CN105364266A - 一种机械臂运动轨迹调整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械臂运动轨迹调整系统及方法，所述系统包括:传感装置，对所述焊缝和所述焊枪的焊接头进行扫描；处理器，接收扫描的视频图像数据，处理得到并发送加速度信号和轨迹调整信号；机械臂装置，由使用者引导沿焊缝板上的焊缝运动一遍作为示教轨迹，然后根据所述加速度信号重复该示教轨迹；轨迹调整装置，接收所述轨迹调整信号并对所述焊枪的位置进行微调；所述焊枪对所述焊缝进行焊接；所述方法与系统对应。这样，应用于大规模的机械臂协作中，减少不同种类的机械臂之间代码差异带来的巨大工作量；于单个机械臂中，通过在机械臂运动调整的基础上对焊枪进行再次微调，提高焊接的精度。

Description

一种机械臂运动轨迹调整系统及方法

技术领域

本发明涉及一种焊缝跟踪技术领域，特别涉及一种机械臂运动轨迹调整系统及方法。

背景技术

所谓焊缝跟踪就是在焊接时实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。由于工件的加工误差(工件间的尺寸差异、坡口的准备情况等)、装夹精度以及焊接时的热变形等因素的存在，焊接机械臂在焊接时常常因为焊缝和示教轨迹有偏差而导致焊接质量下降。所以焊缝跟踪是保证机械臂焊接质量的一个重要的方面。

现有的焊缝跟踪，一般是在焊缝焊接过程中，传感器实时检测焊缝的状况，如工件间的尺寸差异、坡口的准备情况等等。然后传送给处理器，处理器继而快速处理传感器发过来的信息，处理器再把处理过的信息发送给机械臂控制器，然后动作控制焊枪。但是，在实际的操作过程中，有时候需要用到较多类型的机械臂，而这些机械臂因为类型的不同，机械臂实时跟踪过程中，编写程序复杂，每类机械臂编写代码不同，会产生巨大工作量，给实际的焊接造成很大的困难。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种机械臂运动轨迹调整系统及方法，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种机械臂运动轨迹调整系统，其包括:处理器、传感装置、机械臂装置、轨迹调整装置和焊枪；

所述传感装置对焊缝板上的焊缝和所述焊枪的焊接头进行扫描，并将扫描到的视频图像数据传输给所述处理器；

所述处理器接收所述视频图像数据，进行处理，得到并发送加速度信号和轨迹调整信号；

所述机械臂装置由使用者引导沿所述焊缝运动一遍作为示教轨迹，然后根据接收的所述加速度信号重复该示教轨迹；

所述轨迹调整装置加装在所述机械臂装置和所述焊枪之间，接收所述轨迹调整信号并对所述焊枪的位置进行微调；

所述焊枪对所述焊缝进行焊接。

较佳的，所述处理器包括：预处理模块、帧处理模块、存储模块、真实值计算模块、加速度计算模块和调整生成模块；所述预处理模块接收所述视频图像数据，对每一帧图像进行锐化处理；所述帧处理模块对锐化后的每一帧图像进行处理，获取各位置和所述焊接头的测量值并存储在所述存储模块中；所述真实值计算模块从所述存储模块中读取同一位置在不同帧图像中的所述测量值，计算该位置的真实值并存储在所述存储模块中；所述加速度计算模块从所述存储模块中读取数据，计算所述机械臂装置的加速度并发送所述加速度信号；所述调整生成模块从所述存储模块中读取数据，生成所述轨迹调整信号并发送。

较佳的，所述真实值计算模块对同一位置真实值的的计算公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{B}_i{Z}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{B}_i}$

其中，B_i由下述公式确定：

$A_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}|Z_i-Z_j|$

$A=\underset{i\≤n}{\min }\left(A_i\right)$

$B_i=\frac{1}{2}+\frac{mA-A_i}{2|mA-A_i|}$

式中，i、j分别为同一位置的测量值的序号，n为测量值的总数量，Z表示该位置的真实值，Z_i、Z_j分别表示第i、j个测量值，A_i表示第i个测量值到所有测量值的距离之和，A表示距离之和最小值，m为距离之和最小值的合理倍数，B_i为第i个测量值的判断值。

较佳的，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括显示屏；所述传感装置为摄像头，所述显示屏与所述摄像头电连接。

较佳的，所述轨迹调整装置包括：Y轴支架、Y轴动力子装置、Z轴支架、Z轴动力子装置、固定支架和微处理器；所述固定支架固定在所述机械臂装置的端部；所述微处理器固定在所述固定支架上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；所述Y轴支架连接在所述固定支架上，相对所述固定支架在Y轴方向上移动；所述Y轴动力子装置夹在所述固定支架和所述Y轴支架中间，一侧固定在所述固定支架上，另一侧与所述Y轴支架结合，接收所述控制指令后驱动所述Y轴支架移动；所述Z轴支架连接在所述Y轴支架上，相对于所述Y轴支架在Z轴方向上移动；所述Z轴动力子装置夹在所述Y轴支架和所述Z轴支架之间，一侧固定在所述Y轴支架上，另一侧与所述Z轴支架结合，接收所述控制指令后驱动所述Z轴支架移动。

