CN106041263A - 一种轮式焊接机器人的焊枪空间位姿自适应调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮式旋转电弧焊接机器人的焊枪空间位姿自适应调节系统及方法，特征在于安装于移动小车顶板上的竖直臂和水平臂，固联于水平臂移动滑块上的α角度调节器，β角度调节器通过中空臂与α角度调节器联接，β角度调节器通过电胶木联接焊枪微调臂，焊枪微调臂通过电胶木联接旋转电弧传感器焊枪。该发明根据采集到的焊枪空间位姿信息，通过焊枪姿态协调器和分级阈值控制器调整焊枪姿态，实现焊枪始终处于焊缝中心并垂直于焊缝的实时跟踪调节。该发明能自适应箱型波纹板等结构件长距离、大范围、具有复杂轨迹形式多位置焊缝跟踪的调节，减少工件加工或安装的误差和焊接过程中热变形等因素的干扰，提高焊接质量。

Description

一种轮式焊接机器人的焊枪空间位姿自适应调节系统及方法

技术领域

本发明涉及自主轮式多位置焊接机器人的焊枪位姿控制领域，具体是指一种基于旋转电弧传感器的多位置焊接机器人焊枪姿态协调策略和位姿分级阈值控制策略，自适应调整焊枪姿态实现焊枪始终处于焊缝中心并垂直于焊缝的实时跟踪调节方法。

背景技术

传统的关节型工业焊接机器人焊枪位姿调节要求较大的操作空间，针对箱型结构件长距离、大范围、具有复杂轨迹形式多位置自动焊接还需附加移动轴来扩大应用范围，而且大多采用以示教或者离线编程，编程时间较长，不能自适应焊接过程中热变形等复杂工况；而目前中国知识产权局公布的关于移动焊接机器人专利，采用左右及高低偏差调节焊枪姿态极少涉及包含焊枪倾角的空间位姿自适应调节。

为减少工件加工或安装的误差和焊接过程中热变形等因素的干扰，利用旋转电弧传感器的焊缝自适应跟踪技术，提高焊接质量和效率，本发明提出一种焊接机器人的焊枪空间位姿自适应调节方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，促进焊接过程的智能化，针对传统示教或者离线编程的效率低、不能实时跟踪调节的问题。本发明提出利用旋转电弧传感器的多位置焊接机器人焊枪位姿分级阈值控制策略和姿态协调策略，实时调整焊枪姿态实现焊枪始终处于焊缝中心并垂直于焊缝，能适应箱型波纹板等结构件长距离、大范围、具有复杂轨迹形式多位置焊枪空间位姿调节方法。

为达到解决上述问题目的，本发明采用的技术方案是：

如图2和图3中：1-Pioneer3DX型自主移动小车；2-竖臂固定架；3-竖直臂；4-竖直臂滑台；5-横竖联接板；6-水平臂；7-水平臂滑台；8-中空联接筒；9-α角度调节器；10-中空臂；11-β角度调节器；12-电胶木联接板1；13-焊枪微调臂；14-电胶木焊枪联接板2；15-焊枪联接支架；16-旋转电弧焊枪。

其特征在于：安装于Pioneer3DX型自主移动小车顶板上的竖直臂和水平臂，固联于水平臂移动滑块上的α角度调节器，β角度调节器通过中空臂与α角度调节器联接，β角度调节器通过电胶木联接焊枪微调臂，焊枪微调臂通过电胶木联接基于旋转电弧传感器的焊枪。

