CN107073628A - 具有通信电路的便携式金属加工机器人系统、用于虚拟地控制金属加工工艺的控制系统 - Google Patents

具有通信电路的便携式金属加工机器人系统、用于虚拟地控制金属加工工艺的控制系统 Download PDF

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Abstract

一种便携式金属加工机器人系统(10)包含被配置成对一个或更多个金属零件(14)执行金属加工工艺的金属加工工具(12)。此外，所述便携式金属加工机器人系统(10)包含被配置成从远离所述便携式金属加工机器人系统(10)的控制系统(16)接收控制信号的通信电路(48)。所述便携式金属加工机器人系统(10)还包含被配置成根据所述所接收的控制信号而控制所述便携式金属加工机器人系统(10)的操作参数的控制电路(56)。

Description

具有通信电路的便携式金属加工机器人系统、用于虚拟地控 制金属加工工艺的控制系统
相关申请的交叉引用
本申请是2014年10月22日提交申请的名为“虚拟现实控制机器人(VirtualReality Control Robot)”的第62/067,311号美国临时专利申请的非临时申请，其中该美国临时专利申请出于所有目的以引用方式并入本文中。
背景技术
本公开总的来说涉及焊接和切割，并且明确地说，涉及自动化焊接和金属切割工艺和系统，其中所述自动化焊接和金属切割工艺和系统使用包含便携式机器人的机器人操纵器以及使用虚拟现实(或增强现实)环境的“人机环路(human-in-the-loop)”。
金属是多数制造业的首选结构材料。金属的焊接和切割是用于结构、船舶、管道、罐、风塔、汽车和许多其它部件与产品的制造中的主要工艺。因此，随着质量和生产率要求增加，将要求自动化系统满足这些需求。当前，制造工业依赖于机器人系统来进行许多制造操作。一种主要制造工业是造船工业；因此，造船实例包含在本说明书中。然而，其它制造工业也可获益于本文所述的机器人系统。
发明内容
在某些实施例中，一种焊接或切割机器人系统包含机器人操纵器、焊炬或割炬、机器人和工艺控制系统以及一个或更多个传感器。所述焊炬或割炬在沿着焊接或切割接头的方向上移动，并且所述焊炬或割炬由所述机器人操纵以使得例如焊接电极指向焊接接头。一旦焊接或切割工艺开始，所述机器人就开始移动所述焊炬或割炬，并且所述焊炬或割炬的角度随着其沿着所述焊接或切割接头移动而调整，以便以产生焊缝或切缝的方式引导焊接或切割电弧。本公开的机器人运动和焊炬或割炬角度由人类操作员通过控制装置的移动来引导，其中所述控制装置可以是真实或模拟的焊炬或割炬或其它控制装置。所述控制装置的移动被一个或更多个传感器跟踪。所述控制装置的运动由计算机程序计算。当所述控制装置正由人类操纵时，所述控制装置的运动转换成机器人控制命令，以引导机器人在相同的方向、角度和速度下移动所述焊炬或割炬。此外，一个或更多个摄像机附接到所述机器人，并被引导以采集所述焊炬或割炬以及所述焊接或切割接头的图像。此视频数据被传输到计算机程序，其中所述计算机程序将所述视频数据作为图像显示在计算机显示系统上。此系统可被描述为具有“人机环路”。视频显示图像向人类操作员提供足够信息来引导机器人和焊炬或割炬的运动，就像操作员(而不是机器人)正握持焊炬或割炬的情况下所做的那样。
附图简要说明
当参照附图阅读具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中，相同附图标记表示相同部分，其中：
图1A是根据本公开的实施例的用于便于便携式焊接或切割机器人的虚拟现实辅助(或增强现实辅助)控制的系统的实施例的示意图，其中所述便携式焊接或切割机器人被配置成对大型零件执行焊接或切割工艺；
图1B是根据本公开的实施例的图1A的焊接或切割机器人以及焊接或切割机器人的其它相关部件的示意图；
图2是根据本公开的实施例的图1A和图1B的焊接或切割机器人的立体图；
图3A是根据本公开的实施例的被配置成远程地控制图3B所图示的焊接或切割机器人的本地控制系统的立体图；
图3B是根据本公开的实施例的由图3A所图示的本地控制系统远程地控制的焊接或切割机器人的立体图；
图4A图示根据本公开的实施例的类似于正被加工的实际零件的虚拟现实表示；
图4B图示根据本公开的实施例的描绘正由操作员操纵的控制装置的虚拟版本的虚拟现实表示；
图5是根据本公开的实施例的焊接或切割机器人的多轴焊炬位置操纵系统的立体图；以及
图6是根据本公开的实施例的用于控制焊接或切割机器人的远程控制装置的立体图。
具体实施方式
