CN104820400A - 一种三维焊接机器人混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维焊接机器人混合控制方法，用离线编程系统预置机器人运动轨迹，并进行离线仿真，并设置图像采集信息；图像采集信息包括图像采集点对应关键点，关键点为理论焊缝与实际焊缝上的点，计算焊缝在基坐标系中的值，通过机器人逆运动学计算出各关节转角，再根据各关节减速比转化为各关节转角值；其中所计算出的关节电机实际转角值与理论转角值进行比较计算出转角差值；其中运动控制系统根据转角差值控制伺服控制系统驱动关节电机运动，实现插补运动。本发明的有益效果是采用单目视觉与激光测距系统实现三维空间的位置测量，实现对离线编程系统生成的理论运动轨迹的误差补偿。

Description

一种三维焊接机器人混合控制方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种三维焊接机器人混合控制方法。

背景技术

目前空间焊接机器人主要分为采用离线编程系统控制的空间焊接机器人和采用视觉系统控制的空间焊接机器人。随着CAD/CAM技术的发展，离线编程系统一般都是基于三维制图软件而开发的，能够直接提取焊件三维模型中的焊缝及边界信息，生成控制机器人运动的信息，同时也可以根据生成的控制机器人运动的信息直接控制三维模型中的机器人模型运动，实现离线仿真。离线编程系统属于开环控制系统，不能根据工作现场环境实时调整机器人运动，因而温升引起的工件变形以及存在的零件尺寸误差和安装误差等都将对焊缝质量造成严重的影响。视觉系统控制的空间焊接机器人是目前很先进的机器人，虽能较好的降低环境变化对焊接质量的影响，但相关技术还不成熟，尤其是在双目视觉系统以及多目视觉系统控制的空间焊接机器人领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维焊接机器人混合控制方法，解决了目前离线编程系统控制的空间焊接机器人的焊缝焊接质量易受焊接环境变化影响的问题。

本发明所采用的技术方案是采用以下步骤：

步骤1：设置坐标系，平面U0为摄像机成像平面；其中坐标系XYZ为摄像机坐标系，其摄像机坐标系原点与一图像采集点重合；

步骤2：采集图像，包括图像采集点和关键点在机器人基础坐标系中的坐标值，一个图像采集点对应三个理论关键点；

当机器人在运动过程中，摄像机模型坐标系原点与图像采集点重合时，摄像机采集理论关键点图像；三个理论关键点是与模型中的焊缝重合的点，三个点的距离相等且等价为同一直线上的点，位于中间的关键点与摄像机模型的坐标系的Z轴重合且与图像采集点的距离相等。

步骤3：设曲线ACB为理论焊缝曲线，点A、点B、点C为一组与图像采集点P对应的关键点，平面U1与理论焊缝曲线相切，切点为点C，平面U2与点A重合且与平面U1平行，平面U3与点B重合且与平面U1平行；

设点A′、点B′、点C′与平面U0重合，分别为点A、点B、点C在摄像机成像平面所成的相，且直线A′B′C′与成像平面U0的中线重合；

设曲线点A₁C₁B₁为实际焊缝曲线，点A₁、点B₁、点C₁为与图像采集点对应的实际关键点；

其中点A₁′、点B₁′、点C₁′分别为点A₁、点B₁、点C₁在摄像机平面所成的像，且三点共线并与中线平行；

设△为理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离，其中Δ′为直线A₁′C₁′B₁′与中线之间的距离，Δ′为△在平面U0内的投影；其中f为摄像机焦距，其中H为摄像机焦点O与平面U1的距离，则有；

       $\mathrm{\Δ}=K{\mathrm{\Δ}}^{\′}\frac{H}{f}$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

Δ′—为直线A₁′C₁′B₁′与中线mm之间的距离；

K—摄像机比例系数；

H—摄像机焦点O与平面U1的距离；

f—摄像机焦距；

步骤4：计算焊缝在基坐标系中的值：

       $T^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\ΔH}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