较佳的，所述轨迹调整装置包括：弧度支架、弧度架动力子装置、伸缩支架、伸缩架动力子装置、固定架和微控制器；所述固定架固定在所述机械臂装置的端部；所述微控制器固定在所述固定架上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；所述弧度支架连接在所述固定架上，相对所述固定架以对应的圆心为中心沿弧度运动；所述弧度架动力子装置夹在所述固定架和所述弧度支架中间，一侧固定在所述固定架上，另一侧与所述弧度支架结合，接收所述控制指令后驱动所述弧度支架运动；所述伸缩支架连接在所述弧度支架上，相对于所述弧度支架沿经过所述弧度支架圆心的直线上运动；所述伸缩架动力子装置夹在所述弧度支架和所述伸缩支架之间，一侧固定在所述弧度支架上，另一侧与所述伸缩支架结合，接收所述控制指令后驱动所述伸缩支架运动。

较佳的，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括人机界面，所述人机界面与所述处理器连接，用于输入控制指令或显示所述处理器内处理完成的数据。

其次，提供一种与所述的机械臂运动轨迹调整系统对应的机械臂运动轨迹调整方法，其包括：

步骤a，锁定轨迹调整装置，引导焊枪沿焊缝板的焊缝运行一遍作为机械臂装置的示教轨迹；

步骤b，用传感装置扫描所述焊缝和所述焊枪的焊接头，得到视频图像数据；

步骤c，用处理器对所述视频图像数据进行处理，得到所述机械臂装置的X轴方向加速度、所述焊接头和所述焊缝在Y轴方向及Z轴方向的偏差距离；

步骤d，用轨迹调整装置将所述焊枪在Y轴方向、Z轴方向移动所述偏差距离；同时根据所述X轴方向加速度调整所述机械臂装置的实时速度；

步骤e，重复所述步骤b-所述步骤d，直至所述焊缝焊接完毕。

较佳的，所述步骤c中，对所述X轴方向加速度的计算公式为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{i-}=\min \{\underset{s\&le;k<i}{\min }\left(a_{ik}\right),a\}$

其中，a_ik由下述公式确定：

$a_{ik}=\frac{{v_i}^2-{v_k}^2}{2(x_i-x_k)}$

$v_i=\frac{v}{\sqrt{1+{d_i}^2}}$

$d_i=\frac{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}{y}_{i-j}\right)-\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{y}_{i-j}\right)}{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x_{i-j}}^2\right)-{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)}^2}$

式中，i、k为轨迹坐标的序号，j为与第i个轨迹坐标的序号差，m为进行拟合的轨迹坐标的总数量，s为当前焊接头的坐标对应的序号，x_i-j为第i-j个轨迹坐标的横坐标，y_i-j为第i-j个轨迹坐标的纵坐标，x_i、x_k分别为第i、k个轨迹坐标的横坐标，d_i为第个轨迹坐标对应的拟合斜率，v_i、v_k分别为焊接头经过第i、k个轨迹坐标时X轴方向的速度，v为焊接头在平面上的最大允许速度，a为焊接头在X轴方向的最大允许加速度，a_ik为焊接头从第i个轨迹坐标到第k个轨迹坐标的X轴方向假设加速度，a_i-为焊接头从当前的坐标到第i个轨迹坐标的X轴方向实际加速度。

较佳的，还包括：

步骤f，利用超声波经过所述焊缝反射的回波对已焊部位进行检测，得到检测数据；

步骤g，将所述检测数据与预设的标准数据进行对比，找到不符合要求的焊接部位；

步骤h，用所述机械臂装置对所述焊接部位进行补焊。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供一种机械臂运动轨迹调整系统及方法，这样，可以应用于大规模的机械臂协作中，以减少不同种类的机械臂之间代码差异带来的巨大工作量，提高不同种类的机械臂之间的协调作用；也可以用于单个机械臂中，通过在机械臂运动调整的基础上对焊枪进行再次微调，提高焊接的精度；机械臂装置在其中的作用主要是确定并重复示教轨迹，而这些功能是各种表不同的机械臂内封装的基本作用，不需要再针对各类机械臂进行开发，同时，机械臂装置支撑轨迹调整装置；通过轨迹调整装置对焊枪进行轨迹调整，最大限度减小焊枪和焊缝之间的错位，提高焊接精度；这样，可以在不对不同种类机械臂的编写代码进行大规模改编的情况下，对焊枪的运动轨迹进行调整，以顺利完成对焊接板焊缝的焊接，且提高了焊接精度；将视频图像分解为帧并对每帧图像处理后对数据进行汇总得出真实值，提高了对焊缝位置及焊缝与焊接头之间距离判断的准确性，继而提高了机械臂运动轨迹调整系统的焊接精度；可以用所述显示屏实时显示采集含有焊枪的焊接头及不同焊缝位置的视频图像；激光焊接更加精确，焊接效率更高，提高了机械臂轨迹调整系统的焊接精度和焊接效率；轨迹调整模块可以将焊枪相对于机械臂装置进行微调，进而调整焊枪的实际运动轨迹，缩小甚至消除焊枪和焊缝的相对距离，提高所述机械臂运动轨迹调整系统焊接的精度；通过对不符合要求的焊接部位进行补焊，提高了机械臂运动轨迹调整系统的焊接质量。