下文将描述本公开的一个或更多个具体实施例。致力于提供对这些实施例的简明描述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多专门针对实施方案的决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件可能根据实施方案而不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。
当介绍本公开的各种实施例的要素时，用词“一(a/an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在表示可存在一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包容性的并且表示可存在除所列出的要素以外的额外要素。
手动焊接的成本可能相当高，并且熟练的焊工具有普遍高于其它熟练工人的薪水。此外，焊接设备必须适应人类的极限，包含整个上班时间举起并握住焊炬的能力。焊接是在所有位置中进行，因此焊工必须频繁地在不舒适的位置中站立、坐下或躺下。焊接工艺产生高强度的光，这需要使用面罩来执行焊接。此外，焊接还产生烟气、过热火花和热金属碎片。这些和其它条件(例如，天气)可导致疲劳，并且可显著降低这些极其熟练的个人的生产率。具有重型水冷焊炬的机器人系统可在每单位时间沉积若干倍的焊接金属，其中重型水冷焊炬的能力比较轻重量的气冷手动焊炬更为强力。然而，此焊炬相对重，并具有相对重且粗的铜电缆，并且因此不适于手动使用。在多数焊接中，产生预编程的焊接机器人所需的完美焊接接头是困难的、不可能的或极度昂贵的。熟练的人类焊工可通过调整焊炬角度、焊接行进速度和焊炬位置来容易地操纵焊炬，并仍产生高质量焊缝。由熟练的人类控制的机器人系统可实现高质量焊接，并且机器人可承载重型焊炬的重量，所述重型焊炬可更快地焊接。
通过将人类焊工的感测能力和焊接技能与机器人的举起能力和焊接行进速度组合在一起，可以产生机器人无法实现的焊缝，并且是以若干倍于人类焊工的生产率水平进行。作为结果的高质量焊缝和高生产率水平的组合证明此系统所需的支出是合理的。此外，创建机器人控制程序并利用始终将要焊接的零件定位在机器人被编程为进行焊接的准确位置中的重型且精确的夹具是相对昂贵的。这些成本可仅在机器人将制造极高数量的零件(例如，生产汽车的零件，其中生产过程将包含数以万计的车辆)的情况下被证明是合理的。通常，当零件的数量相对少以及为了确保高质量焊接接头而对每一零件进行精确成形或机械加工的成本过高时，采用手动焊接而不是机器人。为了使人类焊工能够适当地操纵焊炬运动、焊炬角度以及焊炬位置以通过手动焊接来形成高质量焊缝，焊工必须处于焊接位置处并足够接近以很详细地听到和看到焊接电弧、液态焊接熔池以及焊接接头的局部几何结构，并能够将其全部在焊接操作的元素的三维理解中形象化。因此，对于控制机器人的焊工来说重要的是，具有相同三维形象化环境以便产生高质量焊缝。
图1A是利于便携式焊接或切割机器人12的虚拟现实辅助(或增强现实辅助)控制的系统10的实施例的示意图，其中便携式焊接或切割机器人12被配置成对大型零件14(例如，正在造船过程中组装的船板)执行焊接或切割工艺。虽然在本文中主要描述为与焊接或切割机器人12(即，执行焊接或等离子体切割操作)相关，但其它类型的金属加工工艺(例如，感应加热(或实际上，其它类型的加热，例如，红外加热、激光加热等))也可受益于本文所述的便携式远程控制的机器人实施例。例如，在某些实施例中，配备感应加热头的便携式感应加热机器人可用与本文所述的便携式焊接或切割机器人12类似的方式来控制。此外，虽然在本文中主要描述为包含焊接或切割机器人12的虚拟现实辅助控制，但在其它实施例中，可使用焊接或切割工艺的增强现实表示，而不是虚拟现实表示。例如，代替显示焊接或切割工艺的虚拟现实视图，来自焊接或切割工艺的所捕捉的视频可通过虚拟现实元素来增强。
如图1A所图示，系统10包含控制系统16，其中控制系统16包含控制电路18，控制电路18可在某些实施例中包含一个或更多个处理器20，一个或更多个处理器20被配置成执行一个或更多个存储介质24中所存储的计算机可读指令22(例如，可执行的计算机代码)。在某些实施例中，计算机可读指令22是可执行的，以例如通过将虚拟现实(或增强现实)环境呈现给控制系统16的操作员26并经由一个或更多个控制装置28从操作员26接收控制输入来便于对焊接或切割机器人12的远程控制。更具体来说，在某些实施例中，对正被加工的零件14的虚拟现实(或增强现实)表示执行焊接或切割操作的焊接或切割机器人12的虚拟现实(或增强现实)表示可由控制系统16的控制电路18显示在显示装置30上。在某些实施例中，显示装置30可包含单个计算机监视器、多个计算机监视器或视频投影系统(例如，每一个显示虚拟/增强现实表示的一些部分)、虚拟/增强现实护目镜、虚拟/增强现实眼镜等。