该系统调节特征在于：通过电流霍尔传感器采集旋转电弧产生的焊接电流变化得到焊枪空间位姿信息,经过控制系统中的焊枪姿态协调器进行信息处理得到焊枪当前的高低、左右及倾角偏差,再经过分级阈值控制器得到机械调节臂和车轮的调节控制量,并经过D/A转换输出,控制伺服电机驱动车轮和由步进电机Ⅰ驱动竖直臂内两端固定轴承Ⅰ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的水平臂沿丝杠竖直移动和由步进电机Ⅱ驱动水平臂内两端固定轴承Ⅱ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的中空臂水平移动，联合调节焊枪的高低偏差；由中空旋转滑台Ⅰ带动中空臂转动的α角度调节器和由中空旋转滑台Ⅱ带动焊枪微调臂转动的β角度调节器，联合调节焊枪倾角偏差；焊枪微调臂由步进电机Ⅲ驱动该臂内两端固定轴承Ⅲ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的旋转电弧焊枪进行左右微调进行实时调节,从而实现自适应焊枪空间姿态纠偏进行焊缝跟踪。

焊枪姿态协调策略：利用电流霍尔传感器和旋转电弧传感器在已获知焊枪三维姿态信息的前提下，将信号输入焊枪姿态协调器，将焊枪姿态偏差分解成高低、左右及倾角偏差，根据分级阈值控制器得到的调节控制量，按优先级依次快速调节使焊接机器人以期望的位姿进行焊接，提高焊接质量。

分级控制策略主要包括：

(1)建立分级结构模型

将优化目标、影响因子(分级准则)和分级对象按它们之间的相互关系分为最高级、中间级和最底级，绘出分级结构图(如图5)。

(2)构造动态判断矩阵

在确定各级因子之间的权重时，采用动态一致矩阵法，即：不把所有影响因子放在一起比较，而是两两相互比较；对比时引入专家经验数据(1～9相对尺度)，以尽可能减少性质不同因子相互比较的困难，以提高优先级准确度。动态判断矩阵B(t)＝M(t)B₀M^-1(t),M(t)＝diag(m_i(t))；若设判断矩阵为B₀＝(b_ij)_n×n，判断矩阵具有如下性质：(1)b_ji＞0，(2)b_ji＝1/b_ij，(3)b_ii＝1；依上述性质，判断矩阵具有对称性，因此在填写时，先填写b_ii＝1部分，再仅需判断及填写上三角形或下三角形的n(n-1)/2个元素就可以了。在特殊情况下，判断矩阵可以具有传递性，即满足等式：b_ik*b_kj＝b_ij,对于判断矩阵若(i,j,k＝1,2,…,n)在t₀≤t≤t₁上成立，称B(t)在[t₀,t₁]上是整体一致性的。

(3)分级单排序

所谓分级单排序是指，对于上一级某因子而言，本级各影响因子的重要性的排序。

合积法：第一步：将判断矩阵的列向量归一化处理

第二步：将按行求和得：

第三步：将向量归一化处理得，

W＝(W₁,W₂,…,W_n)^T即为所求特征向量近似解；

第四步：计算判断矩阵最大特征根λ_max，

(4)判断矩阵的一致性检验

当X比Y是强烈重要，而Z比Y是稍微重要时，显然X一定比Z重要,这就是判断思维的逻辑一致性，否则判断就会有矛盾。

一致性指标CI＝0时，B一致；CI越大，B的不一致性程度就越大；随机一致性指标RI

一致性比率(用于确定B₀的不一致性的容许范围)当CR<0.1时，则B的不一致性程度在容许范围内，此时可用B的特征向量作为权重向量。

(5)分级总排序

确定某级所有因子对于总目标相对重要性的排序权重过程，称为分级总排序。这个过程是从最高级到最底级逐级进行的。对于最高级而言，这级单排序的结果也就是总排序的结果。

B层4个影响因子B₁，B₂，B₃，B₄，对总目标O的排序为w＝b₁，b₂，…，b_mP层的5个因子对上层B6中影响因子的层次单排序为p_1j，p_2j，…，p_nj，(j＝1,2,…,m)P层的层次总排序为：即P层第i个因子对总目标的权重为：