附图说明

图1为本发明机械臂运动轨迹调整系统的结构示意图；

图2为本发明机械臂运动轨迹调整系统处理器的结构示意图；

图3为本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例四的结构示意图；

图4为本发明机械臂运动轨迹调整系统轨迹调整装置的结构示意图一；

图5为本发明机械臂运动轨迹调整系统轨迹调整装置的结构示意图二；

图6为本发明机械臂运动轨迹调整系统机械臂装置的结构示意图；

图7为本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例九的结构示意图；

图8为本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例十的结构示意图；

图9为本发明机械臂运动轨迹调整方法的流程图；

图10为本发明机械臂运动轨迹调整方法实施例十二的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明机械臂运动轨迹调整系统的结构示意图；其中，所述机械臂运动轨迹调整系统包括：处理器1、传感装置2、机械臂装置3、轨迹调整装置4和焊枪5；

传感装置2对所述焊缝和焊接头进行扫描，并将扫描到的视频图像数据传输给处理器1；

处理器1接收所述视频图像数据，进行处理得到并发送加速度信号机械臂装置3，发送轨迹调整信号到轨迹调整装置4；

机械臂装置3由使用者引导沿焊缝板上的焊缝运动一遍作为示教轨迹，然后根据接收的所述加速度信号重复该示教轨迹；

轨迹调整装置4加装在机械臂装置3和焊枪5之间，接收所述轨迹调整信号并对焊枪5的位置进行微调；

焊枪5对所述焊缝进行焊接。

这样，在焊接时，先由使用者引导机械臂装置3沿所述焊缝板上的所述焊缝运行一遍，机械臂装置3将此次运行作为示教轨迹，在第二遍(只要是对同一焊缝板或同一批焊缝板，机械臂第二遍和第N遍的运动轨迹相同)运行时，机械臂装置3以示教轨迹为运动轨迹；同时，传感装置2对焊缝和焊接头进行扫描，扫描到的焊缝数据传输给处理器1，处理器1处理数据并向机械臂装置3发送加速度信号，向轨迹调整装置4发送轨迹调整信号；机械臂装置3接收所述加速度信号后沿着示教轨迹运动，但运动速度根据机械臂运动信号确定；轨迹调整装置4根据轨迹调整信号微调焊枪5的位置，使得焊枪5的顶部与焊缝误差最小。

这样，机械臂装置3在其中的作用主要是确定并重复示教轨迹，而这些功能是各种表不同的机械臂内封装的基本作用，不需要再针对各类机械臂进行开发，同时，机械臂装置3支撑轨迹调整装置4；通过轨迹调整装置3对焊枪进行轨迹调整，最大限度减小焊枪5和焊缝之间的错位，提高焊接精度；这样，可以在不对不同种类机械臂的编写代码进行大规模改编的情况下，对焊枪的运动轨迹进行调整，以顺利完成对焊接板焊缝的焊接，且提高了焊接精度。

另外，该机械臂运动轨迹调整系统可以应用于大规模的机械臂协作中，以减少不同种类的机械臂之间代码差异带来的巨大工作量，提高不同种类的机械臂之间的协调作用；也可以用于单个机械臂中，通过在机械臂运动调整的基础上对焊枪进行再次微调，提高焊接的精度。

为了方便本发明的阐述，定义机械臂装置前进方向为X轴正方向，竖直向下为Z轴正方向，Y轴正方向根据右手定则确定。

实施例一

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图2本发明机械臂运动轨迹调整系统处理器的结构示意图所示，所述处理器1包括：预处理模块11、帧处理模块12、存储模块13、真实值计算模块14、加速度计算模块15和调整生成模块16；预处理模块11接收所述视频图像数据，对每一帧图像进行锐化处理；帧处理模块12对锐化后的每一帧图像进行处理，获取各位置和焊枪5的焊接头的测量值并存储在存储模块13；真实值计算模块14从存储模块13中读取同一位置在不同帧图像中的测量值，计算该位置的真实值并存储在存储模块13；加速度计算模块15从存储模块13中读取数据，计算机械臂的加速度并将加速度信号发送至机械臂装置3；调整生成模块16从存储模块13中读取数据，生成轨迹调整信号并发送至轨迹调整装置4。

这样，将视频图像分解为帧并对每帧图像处理后对数据进行汇总得出真实值，提高了对焊缝位置及焊缝与焊接头之间距离判断的准确性，继而提高了机械臂运动轨迹调整系统的焊接精度。

处理器可由单片机、DSP、PLC、ARM、FPGA、工控机或计算机等代替。

实施例二

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，真实值计算模块14对同一位置真实值的的计算公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{B}_i{Z}_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{B}_i}$

其中，B_i由下述公式确定：

$A_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}|Z_i-Z_j|$

$A=\underset{i\&le;n}{\min }\left(A_i\right)$

$B_i=\frac{1}{2}+\frac{mA-A_i}{2|mA-A_i|}$

式中，i、j分别为同一位置的测量值的序号，n为测量值的总数量，Z表示该位置的真实值，Z_i、Z_j分别表示第i、j个测量值，A_i表示第i个测量值到所有测量值的距离之和，A表示距离之和最小值，m为距离之和最小值的合理倍数，B_i为第i个测量值的判断值。