基于显示装置30上所显示的虚拟现实(或增强现实)表示，操作员26可操纵一个或更多个控制装置28以实时控制焊接或切割机器人12所执行的焊接或切割工艺(例如，在焊接或切割工艺的执行期间)。在某些实施例中，一个或更多个控制装置28的形状可类似于焊炬或割炬，以使得操作员26可具有例如对较小标度的零件执行常规焊接或切割工艺的感觉，而不管实际的焊接或切割工艺是在大得多的标度的零件上执行的这一事实，如此大标度的零件是不可能由操作员26进行手动焊接或切割的，如本文所述。在某些实施例中，一个或更多个控制装置28可包含位置传感器32，例如，陀螺仪、加速度计等，其中位置传感器32可用于确定一个或更多个控制装置28的位置、取向和/或移动数据，所述位置、取向和/或移动数据可由控制系统16使用以根据一个或更多个控制装置28的位置、取向和/或移动数据而控制焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动(例如，工作角度、行进角度、接触尖端到工件的距离等)。此外，在某些实施例中，一个或更多个控制装置28可包含输入机构(例如，跟踪球、滑杆、触发器、按钮、开关、计算机鼠标、操纵杆等)，其中所述输入机构被配置成调整焊接或切割机器人12的操作参数(例如，焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34所产生的焊接或切割电弧的电压和/或电流、焊接或切割机器人12的行进速度、焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34所输送的焊丝的送丝速度等)和/或调整正显示在显示装置30上的虚拟现实视图(例如，平移、缩放等)。
在某些实施例中，姿势(例如，手部移动、手指移动、头部移动等)也可由位置传感器跟踪，并且控制系统16的控制电路18可调整正显示在显示装置30上的虚拟(或增强)现实表示或基于所跟踪的姿势来确定一个或更多个控制装置28的位置、取向和/或移动数据。此外，控制系统16的控制电路18可根据所跟踪的姿势来控制焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动(例如，工作角度、行进角度、接触尖端到工件的距离等)。
如图1A所图示，焊接或切割机器人12可耦接到焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(例如，在焊接机器人12的状况下)和选用的气体源40。应了解，在某些实施例中，焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(在焊接机器人12的状况下)和/或选用的气体源40可直接纳入到焊接或切割机器人12中以产生较紧凑的焊接或切割操作。在某些实施例中，焊接或切割电力供应器36可以是需要电源42的电力转换器或基于逆变器的电力供应器。可在电源42中提供许多不同电路设计，并且可设想许多不同焊接机制(例如，直流、交流、脉冲式、短路等)。这些常规电路和工艺技术中的任一个可结合本发明的焊接或切割实施例来使用以将焊接或切割电力提供到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34。在其它实施例中，焊接或切割电力供应器36可以是可包含内燃机的发电机或交流发电机电力供应器。需要时，焊接或切割电力供应器36可还包含用户接口44，用于调整例如电压和电流等各种焊接参数并用于连接电源42。另外，视情况，选用的气体源40是供应到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的保护气体的来源。例如，在某些实施例中，选用的气体源40可将氩气供应到焊炬或割炬34。如应了解的是，保护气体由焊炬或割炬34施加到液态熔池的位置，以例如防止可对焊缝造成冶金损坏的大气气体的吸收。
在某些实施例中，焊接或切割电力供应器36可通过送丝机电力引线、焊接电缆、气体软管和控制电缆耦接到选用的送丝机38。所图示的实施例所示的选用的送丝机38将焊丝提供到焊炬34以用于焊接操作中(例如，在焊接机器人12的状况下)。可使用各种焊丝。例如，焊丝可以是实心钢、实心铝、实心不锈钢、复合药芯焊丝等。本文所述的实施例可与任何适当类型的电极和任何适当焊丝组分一起使用。此外，焊丝的粗细可根据使用焊丝的焊接应用而改变。例如，焊丝可以是0.045"、0.052"、1/16"、3/32"、1/8"或任何其它直径。此外，在某些实施例中，选用的送丝机38可围住各种内部部件，例如，送丝驱动系统、电动机组件、电动机等。选用的送丝机38可还包含允许用户设定一个或更多个送丝参数(例如，送丝速度)的控制面板(未示出)。选用的送丝机38可与包含气体操作(熔化极气体保护电弧焊(GMAW))或无气体操作(保护金属极电弧焊(SMAW)或自保护药芯电弧焊(FCAW))的任何送丝工艺一起使用。