p₁:b₁p₁₁+b₂p₁₂+…b_np_1m

p₂:b₁p₂₁+b₂p₂₂+…b_np_2m

…

p_n:b₁p_n1+b₂p_n2+…b_np_nm

当高低偏差超过水平臂设定调节阈值时，由优化调节控制量移动平台本体转向，靠近或远离工件以使水平臂调节回归正常范围，使焊枪轨迹能够平滑拟合焊缝轨迹。

附图说明

图1为本发明专利一种旋转电弧传感器的自主轮式焊接机器人实时焊缝跟踪的系统原理框图。

图2和图3为本发明专利一种旋转电弧传感器自主移动轮式焊接机器人的装配实例图。

图4为本发明基于旋转电弧传感器的自主轮式焊接机器人自适应实时焊枪姿态纠偏方法流程图。

图5为本发明专利一种分级结构图示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例(并不局限于本示例)，并参照附图，对本发明作进一步详细阐述：

本发明的基本思路是：提供了一种基于旋转电弧传感器的自主移动轮式焊接机器人的焊枪空间位姿自适应实时调节策略，如附图2和附图3所示，焊接机器人装配示意图。由安装于Pioneer3DX型自主移动小车顶板上的竖直臂和水平臂，固联于水平滑动臂移动滑块上的α角度调节器，β角度调节器通过中空臂与α角度调节器联接，β角度调节器通过电胶木联接焊枪微调臂，焊枪微调臂通过电胶木联接基于旋转电弧传感器的焊枪组成。

该系统调节特征在于：通过电流霍尔传感器采集旋转电弧产生的焊接电流变化得到焊枪空间位姿信息,经过控制系统中的焊枪姿态协调器进行信息处理得到焊枪当前的高低、左右及倾角偏差,再经过分级阈值控制器得到机械调节臂和车轮的控制量,并经过D/A转换输出,控制伺服电机驱动车轮和由步进电机Ⅰ驱动竖直臂内两端固定轴承Ⅰ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的水平臂沿丝杠竖直移动和由步进电机Ⅱ驱动水平臂内两端固定轴承Ⅱ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的中空臂水平移动，联合调节焊枪的高低偏差；由中空旋转滑台Ⅰ带动中空臂转动的α角度调节器和由中空旋转滑台Ⅱ带动焊枪微调臂转动的β角度调节器，联合调节焊枪倾角偏差；焊枪微调臂由步进电机Ⅲ驱动该臂内两端固定轴承Ⅲ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的旋转电弧焊枪进行左右微调进行实时调节,从而实现自适应焊枪空间姿态纠偏进行焊缝跟踪。

焊枪姿态协调策略：利用旋转电弧传感器在已获知焊枪三维姿态信息的前提下，将信号输入焊枪姿态协调器，将焊枪姿态偏差分解成高低、左右及倾角偏差，根据分级阈值控制器得到的调节控制量，按优先级依次快速调节使焊接机器人以期望的位姿进行焊接，提高焊接质量。

分级控制策略：对最优调节(O)的最高级包含准则级4个影响因子B₁：调节时间最短，B₂：轨迹最平滑，B₃：能耗最小，B₄：驱动力矩变化最小，进行两两比较。若把B＝(b_ij)视为动态判断矩阵的特例，则O～B判断矩阵为