具体思路为：首先通过对某一个测量值与任意测量值的差的绝对值进行累加，得到该测量值到所有测量值的距离之和；其次在这些距离之和中，确认最小距离之和；再次，将任意测量值对应的距离之和与最小距离之和的合理倍数作差后除以差的绝对值，除以二后加二分之一作为该测量值对应的判断值；最后将所有判断值与对应的测量值相乘后累加，并除以所有判断值的累加，得到该位置的真实值。

有益效果为：通过连加求出测量值与所有测量值的距离之和，此种求和方式不将测量值与本身的距离排除在外，是因为测量值与其本身的距离为0，对最后求得的距离之和并无影响，如果将测量值与其本身的距离排除，反而会增加判断哪个测量值为应该排除的这一步骤，增加了工作量，拖慢了计算速度，本计算公式省略了排除测量值本身的步骤，减小了工作量，缩短了计算时间，提高了计算速度；通过作差后除以差的绝对值的方法，将对距离之和在不在合理范围内的判断转化为计算判断值，判断值为1则代表该测量值在合理范围内，判断值为0则代表该测量值不在合理范围内，这样，就排除了与大部分数据偏差较大的异常值，缩短了判断时间，节约了判断过程；通过将判断值与测量值相乘，直接消去了判断值为0的测量值，这样，得到了真实值，排除了偏差较大的异常值，减小了因机械或测量等原因造成的误差，提高了测量的准确度；且公式简单，过程清楚，缩短了判断时间，提高了测量的准确度和测量速度，且简单的公式节省了系统资源。

其中，m根据实际情况确定；且本计算公式中的各个字母代表的具体含义与下述公式中各个字母所代表的具体含义相互独立，互不影响。

实施例三

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，加速度计算模块15计算加速度的公式为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{i-}=\min \{\underset{s\&le;k<i}{\min }\left(a_{ik}\right),a\}$

其中，a_ik由下述公式确定：

$a_{ik}=\frac{{v_i}^2-{v_k}^2}{2(x_i-x_k)}$

$v_i=\frac{v}{\sqrt{1+{d_i}^2}}$

$d_i=\frac{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}{y}_{i-j}\right)-\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{y}_{i-j}\right)}{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x_{i-j}}^2\right)-{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)}^2}$

式中，i、k为轨迹坐标的序号，j为与第i个轨迹坐标的序号差，m为进行拟合的轨迹坐标的总数量，s为当前焊接头的坐标对应的序号，x_i-j为第i-j个轨迹坐标的横坐标，y_i-j为第i-j个轨迹坐标的纵坐标，x_i、x_k分别为第i、k个轨迹坐标的横坐标，d_i为第个轨迹坐标对应的拟合斜率，v_i、v_k分别为焊接头经过第i、k个轨迹坐标时X轴方向的速度，v为焊接头在平面上的最大允许速度，a为焊接头在X轴方向的最大允许加速度，a_ik为焊接头从第i个轨迹坐标到第k个轨迹坐标的X轴方向假设加速度，a_i-为焊接头从当前的坐标到第i个轨迹坐标的X轴方向实际加速度。

具体思路为：首先对刚刚确定的轨迹坐标(第i个)及之前的m个轨迹坐标进行直线拟合，得到其拟合斜率；其次将拟合斜率平方加一的平方根除最大允许速度得到焊接头经过该轨迹坐标的X轴方向的速度；再次用两个轨迹坐标对应的X轴方向的速度的平方差除以该两个轨迹坐标的双倍的X轴坐标之差，得到焊接头在该两个轨迹坐标之间应该受到的X轴方向假设加速度；最后在焊接头从当前的轨迹坐标到刚刚确定的轨迹坐标之间所有的X轴方向假设加速度选择最小值并和X轴方向的最大允许加速度之中选择较小值作为焊接头从当前的轨迹坐标到刚刚确定的轨迹坐标之间的X轴方向实际加速度。

有益效果为：通过对刚刚确定的轨迹坐标及之前的m个轨迹坐标进行直线拟合，确定拟合斜率，这样可以最大程度排除异常的轨迹坐标对当前的轨迹坐标的斜率的影响(在对图像信号进行处理得到轨迹坐标的时候，可能会因此误差将非轨迹的地方确认为轨迹坐标，这些轨迹坐标会使得斜率的确定产生较大的误差，通过拟合并不能消除该误差，但可以减小误差)，提高最后确定的实际加速度的准确值；另外，焊接头的焊接速度是有最大值的限制的，如果超过最大速度，会因为焊接时间过短而使得焊接质量变差，因此需要根据实际情况，确定焊接头的最大允许速度，进而确定X轴方向的速度及两个轨迹坐标之间的X轴方向假设加速度；X轴方向的加速度对焊接头的受力影响较大，如果加速度过大的话，焊接头会产生晃动，这样会影响最后的焊接精度，因此需要根据实际情况确定焊接头在不影响精度的情况下可以承受的X轴方向最大加速度，这样，从所有的X轴方向假设加速度中选择小于该最大加速度的加速度作为X轴方向的实际加速度，一方面可以加快焊接的速度，提高加工效率；另一方面对焊接头的受力影响较小，提高了焊接头的焊接精度；通过公式可以直接计算出实际加速度，提高了判断加速度的效率，缩短了判断时间；公式简单，减少了对系统资源的占用。