ΔH—实际H值与理论H值的差值；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

T.T′＝A.T′

式中：T—基坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

A—摄像机坐标系在极坐标系中的位姿矩阵；

步骤5：根据步骤4中计算的数值，通过机器人逆运动学计算出各关节转角，再根据各关节减速比转化为各关节转角值；其中所计算出的关节电机实际转角值与理论转角值进行比较计算出转角差值；其中运动控制系统根据转角差值控制伺服控制系统驱动关节电机运动，实现插补运动。

本发明的有益效果是，采用单目视觉与激光测距系统实现三维空间的位置测量，实现对离线编程系统生成的理论运动轨迹的误差补偿。解决了采用离线编程系统控制的焊接机器人的焊接质量易受焊接环境影响的问题。

附图说明

图1是本发明一种混合控制方法系统框图；

图2是本发明单目视觉系统图像采集原理图；

图3是本发明机器人运动学坐标转换示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明如图1所示，包括离线编程系统、单目视觉系统、激光测距系统、比较系统、运动控制系统、伺服控制系统；

步骤1：离线编程系统：预置机器人运动轨迹，并进行离线仿真，并设置图像采集信息；图像采集信息包括图像采集点和关键点在机器人基础坐标系中的坐标值，一个图像采集点对应三个理论关键点；

当机器人在运动过程中，摄像机模型坐标系原点与图像采集点重合时，摄像机采集理论关键点图像；三个理论关键点是与模型中的焊缝重合的点，三个点的距离相等且可以近似等价为同一直线上的点，位于中间的关键点与摄像机模型的坐标系的Z轴重合且与图像采集点的距离相等。

在离线仿真过程中，机器人在运动时，摄像机模型坐标原点与图像采集点重合时，摄像机采集图像，所采集的图像中包含该图像采集点所对应的一组关键点，且关键点应与图像坐标系的中线重合；通过预编程将焊缝轨迹转化为各关节电机运动的关节转角；

步骤2：如图2所述的单目视觉系统图像采集原理图，其中平面U0为摄像机成像平面；其中坐标系XYZ为摄像机坐标系，其摄像机坐标系原点O与一图像采集点P重合；其中曲线ACB为理论焊缝曲线，点A、点B、点C为一组与图像采集点P对应的关键点；其中曲线点A₁C₁B₁为实际焊缝曲线，点A₁、点B₁、点C₁为与图像采集点对应的实际关键点；其中平面U1与焊缝曲线ACB相切，切点为点C，平面U2与点A重合且与平面U1平行，平面U3与点B重合且与平面U1平行；其中点A′、点B′、点C′与平面U0重合，分别为点A、点B、点C在摄像机成像平面所成的相，且直线A′B′C′与成像平面U0的中线mm重合；其中点A₁′、点B₁′、点C₁′分别为点A₁、点B₁、点C₁在摄像机平面所成的像，且三点可看作是共线并与中线mm平行；其中△为理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离(假设实际焊缝与U1平面有交点，且交点为点C₁)，其中Δ′为直线A₁′C₁′B₁′与中线mm之间的距离，Δ′为△在平面U0内的投影；其中f为摄像机焦距，其中H为摄像机焦点O与平面U1的距离；

步骤3：如图2所述的单目视觉系统图像采集原理图，其中的值是通过图像处理得到的；其中H的值是通过激光测距系统直接测得的；其中△的值可通过式1计算所得；

式1：

       $\mathrm{\Δ}=K{\mathrm{\Δ}}^{\′}\frac{H}{f}$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

Δ′—为直线A₁′C₁′B₁′与中线mm之间的距离；

K—摄像机比例系数；

H—摄像机焦点O与平面U1的距离；

f—摄像机焦距；

步骤4：其中机器人在运动过程中，当摄像机坐标原点与图像采集点P重合时，运动控制系统将控制单目视觉系统采集图像，同时控制激光测距系统测量距离；其中激光测距系统将测得的H值发送给比较系统；其中单目视觉系统通过图像处理获得的值，并将值发送给比较系统；其中比较系统将传入的H值和的值带入式1计算出△的值；比较系统将△和H的值发送给运动控制系统；其中运动控制系统通过坐标转化将△和H的值转化为焊缝在基坐标系中的实际值；

