转换成可供机器识别的姿态四元数，再将该姿态四元数、X轴偏移量△X和Y轴偏移量△Y赋值至所述用户坐标，以实现机器人的姿态调整。

Description

基于平面的机器人三维寻位纠偏方法
技术领域
本发明涉及机器人技术，具体是涉及一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，以及应用该纠偏方法的焊接机器人。 
背景技术
在焊接领域，激光焊接工艺对产品的定位精度有着较高要求。在焊接加工时，一般是通过产品外部边缘进行定位的，而产品在成形过程中需经过冲压、折弯等多道工序，不可避免地会产生累积误差。因此，对产品进行激光焊接的时候，就需要对焊接路径x轴、y轴方向以及z轴的旋转角度进行纠偏。 
对此，现有的焊接机器人一般会设有寻边机构，通过寻边机构与产品边缘的多次接触而获取位置坐标，再通过预设程序计算出偏差值，继而自动调整焊缝位置。然而，现有技术方案通常仅能计算获得x轴、y轴单一方向的偏差，而不能获得z轴旋转角度的偏差。 
发明内容
针对背景技术中提及的问题，本发明提出采用一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法及就应用该纠偏方法的焊接机器人，目的在于提供新颖的寻边和计算方法以应对产品加工中所造成的偏差，正确纠正机器人焊接路径在平面位置和旋转角度的偏移，提高产品的焊接质量与合格率。本发明是通过如下技术方案实现的： 
一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，包括如下步骤： 
1)在工件上定义工件坐标系，并定义基于所述工件坐标系的用户坐标系； 
2)沿所述工件坐标系XY平面的X轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值(X1，Y1)和(X2，Y2)；沿所述工件坐标系XY平面的Y轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值(X3，Y3)和(X4，Y4)； 
3)利用上述坐标点值中的两个，根据反正切三角函数ATan计算出基于工件坐标系的偏移角度A； 
4)利用上述坐标点值，根据直线方程求解基于工件坐标系的X轴偏移量△X与Y轴偏移量△Y； 
直线K1的方程是，K1＝(Y1-Y2)/(X1-X2)； 
直线K2的方程是，K2＝(Y3-Y4)/(X3-X4)； 
X轴偏移量，△X＝(K1*X1-K2*X3-Y1)/(K1-K2)； 
Y轴偏移量，△Y＝Y1+(△X-X1)*K1； 
5)将上述偏移角度A转换成可供机器识别的姿态四元数，再将该姿态四元数、X轴偏移量△X和Y轴偏移量△Y赋值至所述用户坐标，以实现机器人的姿态调整。 
进一步的，所述偏移角度A的计算为 
A＝-(arctan((X4-X3)/(Y4-Y3)))或 
A＝-(arctan((X2-X1)/(Y2-Y1)))。 
进一步的，所述姿态四元数的转换通过机器人编译工具中的OrientZYX函数实现。 
本发明还对应提出一种基于上述三维寻位纠偏方法的焊接机器人，其包括一具有寻边探头的机械臂，所述寻边探头包括弹簧、探针以及与焊枪连接的固定支架；所述探针通过导线与机器人的I/O模块连接，该导线上串联有继电器。 
附图说明
图1为三维寻边纠偏方法的流程图。 
图2为焊接实例中坐标建立示意图。 
图3为坐标系偏角A示意图。 
图4为焊接机器人及焊接实例示意图。 
具体实施方式
如下结合附图，对本申请方案作进一步描述： 
如图1-4所示，一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，包括如下步骤： 
S01：在工件上定义工件坐标系wobjA，并定义基于所述工件坐标系wobjA的用户坐标系wobjB； 
SO2：沿所述工件坐标系wobjA的XY平面的X轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值P1(X1，Y1)和P2(X2，Y2)； 
S03：沿所述工件坐标系wobjA的XY平面的Y轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值P3(X3，Y3)和P4(X4，Y4)； 
S04：利用上述坐标点值中的两个，根据反正切三角函数ATan计算出基于工件坐标系wobjA的偏移角度A；本实施例中取坐标点值P3(X3，Y3)和P4(X4，Y4)进行计算，A＝-(arctan((X4-X3)/(Y4-Y3)))； 
S05：利用上述坐标点值P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)、P3(X3，Y3)和P4(X4，Y4)，根据直线方程求解基于工件坐标系的X轴偏移量△X与Y轴偏移量△Y； 
直线K1的方程是，K1＝(Y1-Y2)/(X1-X2)； 
直线K2的方程是，K2＝(Y3-Y4)/(X3-X4)； 
X轴偏移量，△X＝(K1*X1-K2*X3-Y1)/(K1-K2)； 
Y轴偏移量，△Y＝Y1+(△X-X1)*K1； 
S06：将上述偏移角度A转换成可供机器识别的姿态四元数； 
S07：将该姿态四元数、X轴偏移量△X和Y轴偏移量△Y赋值至所述用户坐标wobjB，以实现机器人的姿态调整。 
在本实施例中，上述取点、计算、姿态四元数转换由机器人编译工具实现，具体代码如下： 
一、坐标点值获取： 
MoveL pA1，v1000，fine，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
注：MoveL机器人直线运动指令，直线运动到pA1点，v1000是速度，find是准确到达该点，tooldata_2\WObj：＝wobjA是工具坐标\工件坐标； 
SearchL\Stop，Di1Find，target_base{1}，pA2，v5，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
注：SearchL\Stop机器人直线寻边指令，从上一个点以v5的速度运行到pA2，当信号DiFind＝1时停止，并将当前位置坐标(x，y，z)储存在target_base{1}，tooldata_2\WObj：＝wobjA是工具坐标\工件坐标； 
MoveL pC1，v1000，fjne，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
SearchL\Stop，Di1Find，target_base{3}，pC2，v5，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
MoveL pD1，v1000，fine，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
SearchL\Stop，DI10_3，target_base{4}，pD2，v5，Tooldata_2\WObj：＝wobjA； 
注：利用上述指令获取的4个点(target_base{1}、target_base{2}、 target_base{3}、target_base{4}) 
Y{1}：＝target_base{1}.trans.y-wobjA，uframe.tran.y； 
X{1}：＝target_base{1}.trans.x-wobjA，uframe.tran.x； 
Y{2}：＝target_base{2}.trans.y-wobjA，uframe.tran.y； 
X{2}：＝target_base{2}.trans.x-wobjA，uframe.tran.x； 
y{3}：＝target_base{3}.trans.y-wobjA，uframe.tran.y； 
X{3}：＝target_base{3}.trans.x-wobjA，uframe.tran.x； 
Y{4}：＝target_base{4}.trans.y-wobjA，uframe.tran.y； 
X{4}：＝target_base{4}.trans.x-wobjA，uframe.tran.x； 
注：分别将4个点的X、Y值赋值到变量里用于计算。 
二、偏角计算： 
angle：＝-(ATan((X{4}-X{3})/(Y{4}-Y{3})))； 
注：使用机器人函数Atan，用其中P3和P4的数据求出相对wobjA的角度储存在变量angle中； 
三、X轴偏移量△X与Y轴偏移量△Y计算： 
K1：＝(Y{1}-Y{2})/(X{1}-X{2})； 
K2：＝(Y{3}-Y{4})/(X{3}-X{4})； 
X{5}：＝(K1*X{1}-K2*X{3}+Y{3}-Y{1})/(K1-K2)； 
Y{5}：＝Y{1}+(X{5}-X{1})*K1； 
四、姿态四元数转换： 
wobjB：＝wobjA； 
wobjB.oframe.rot：＝OrientZYX(angle，0，0)； 
wobjB.oframe.trans.x：＝X{5}； 
wobjB.oframe.trans.y：＝Y{5}； 
注：将wobjA复制到wobjB；将求出的角度变量angle通过机器人编译工具中的OrientZYX函数转换为姿态四元数后赋值到wobjB的姿态值上；将求出的变量X{5}、Y{5}，赋值到wobjB上； 
一种基于上述三维寻位纠偏方法的焊接机器人，其包括一具有寻边探头11的机械臂1，所述寻边探头11包括弹簧、探针111以及与焊枪连接的固定支架13；所述探针通过导线与机器人的I/O模块连接，该导线上串联有继电器。所述焊接机器人由数控程序控制，并以上述纠偏方案减少误差。 
以焊接厨房用水槽为例，具体操作是将水槽的槽体2与桌子3焊接。 
首先，在产品上建立工件坐标系wobjA，通过使用寻边探头11在相对于建立在产品上坐标系wobjA的x轴、y轴方向分别隔固定距离获得两个位置，并记录所获物4个位置值P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)、P3(X3，Y3)和P4(X4，Y4)。然后由上述程序利用4点坐标数据计算得到一组偏差数(△X、△Y和偏角A)，再赋值至用户坐标系以纠正焊接路径。 
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。 