一致性检验：对于n＝4，λ_max＝4.0739，RI＝0.90，则由 得，CR＝0.0274<0.1。

同理，得：判断矩阵B₁～P的关键数据：

W₁＝[0.2467 0.0784 0.0538 0.5052 0.1158]^T

${\mathrm{\&lambda;}}_{1_{max}}=5.1152,{\mathrm{CR}}_1=0.0257<0.1$

判断矩阵B₂～P的关键数据：

W₂＝[0.2267 0.0744 0.0547 0.5072 0.1371]^T

${\mathrm{\&lambda;}}_{2_{max}}=5.1377,{\mathrm{CR}}_2=0.0307<0.1$

判断矩阵B₃～P的关键数据：

W₃＝[0.2222 0.0722 0.0472 0.5019 0.1565]^T

${\mathrm{\&lambda;}}_{3_{max}}=5.1289,{\mathrm{CR}}_3=0.0288<0.1$

判断矩阵B₄～P的关键数据：

W₄＝[0.1213 0.2300 0.0722 0.0592 0.5173]^T

${\mathrm{\&lambda;}}_{4_{max}}=5.2177,{\mathrm{CR}}_4=0.0486<0.1$

分级总排序计算：

分级总排序一致性比率：

符合要求。

故底级P对于最高级最优调节(O)的总排序为：P₅>P₁>P₂>P₃>P₄，即优先级排序：车轮调节量>α偏差调节量>β偏差调节量>左右偏差调节量>高低偏差调节量。

Claims (3)

1.本发明公开了一种轮式焊接机器人的焊枪空间位姿自适应调节系统及方法，用于长距离、大范围、具有复杂轨迹形式多位置焊缝跟踪的焊枪空间位姿调节，其特征是：

(1)该系统由基于旋转电弧传感器的由自主移动轮式焊接机器人，基于分级阈值控制器和焊枪姿态协调器的控制系统，焊接系统及附属设备组成；

(2)该自主移动轮式焊接机器人的特征在于：如附图2和3所示，安装于移动小车顶板上的竖直臂和水平臂，固联于水平臂移动滑块上的α角度调节器，β角度调节器通过中空臂与α角度调节器联接，β角度调节器通过电胶木联接焊枪微调臂，焊枪微调臂通过电胶木联接基于旋转电弧传感器的焊枪；

(3)该系统调节特征在于：根据采集到的焊枪空间位姿信息，通过控制系统中的焊枪姿态协调器进行信息处理得到焊枪当前的高低、左右及倾角偏差，经过分级阈值控制器得到机械调节臂和车轮的调节控制量，并经过D/A转换输出，控制伺服电机驱动车轮和机械调节臂运动，从而实现自适应焊枪空间姿态纠偏进行焊缝跟踪。

2.如权利要求1中(2)所述控制方案，基于Pioneer3 DX型移动平台的多位置焊接机器人多关节运动方式，将焊枪空间姿态调节分解为直线与圆弧的运动，其特征在于：

(1) 竖直臂由步进电机Ⅰ驱动该臂内两端固定轴承Ⅰ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的水平臂沿丝杠竖直移动，由步进电机Ⅱ驱动该臂内两端固定轴承Ⅱ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的中空水平臂水平移动，二者联合调节焊枪的高低偏差；

(2)α角度调节器由中空旋转滑台Ⅰ带动中空臂转动，β角度调节器由中空旋转滑台Ⅱ带动焊枪微调臂转动，二者联合调节焊枪倾角偏差；

(3) 焊枪微调臂由步进电机Ⅲ驱动该臂内两端固定轴承Ⅲ支撑的滚动丝杠转动，带动固定于滚珠滑台上的旋转电弧焊枪进行焊枪左右微调进行实时纠偏。

3.如权利要求1中(3)所述控制方案，在于由直线与圆弧的组合自适应调节焊枪位姿拟合运动轨迹过程，主要体现在：

设置小车速度为焊接速度，在焊接过程中根据电流霍尔传感器和旋转电弧传感器采集到焊枪空间位姿信息，通过焊枪姿态协调器进行信息处理，将焊枪姿态偏差分解成高低、左右、倾角偏差，分级控制策略次序：根据α角度调节器的调节量来预测车轮控制量，焊枪微调臂优先调节左右偏差；α角度调节器和β角度调节器调节焊枪倾角偏差；由竖直臂和水平臂组合调节焊枪高低偏差；当高低偏差超过水平臂设定调节阈值，优化调节移动平台本体靠近或远离工件以使上臂调节回归正常范围，使焊枪轨迹能够平滑拟合焊缝轨迹。