其中，m、v、a根据实际情况确定。

实施例四

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图3本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例四的结构示意图所示，传感装置2为摄像头，用于采集含有焊接头及不同焊缝位置的视频图像；所述机械臂运动轨迹调整系统还包括显示屏6；所述显示屏6与所述摄像头2电连接；这样，可以用所述显示屏实时显示采集含有焊枪的焊接头及不同焊缝位置的视频图像。

所述摄像头2与所述焊枪5上的焊接头51固定连接，且所述摄像头朝向方向与所述焊枪上的焊接头朝向方向形成固定夹角，这样，所述摄像头与所述焊枪的焊接头保持相互静止，在摄像头的视频图像中，所述焊接头的位置保持不变，可以以所述焊接头为基准点，通过所述焊接头的与所述焊缝的位置变化来确定所述焊缝的运动。

实施例五

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，所述焊枪5的焊接头为激光焊接头，所述传感装置2为激光视觉传感器；这样，激光焊接更加精确，焊接效率更高，提高了机械臂轨迹调整系统的焊接精度和焊接效率。

本实施例中，激光视觉传感器可由激光结构光传感器、激光扫描传感器或者主动光视觉传感器代替。

实施例六

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图4本发明机械臂运动轨迹调整系统轨迹调整装置的结构示意图一所示，所述轨迹调整装置4包括：Y轴支架41a、Y轴动力子装置42a、Z轴支架43a、Z轴动力子装置44a、固定支架45a和微处理器46a；固定支架45a固定在机械臂装置3的端部；微处理器46a固定在固定支架45a上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；Y轴支架41a连接在固定支架45a上，相对固定支架45a在Y轴方向上移动；Y轴动力子装置42a夹在固定支架45a和Y轴支架41a中间，一侧固定在固定支架45a上，另一侧与Y轴支架41a结合，接收所述控制指令后驱动Y轴支架41a移动；Z轴支架43a连接在Y轴支架41a上，相对于Y轴支架41a在Z轴方向上移动；Z轴动力子装置44a夹在Y轴支架41a和Z轴支架43a之间，一侧固定在Y轴支架41a上，另一侧与Z轴支架43a结合，接收所述控制指令后驱动Z轴支架43a移动。

Z轴支架43a上固定所述焊枪5，这样，轨迹调整模块4可以将焊枪5相对于机械臂装置3进行微调，进而调整焊枪5的实际运动轨迹，缩小甚至消除焊枪5和焊缝的相对距离，提高所述机械臂运动轨迹调整系统焊接的精度。

所述Y轴动力子装置42a、所述Z轴动力子装置44a为步进电机或伺服电机。这样，可以对Y轴支架和Z轴支架的位移进行精确控制。

实施例七

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图5本发明机械臂运动轨迹调整系统轨迹调整装置的结构示意图二所示，所述轨迹调整装置4包括：弧度支架41b、弧度架动力子装置42b、伸缩支架43b、伸缩架动力子装置44b、固定架45b和微控制器46b；固定架45b固定在机械臂装置3的端部；微控制器46b固定在固定架45b上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；弧度支架41b连接在固定架45b上，相对固定架45b以对应的圆心为中心沿弧度运动；弧度架动力子装置42b夹在固定架45b和弧度支架41b中间，一侧固定在固定架45b上，另一侧与弧度支架41b结合，接收所述控制指令后驱动弧度支架41b运动；伸缩支架43b连接在弧度支架41b上，相对于弧度支架41b沿经过弧度支架41b圆心的直线上运动；伸缩架动力子装置44b夹在弧度支架41b和伸缩支架43b之间，一侧固定在弧度支架41b上，另一侧与伸缩支架43b结合，接收所述控制指令后驱动伸缩支架43b运动。

伸缩支架43b上固定所述焊枪5，这样，轨迹调整模块4可以将焊枪5相对于机械臂装置3进行微调，进而调整焊枪5的实际运动轨迹，缩小甚至消除焊枪5和焊缝的相对距离，提高所述机械臂运动轨迹调整系统焊接的精度。

弧度架动力子装置42b、伸缩架动力子装置44b为步进电机或伺服电机。这样，可以对Y轴支架和Z轴支架的位移进行精确控制。

实施例八

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图6本发明机械臂运动轨迹调整系统机械臂装置的结构示意图所示，机械臂装置3包括：滑轨31、滑架32、驱动子装置33和伸缩子装置34；滑轨31水平铺设在地面或工作台两侧，用于给机械臂提供水平滑道；滑架32假设在滑轨31上，沿滑轨31进行移动；驱动子装置33固定在滑架32上，接收所述加速度信号，驱动并控制所述滑架32在滑轨31上的移动，同时控制伸缩子装置34；伸缩子装置34一端固定在滑架32上，一端固定轨迹调整装置4，在驱动子装置33的控制下沿示教轨迹进行运动。