步骤5：如图3所述的机器人运动学坐标转换示意图，其中坐标系为基坐标系，坐标系XOYZ为摄像机坐标系；其中△为论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离，其中为实际H值与理论H值的差值；其中点为插补运动后摄像机坐标系应到达的位置，可认为是摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵为，其表达式如式2所示；矩阵T为基坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵；矩阵A为摄像机坐标系在极坐标系中的位姿矩阵；可以通过式3计算各关节转角值；

式2：

       $T^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\ΔH}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

ΔH—实际H值与理论H值的差值；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

式3：

T.T′＝A.T′

式中：T—基坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

A—摄像机坐标系在极坐标系中的位姿矩阵；

步骤6：如图1所述的混合控制方法系统框图，其中运动控制系统接收并保存离线编程系统预编程后的各关节电机运动的关节转角，同时接收并保存所设置的图像采集信息；其中运动控制系统根据保存的信息控制伺服控制系统驱动各关节电机运动，当运动至图像采集点时向激光测距系统发送测量距离的指令，向单目视觉系统发送图像采集的指令；当接收到激光测距系统返回的H值和单目视觉系统返回的△值时，将根据式2计算焊缝在基坐标系中的值，通过机器人逆运动学计算出各关节转角，再根据各关节减速比转化为各关节转角值；其中所计算出的关节电机实际转角值与理论转角值进行比较计算出转角差值；其中运动控制系统根据转角差值控制伺服控制系统驱动关节电机运动，实现插补运动。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种三维焊接机器人混合控制方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

步骤1：设置坐标系，平面U0为摄像机成像平面；其中坐标系XYZ为摄像机坐标系，其摄像机坐标系原点与一图像采集点重合；

步骤2：采集图像，包括图像采集点和关键点在机器人基础坐标系中的坐标值，一个图像采集点对应三个理论关键点；

当机器人在运动过程中，摄像机模型坐标系原点与图像采集点重合时，摄像机采集理论关键点图像；三个理论关键点是与模型中的焊缝重合的点，三个点的距离相等且等价为同一直线上的点，位于中间的关键点与摄像机模型的坐标系的Z轴重合且与图像采集点的距离相等；

步骤3：设曲线ACB为理论焊缝曲线，点A、点B、点C为一组与图像采集点P对应的关键点，平面U1与理论焊缝曲线相切，切点为点C，平面U2与点A重合且与平面U1平行，平面U3与点B重合且与平面U1平行；

设点A′、点B′、点C′与平面U0重合，分别为点A、点B、点C在摄像机成像平面所成的相，且直线A′B′C′与成像平面U0的中线重合；

设曲线点A₁C₁B₁为实际焊缝曲线，点A₁、点B₁、点C₁为与图像采集点对应的实际关键点；

其中点A₁′、点B₁′、点C₁′分别为点A₁、点B₁、点C₁在摄像机平面所成的像，且三点共线并与中线平行；

设△为理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离，其中Δ′为直线A₁′C₁′B₁′与中线之间的距离，Δ′为△在平面U0内的投影；其中f为摄像机焦距，其中H为摄像机焦点O与平面U1的距离，则有；

$\mathrm{\Δ}=K{\mathrm{\Δ}}^{\′}\frac{H}{f}$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

Δ′—为直线A₁′C₁′B₁′与中线mm之间的距离；

K—摄像机比例系数；

H—摄像机焦点O与平面U1的距离；

f—摄像机焦距；

步骤4：计算焊缝在基坐标系中的值：

$T^{\′}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\ΔH}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

式中：△—理论焊缝与实际焊缝在U1平面内的距离；

ΔH—实际H值与理论H值的差值；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

T.T′＝A.T′

式中：T—基坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵；

T′—摄像机坐标系的变换所得其坐标系变化矩阵；

A—摄像机坐标系在极坐标系中的位姿矩阵；

步骤5：根据步骤4中计算的数值，通过机器人逆运动学计算出各关节转角，再根据各关节减速比转化为各关节转角值；其中所计算出的关节电机实际转角值与理论转角值进行比较计算出转角差值；其中运动控制系统根据转角差值控制伺服控制系统驱动关节电机运动，实现插补运动。