如图1A所图示，控制系统16可还包含通信电路46，其被配置成便于控制系统16与系统10的各种其它部件之间的通信。在某些实施例中，控制系统16的通信电路46可包含无线通信电路，其被配置成便于控制系统16与系统10的各种其它部件之间的无线通信。然而，控制系统16的通信电路46可还包含通信电路，其被配置成经由电缆和其它通信管道而便于控制系统16与系统10的各种其它部件之间的通信。例如，控制系统16的通信电路46可被配置成将控制信号分别发送到焊接或切割机器人12、焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(例如，在焊接机器人12的状况下)和/或选用的气体源40的通信电路48、50、52、54，以经由相应控制电路56、58、60、62来调整系统10的这些部件的操作参数。
例如，在某些实施例中，控制系统16可将控制信号发送到焊接或切割机器人12以调整焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体和/或正被加工的零件14的位置、取向和/或移动(例如，工作角度、行进角度、接触尖端到工件的距离等)。此外，在某些实施例中，控制系统16可将控制信号发送到焊接或切割电力供应器36以调整电压、电流、焊接机制等或输送到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的焊接或切割电力。此外，在某些实施例中，控制系统16可将控制信号发送到选用的送丝机38以调整输送到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的焊丝的送丝速度。此外，在某些实施例中，控制系统16可将控制信号发送到选用的气体源40以调整输送到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的保护气体的流率。这些控制信号仅示范可从控制系统16的通信电路46传输到系统10的各种部件的控制信号的类型，并且不希望是限制性的。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含一个或更多个传感器系统64，其被配置成在本地(例如，在焊接或切割机器人12的位置处或附近)检测焊接或切割机器人12的操作参数，并且这些所检测的参数可出于将控制反馈提供到控制系统16的目的而传输回控制系统16的通信电路46(例如，经由焊接或切割机器人12的通信电路48)。图1B是图1A的焊接或切割机器人12的实施例的示意图。
在某些实施例中，焊接或切割机器人12的一个或更多个传感器系统64可包含焊炬位置传感器系统66，其被配置成检测焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体和/或正被加工的零件14的位置、取向和/或移动。在某些实施例中，焊炬位置传感器系统66可包含一个或更多个光学检测器68(例如，在某些实施例中，红外检测器)，其中一个或更多个光学检测器68定位在焊接或切割机器人12的主体上(例如，用以检测焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的位置、取向和/或移动)和/或定位在正被加工的零件14附近的环境中(例如，用以检测焊炬或割炬34相对于零件14的位置、取向和/或移动)，并且可被配置成检测从定位在焊炬或割炬34上的具体位置处的一个或更多个发光二极管70(例如，在某些实施例中，红外发光二极管)发射的光(例如，在某些实施例中，红外光)。在其它实施例中，与其包含发出由一个或更多个光学检测器68检测的光的一个或更多个发光二极管70，焊炬或割炬12可改为包含一个或更多个反射器，其中所述一个或更多个反射器被动地反射来自发射光(例如，在红外波长带中)的一个或更多个外部发射器或光源(例如，红外发射器)的光(例如，红外光)并且可设置在焊接或切割机器人12的主体上和/或设置在正被加工的零件14附近的环境中。
此外，如图1A所图示，在某些实施例中，一个或更多个控制装置28的位置、取向和/或移动可还被控制装置位置传感器系统72跟踪，其中控制装置位置传感器系统72实质上类似于跟踪焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动的焊炬位置传感器系统66。在这些实施例中，与一个或更多个控制装置28的位置、取向和/或移动相关的反馈可由控制装置位置传感器系统72提供到控制系统16的控制电路18(例如，除位置传感器32之外，或代替位置传感器32)，并且控制电路18可至少部分基于来自控制装置位置传感器系统72的反馈来确定如何控制焊接或切割控制机器人12。