这样，机械臂装置3根据加速度信号控制滑架32在X轴方向的加速度并沿示教轨迹进行运动，一方面依照加速度信号运动可以防止在X轴方向进行加速或减速运动时，加速度过大而造成伸缩子装置34固定轨迹调整装置4一端晃动，进而增大焊枪与焊缝之间的偏差距离造成的焊接精度低的问题；另一方面沿示教轨迹进行运动时，可以缩小焊枪与焊缝之间的偏差距离，减小轨迹调整装置4需要微调的距离，提高微调效率，增大微调后的准确度，进而提高焊接精度。

实施例九

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图7本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例九的结构示意图所示，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括人机界面7，所述人机界面与处理器1连接，用于输入控制指令或显示处理器1内处理完成的数据。

这样，可以通过人机界面输入控制指令，对机械臂运动轨迹调整系统进行控制以内部程序进行调整或修改内部参数，避免因系统内部控制指令出错而造成焊接出错；同时可以使得使用者根据实际情况对内部参数进行调整，进一步提高系统焊接的精度和该机械臂运动轨迹调整系统的适用范围。系统焊接的精度和该机械臂运动轨迹调整系统的适用范围。

实施例十

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例与其不同之处在于，如图8本发明机械臂运动轨迹调整系统实施例十的结构示意图所示，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括有超声波传感器8及质量处理模块9；超声波传感器8利用超声波经过焊缝反射形成的回波对已焊部位进行检测，并发送检测数据；质量处理模块9接收所述检测数据并与预设的标准数据进行对比，将不符合要求的焊接部位信息传输至处理器1，处理器1发送控制指令到机械臂装置3，对所述焊接部位进行补焊。

这样，通过对不符合要求的焊接部位进行补焊，提高了机械臂运动轨迹调整系统的焊接质量。

实施例十一

如上述所述的机械臂运动轨迹调整系统，本实施例为与其对应的机械臂运动轨迹调整方法，如图9本发明机械臂运动轨迹调整方法的流程图所示，其包括：

步骤a，锁定轨迹调整装置，引导焊枪沿焊缝板的焊缝运行一遍作为机械臂装置的示教轨迹；

步骤b，用传感装置扫描所述焊缝和所述焊枪的焊接头，得到视频图像数据；

步骤c，用处理器对所述视频图像数据进行处理，得到所述机械臂装置的X轴方向加速度、所述焊接头和所述焊缝在Y轴方向、Z轴方向的偏差距离；

步骤d，用轨迹调整装置将所述焊枪在Y轴方向、Z轴方向移动所述偏差距离；同时根据所述X轴方向加速度调整所述机械臂装置的实时速度；

步骤e，重复步骤b-步骤d，直至所述焊缝焊接完毕。

这样，通过在机械臂示教轨迹的基础上对焊枪进行再次微调，提高焊接的精度；如果机械臂为多个，则每个机械臂只需要重复示教轨迹，无需进行代码的修改，减少了工作量，提高了工作效率。

实施例十二

如上述所述的机械臂运动轨迹调整方法，本实施例与其不同之处在于，如图10本发明机械臂运动轨迹调整方法实施例十二的流程图所示，所述机械臂运动轨迹调整方法还包括：

步骤f，利用超声波经过所述焊缝反射的回波对已焊部位进行检测，得到检测数据；

步骤g，将所述监测数据与预设的标准数据进行对比，找到不符合要求的焊接部位；

步骤h，用所述机械臂装置对所述焊接部位进行补焊。

这样，通过对不符合要求的焊接部位进行补焊，提高了焊缝的焊接质量。

实施例十三

如上述所述的机械臂运动轨迹调整方法，本实施例与其不同之处在于，所述步骤c中，对X轴方向加速度的计算公式为：

$a_{i-}=\min \{\underset{s\&le;k<i}{\min }\left(a_{ik}\right),a\}$

其中，a_ik由下述公式确定：

$a_{ik}=\frac{{v_i}^2-{v_k}^2}{2(x_i-x_k)}$

$v_i=\frac{v}{\sqrt{1+{d_i}^2}}$

$d_i=\frac{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}{y}_{i-j}\right)-\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{y}_{i-j}\right)}{m\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x_{i-j}}^2\right)-{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)}^2}$

式中，i、k为轨迹坐标的序号，j为与第i个轨迹坐标的序号差，m为进行拟合的轨迹坐标的总数量，s为当前焊接头的坐标对应的序号，x_i-j为第i-j个轨迹坐标的横坐标，y_i-j为第i-j个轨迹坐标的纵坐标，x_i、x_k分别为第i、k个轨迹坐标的横坐标，d_i为第个轨迹坐标对应的拟合斜率，v_i、v_k分别为焊接头经过第i、k个轨迹坐标时X轴方向的速度，v为焊接头在平面上的最大允许速度，a为焊接头在X轴方向的最大允许加速度，a_ik为焊接头从第i个轨迹坐标到第k个轨迹坐标的X轴方向假设加速度，a_i-为焊接头从当前的坐标到第i个轨迹坐标的X轴方向实际加速度。