Claims (4)

1.一种基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在工件上定义工件坐标系，并定义基于所述工件坐标系的用户坐标系；
2)沿所述工件坐标系XY平面的X轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值(X1，Y1)和(X2，Y2)；沿所述工件坐标系XY平面的Y轴方向，间隔相同距离获取两个坐标点值(X3，Y3)和(X4，Y4)；
3)利用上述坐标点值中的两个，根据反正切三角函数ATan计算出基于工件坐标系的偏移角度A；
4)利用上述坐标点值，根据直线方程求解基于工件坐标系的X轴偏移量△X与Y轴偏移量△Y；
直线K1的方程是，K1＝(Y1-Y2)/(X1-X2)；
直线K2的方程是，K2＝(Y3-Y4)/(X3-X4)；
X轴偏移量，△X＝(K1*X1-K2*X3-Y1)/(K1-K2)；
Y轴偏移量，△Y＝Y1+(△X-X1)*K1；
5)将上述偏移角度A转换成可供机器识别的姿态四元数，再将该姿态四元数、X轴偏移量△X和Y轴偏移量△Y赋值至所述用户坐标，以实现机器人的姿态调整。
2.根据权利要求1所述的基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，其特征在于：所述偏移角度A的计算为
A＝-(arctan((X4-X3)/(Y4-Y3)))或
A＝-(arctan((X2-X1)/(Y2-Y1)))。
3.根据权利要求1所述的基于平面的机器人三维寻位纠偏方法，其特征在于：所述姿态四元数的转换通过机器人编译工具中的OrientZYX函数实现。
4.一种基于权利要求1-3所述三维寻位纠偏方法的焊接机器人，其特征在于：包括一具有寻边探头的机械臂，所述寻边探头包括弹簧、探针以及与焊枪连接的固定支架；所述探针通过导线与机器人的I/O模块连接，该导线上串联有继电器。
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