此外，在某些实施例中，焊炬位置传感器系统66可包含一个或更多个位置传感器32(例如，加速度计、陀螺仪等)，其中一个或更多个位置传感器32设置在焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34内或设置在焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34上，并且可被配置成检测焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动。应了解，焊炬位置传感器系统66所检测的数据可经由焊接或切割机器人12的通信电路48而传输到控制系统16，并且控制系统16可使用此所检测的数据以至少部分此所检测的数据来确定焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动(例如，包含(但不限于)工作角度、行进角度、接触尖端到工件的距离等)。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可还包含音频传感器系统74，其中音频传感器系统74可包含一个或更多个音频传感器76(例如，在某些实施例中，以至少20kHz的速率收集数据的HDR麦克风)，所述一个或更多个音频传感器76定位在正被加工的零件14附近的环境中，并且可被配置成从零件14附近的环境检测声学数据，其中声学数据可由控制系统16使用以确定焊接或切割机器人12的各种操作参数。例如，音频传感器系统74所检测的声学数据可经由焊接或切割机器人12的通信电路48而传输到控制系统16，并且控制系统16可使用此所检测的数据以至少部分基于此所检测的数据来确定焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动，或可使用所检测的数据以确定焊炬或割炬34的其它操作参数(例如，功率、电流、电压、焊缝质量等)。在某些实施例中，声学数据可在传输到控制系统16之前转变为模拟或数字信号(例如，由焊接或切割机器人12的控制电路56转变)。
此外，在某些实施例中，传输到控制系统16的声学数据可经由控制系统16的音频输出装置78(例如，在某些实施例中，扬声器或用户可戴耳机)而输出，以使得控制系统16的操作员26可从音频输出装置78听到作为当前焊缝质量的指示的可听输出，并且可至少部分基于此可听输出经由一个或更多个控制装置28而调整对焊接或切割机器人12的控制。应了解，在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可在经由控制系统16的音频输出装置78输出可听输出之前处理从焊接或切割机器人12的音频传感器系统74接收的声学数据。此外，在某些实施例中，除经由音频输出装置78进行的可听输出之外(或代替所述可听输出)，控制系统16可还包含触觉反馈系统80，其中触觉反馈系统80可例如产生对应于可听输出的触觉输出，操作员26可类似地使用所述触觉输出以至少部分基于此触觉反馈经由一个或更多个控制装置28而调整对焊接或切割机器人12的控制。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含视频捕捉系统82，其中视频捕捉系统82包括一个或更多个相机84，所述一个或更多个相机84设置在焊接或切割机器人12上并以如下方式被引导：使得一个或更多个相机84捕捉焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34、焊接或切割电弧、焊接或切割电弧周围的环境等的视频数据，并经由焊接或切割机器人12的通信电路48而将视频数据传输到控制系统16，并且控制系统16可使用此视频数据以建构焊接或切割工艺的三维虚拟现实或增强现实表示，所述焊接或切割工艺的三维虚拟现实或增强现实表示被显示在控制系统16的显示装置30上。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含间隙感测系统86，其中间隙感测系统86包括一个或更多个间隙传感器88，所述一个或更多个间隙传感器88被配置成检测正被加工的多个零件14的间隙(例如，零件14之间的距离)。例如，在某些实施例中，一个或更多个间隙传感器88可包含一个或更多个光学传感器，所述一个或更多个光学传感器被配置成获得与正被加工的多个零件14的位置相关的光学数据，并且焊接或切割机器人12的通信电路48可将此光学数据传输到控制系统16，其中控制系统16的控制电路18可至少部分基于此光学数据而确定与正被加工的零件14之间的间隙距离相关的间隙数据。在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可使用此所确定的间隙数据以自动调整本文所述的焊接或切割机器人12的操作参数中的任一个，以至少部分基于所确定的间隙数据来维持焊缝或切缝的大小或形状。