具体思路为：首先对刚刚确定的轨迹坐标(第i个)及之前的m个轨迹坐标进行直线拟合，得到其拟合斜率；其次将拟合斜率平方加一的平方根除最大允许速度得到焊接头经过该轨迹坐标的X轴方向的速度；再次用两个轨迹坐标对应的X轴方向的速度的平方差除以该两个轨迹坐标的双倍的X轴坐标之差，得到焊接头在该两个轨迹坐标之间应该受到的X轴方向假设加速度；最后在焊接头从当前的轨迹坐标到刚刚确定的轨迹坐标之间所有的X轴方向假设加速度选择最小值并和X轴方向的最大允许加速度之中选择较小值作为焊接头从当前的轨迹坐标到刚刚确定的轨迹坐标之间的X轴方向实际加速度。

有益效果为：通过对刚刚确定的轨迹坐标及之前的m个轨迹坐标进行直线拟合，确定拟合斜率，这样可以最大程度排除异常的轨迹坐标对当前的轨迹坐标的斜率的影响(在对图像信号进行处理得到轨迹坐标的时候，可能会因此误差将非轨迹的地方确认为轨迹坐标，这些轨迹坐标会使得斜率的确定产生较大的误差，通过拟合并不能消除该误差，但可以减小误差)，提高最后确定的实际加速度的准确值；另外，焊接头的焊接速度是有最大值的限制的，如果超过最大速度，会因为焊接时间过短而使得焊接质量变差，因此需要根据实际情况，确定焊接头的最大允许速度，进而确定X轴方向的速度及两个轨迹坐标之间的X轴方向假设加速度；X轴方向的加速度对焊接头的受力影响较大，如果加速度过大的话，焊接头会产生晃动，这样会影响最后的焊接精度，因此需要根据实际情况确定焊接头在不影响精度的情况下可以承受的X轴方向最大加速度，这样，从所有的X轴方向假设加速度中选择小于该最大加速度的加速度作为X轴方向的实际加速度，一方面可以加快焊接的速度，提高加工效率；另一方面对焊接头的受力影响较小，提高了焊接头的焊接精度；通过公式可以直接计算出实际加速度，提高了判断加速度的效率，缩短了判断时间；公式简单，减少了对系统资源的占用。

其中，m、v、a根据实际情况确定。

另外，本机械臂运动轨迹调整方法还包括与上述实施例一至实施例十中所述机械臂运动轨迹调整系统对应的方法，其中的实质内容也应属于方法中的一部分。

本发明中，处理器、微处理器、微控制器可由单片机、DSP、PLC、ARM、FPGA、工控机或计算机等代替。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

尽管本文较多地使用了处理器1、传感装置2、机械臂装置3、轨迹调整装置4、焊枪5、预处理模块11、帧处理模块12、存储模块13、真实值计算模块14、加速度计算模块15、调整生成模块16、Y轴支架41a、Y轴动力子装置42a、Z轴支架43a、Z轴动力子装置44a、固定支架45a、微处理器46a、弧度支架41b、弧度架动力子装置42b、伸缩支架43b、伸缩架动力子装置44b、固定架45b、微控制器46b、滑轨31、滑架32、驱动子装置33和伸缩子装置34等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，包括:处理器、传感装置、机械臂装置、轨迹调整装置和焊枪；

所述传感装置对焊缝板上的焊缝和所述焊枪的焊接头进行扫描，并将扫描到的视频图像数据传输给所述处理器；

所述处理器接收所述视频图像数据，进行处理，得到并发送加速度信号和轨迹调整信号；

所述机械臂装置由使用者引导沿所述焊缝运动一遍作为示教轨迹，然后根据接收的所述加速度信号重复该示教轨迹；

所述轨迹调整装置加装在所述机械臂装置和所述焊枪之间，接收所述轨迹调整信号并对所述焊枪的位置进行微调；

所述焊枪对所述焊缝进行焊接。

2.根据权利要求1所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述处理器包括：预处理模块、帧处理模块、存储模块、真实值计算模块、加速度计算模块和调整生成模块；所述预处理模块接收所述视频图像数据，对每一帧图像进行锐化处理；所述帧处理模块对锐化后的每一帧图像进行处理，获取各位置和所述焊接头的测量值并存储在所述存储模块中；所述真实值计算模块从所述存储模块中读取同一位置在不同帧图像中的所述测量值，计算该位置的真实值并存储在所述存储模块中；所述加速度计算模块从所述存储模块中读取数据，计算所述机械臂装置的加速度并发送所述加速度信号；所述调整生成模块从所述存储模块中读取数据，生成所述轨迹调整信号并发送。

3.根据权利要求2所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述真实值计算模块对同一位置真实值的的计算公式为：

$Z=\frac{{\&Sigma;}_{i=1}^n{B}_i{Z}_i}{{\&Sigma;}_{i=1}^n{B}_i}$

其中，B_i由下述公式确定：

$A_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}|Z_i-Z_j|$

$A=\underset{i\&le;n}{\min }\left(A_i\right)$

$B_i=\frac{1}{2}+\frac{mA-A_i}{2|mA-A_i|}$

式中，i、j分别为同一位置的测量值的序号，n为测量值的总数量，Z表示该位置的真实值，Z_i、Z_j分别表示第i、j个测量值，A_i表示第i个测量值到所有测量值的距离之和，A表示距离之和最小值，m为距离之和最小值的合理倍数，B_i为第i个测量值的判断值。

4.根据权利要求1-3中任一所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括显示屏；所述传感装置为摄像头，所述显示屏与所述摄像头电连接。