在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可使用此所确定的间隙数据以自动调整零件14的虚拟现实图形显示或产生覆盖在实际视频数据上的增强现实图形。此外，在某些实施例中，所确定的间隙数据可由控制系统16的控制电路18使用以确定焊接或切割机器人12(和/或焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34)与零件14之间的空间关系，以使得这些空间关系可表示在显示装置30上所显示的虚拟现实视图中。换句话说，在某些实施例中，所确定的间隙数据可用于确定焊接或切割机器人12(和/或焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34)相对于零件14的位置、取向和/或移动，以使得显示装置30上所显示的虚拟现实表示可被正确地调整(例如，相应坐标系可同步)。
类似地，在某些焊接工艺实施例中，焊接机器人12可包含焊珠轮廓感测系统90，其中焊珠轮廓感测系统90包括一个或更多个焊珠轮廓传感器92，其被配置成检测由焊接机器人12的焊炬34所产生的焊接电弧产生的焊珠的轮廓。例如，在某些实施例中，一个或更多个焊珠轮廓传感器92可包含一个或更多个光学传感器，其被配置成获得与焊珠轮廓相关的光学数据，并且焊接或切割机器人12的通信电路48可将此光学数据传输到控制系统16，其中控制系统16的控制电路18可确定与由焊接机器人12的焊炬34所产生的焊接电弧产生的焊珠相关的焊珠轮廓数据。在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可使用此所确定的焊珠轮廓数据以自动调整本文所述的焊接机器人12的操作参数中的任一个，以至少部分基于所确定的焊珠轮廓数据来维持期望焊缝大小或形状。例如，在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可使用此所确定的焊珠轮廓数据以自动调整焊接机器人12的第二焊炬(未示出)所执行的焊接过程，以在已沉积的焊缝的顶部上产生覆盖焊缝，从而产生覆盖焊珠，其中所述覆盖焊珠具有可改进焊缝外观、焊缝质量、焊缝冶金性质、焊缝机械性质等的几何轮廓。
应注意，虽然本文中被描述为将焊炬位置传感器系统66、音频传感器系统74、视频捕捉系统82、间隙感测系统86和焊珠轮廓感测系统90所检测的数据传输到控制系统16以供控制电路18处理，但在某些实施例中，焊接或切割机器人12的控制电路56可至少部分地执行对所检测的数据的处理。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12的控制电路56可被配置成检测焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34何时过于远离正被加工的零件14之间所形成的接头，并且可确定如何调整焊炬或割炬34相对于零件14的位置、取向和/或移动(例如，可能被称为“粗略运动控制”)，而不需要与控制系统16的控制电路18通信(例如，可能被称为“精细运动控制”)。
此外，应了解，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含其它类型的传感器，其中其它类型的传感器被配置成检测焊接或切割机器人12的其它操作参数(包含(但不限于)电弧电压、电弧电流、送丝速率、焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34相对于正被加工的零件14的高度、焊炬位置传感器系统66的一个或更多个光学检测器68的位置、焊接或切割机器人12在三维空间(可能以重力向量为基准或参照某一其它基准)中的角度和/或取向、来自多轴焊炬位置操纵系统94的关节上的旋转传感器的数据(所述数据提供使控制系统16的控制电路18能够确定焊炬或割炬34的位置、取向和/或移动的信息)等。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含提供后勤数据的传感器。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含传感器，其被配置成收集数据，所述数据使控制系统16的控制电路18能够确定已穿过送丝机38送给的焊丝的量(例如，通过收集与送丝机38的驱动辊的旋转速率相关的传感器数据等)、已由气体源40输送的保护气体的量(例如，通过收集与穿过阀门的保护气体的流率相关的传感器数据等)、焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的接触尖端的磨损的状态(例如，通过检测与焊炬或割炬34的所检测的“电弧导通”时间相关的传感器数据等)或其它后勤相关信息。