5.根据权利要求1-3中任一所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述轨迹调整装置包括：Y轴支架、Y轴动力子装置、Z轴支架、Z轴动力子装置、固定支架和微处理器；所述固定支架固定在所述机械臂装置的端部；所述微处理器固定在所述固定支架上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；所述Y轴支架连接在所述固定支架上，相对所述固定支架在Y轴方向上移动；所述Y轴动力子装置夹在所述固定支架和所述Y轴支架中间，一侧固定在所述固定支架上，另一侧与所述Y轴支架结合，接收所述控制指令后驱动所述Y轴支架移动；所述Z轴支架连接在所述Y轴支架上，相对于所述Y轴支架在Z轴方向上移动；所述Z轴动力子装置夹在所述Y轴支架和所述Z轴支架之间，一侧固定在所述Y轴支架上，另一侧与所述Z轴支架结合，接收所述控制指令后驱动所述Z轴支架移动。

6.根据权利要求1-3中任一所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述轨迹调整装置包括：弧度支架、弧度架动力子装置、伸缩支架、伸缩架动力子装置、固定架和微控制器；所述固定架固定在所述机械臂装置的端部；所述微控制器固定在所述固定架上，接收所述轨迹调整信号后生成控制指令；所述弧度支架连接在所述固定架上，相对所述固定架以对应的圆心为中心沿弧度运动；所述弧度架动力子装置夹在所述固定架和所述弧度支架中间，一侧固定在所述固定架上，另一侧与所述弧度支架结合，接收所述控制指令后驱动所述弧度支架运动；所述伸缩支架连接在所述弧度支架上，相对于所述弧度支架沿经过所述弧度支架圆心的直线上运动；所述伸缩架动力子装置夹在所述弧度支架和所述伸缩支架之间，一侧固定在所述弧度支架上，另一侧与所述伸缩支架结合，接收所述控制指令后驱动所述伸缩支架运动。

7.根据权利要求1-3中任一所述的机械臂运动轨迹调整系统，其特征在于，所述机械臂运动轨迹调整系统还包括人机界面，所述人机界面与所述处理器连接，用于输入控制指令或显示所述处理器内处理完成的数据。

8.一种与权利要求1-7中任一所述的机械臂运动轨迹调整系统对应的机械臂运动轨迹调整方法，其特征在于，包括：

步骤a，锁定轨迹调整装置，引导焊枪沿焊缝板的焊缝运行一遍作为机械臂装置的示教轨迹；

步骤b，用传感装置扫描所述焊缝和所述焊枪的焊接头，得到视频图像数据；

步骤c，用处理器对所述视频图像数据进行处理，得到所述机械臂装置的X轴方向加速度、所述焊接头和所述焊缝在Y轴方向及Z轴方向的偏差距离；

步骤d，用轨迹调整装置将所述焊枪在Y轴方向、Z轴方向移动所述偏差距离；同时根据所述X轴方向加速度调整所述机械臂装置的实时速度；

步骤e，重复所述步骤b-所述步骤d，直至所述焊缝焊接完毕。

9.根据权利要求8所述的机械臂运动轨迹调整方法，其特征在于，所述步骤c中，对所述X轴方向加速度的计算公式为：

$a_{i-}=\min \left\{\underset{s\&le;k<i}{\min }\left(a_{ik}\right),a\right\}$

其中，a_ik由下述公式确定：

$a_{\mathrm{ik}}=\frac{{v_i}^2-{v_k}^2}{2(x_i-x_k)}$

$v_i=\frac{v}{\sqrt{1+{d_i}^2}}$

$d_i=\frac{m\left({\&Sigma;}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}{y}_{i-j}\right)-\left({\&Sigma;}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)\left({\&Sigma;}_{j=0}^{m-1}{y}_{i-j}\right)}{m\left({\&Sigma;}_{j=0}^{m-1}{x_{i-j}}^2\right)-{\left({\&Sigma;}_{j=0}^{m-1}{x}_{i-j}\right)}^2}$

式中，i、k为轨迹坐标的序号，j为与第i个轨迹坐标的序号差，m为进行拟合的轨迹坐标的总数量，s为当前焊接头的坐标对应的序号，x_i-j为第i-j个轨迹坐标的横坐标，y_i-j为第i-j个轨迹坐标的纵坐标，x_i、x_k分别为第i、k个轨迹坐标的横坐标，d_i为第个轨迹坐标对应的拟合斜率，v_i、v_k分别为焊接头经过第i、k个轨迹坐标时X轴方向的速度，v为焊接头在平面上的最大允许速度，a为焊接头在X轴方向的最大允许加速度，a_ik为焊接头从第i个轨迹坐标到第k个轨迹坐标的X轴方向假设加速度，a_i-为焊接头从当前的坐标到第i个轨迹坐标的X轴方向实际加速度。

10.根据权利要求8或9所述的机械臂运动轨迹调整方法，其特征在于，还包括：

步骤f，利用超声波经过所述焊缝反射的回波对已焊部位进行检测，得到检测数据；

步骤g，将所述检测数据与预设的标准数据进行对比，找到不符合要求的焊接部位；

步骤h，用所述机械臂装置对所述焊接部位进行补焊。