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含提供管理数据的传感器。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含传感器(例如，计时器等)，其被配置成收集数据，该数据使控制系统16的控制电路18能够确定焊接电弧已导通的时间量以及焊接电弧有多少时间没有导通并且不产生焊缝。在某些实施例中，此信息可与其它传感器数据组合以确定已由焊接或切割机器人12在某些时间段内产生的所有焊缝的总长度。此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含温度传感器，其中所述温度传感器产生与焊接或切割机器人12的一个或更多个部件或零件14的温度相关的数据以使控制系统16的控制电路18能够针对基于状态的维修系统而确定对焊接或切割机器人12维修的需要，或出于预测金属零件14或焊缝的冶金特性的目的而确定金属零件14或焊缝的加热和冷却速率。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含提供工艺质量数据的传感器。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含传感器(例如，超声波传感器等)，其被配置成收集数据，该数据使控制系统16的控制电路18能够确定焊接机器人12所产生的焊缝的质量或切割机器人12所产生的切缝的质量。此数据可被处理以使控制系统16的控制电路18能够使用焊接或切割工艺的数值模型而确定焊缝质量。示范性系统可使用例如焊接电压、焊接电流、送丝速度、气体流率和焊炬位置等数据和/或取向数据以使用焊接工艺的数值模型或人工神经网络来预测焊缝的大小和形状，其中所述人工神经网络具有描述焊缝的形状和大小和/或焊缝的工程测量(例如，焊珠高度、焊趾角度、焊接穿透深度等)的输出。
应了解，本文所述的传感器和/或传感器系统中的每一个可包含能够与焊接或切割机器人12的通信电路48无线通信的无线通信电路，以使得焊接或切割机器人12的控制电路56可在将从传感器和/或传感器系统检测到的传感器信号(或与所检测的传感器信号相关的数据)传达到控制系统16之前处理这些所检测的传感器信号。例如，无线通信电路可包含能够经由例如IEEE 802.15.1具有或不具有堆栈的IEEE802.15.4、IEEE 802.11x Wi-Fi等无线协议而通信的电路。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12包含多个位置操纵系统。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12包含多轴焊炬位置操纵系统94，其被配置成调整焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体(并且因此相对于正在零件14上产生的焊缝或切缝)的位置、取向和/或移动。例如，在某些实施例中，多轴焊炬位置操纵系统94可包含：一个或更多个多轴臂96，耦接到焊炬或割炬34；以及一个或更多个多轴驱动装置98，被配置成操纵多轴臂96以在完全三维空间中(例如，以六个自由度)调整焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体的位置、取向和/或移动。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12包含多轴机器人位置操纵系统100，其被配置成调整焊接或切割机器人12相对于焊接或切割机器人12外部的结构的位置、取向和/或移动。例如，在某些实施例中，类似于多轴焊炬位置操纵系统94，多轴机器人位置操纵系统100可包含：一个或更多个多轴臂，耦接到焊接或切割机器人12；以及多轴驱动装置，被配置成操纵所述一个或更多个多轴臂以调整焊接或切割机器人12相对于外部支撑结构(例如，机架结构)的位置、取向和/或移动，其中所述外部支撑结构至少相对于正被加工的零件14可具有相对固定的位置。然而，在其它实施例中，焊接或切割机器人12可采用便携式“履带牵引装置”的形式，并且多轴机器人位置操纵系统100可包含一个或更多个磁性履带面102，其中一个或更多个磁性履带面102便于焊接或切割机器人12相对于零件14的移动。虽然被描述为包含磁性的一个或更多个履带面，但在其它实施例中，可使用一个或更多个轮子或气动真空系统(例如，作为对磁性履带面的替代)以便于焊接或切割机器人12相对于零件14的移动。在某些实施例中，一个或更多个磁性履带面102(或者轮子或气动真空系统)可设置在焊接或切割机器人12的主体上，并且一个或更多个磁性履带面102(或者轮子或气动真空系统)可被配置成附接到正被加工的零件14的金属表面，以使得磁性履带面102(或者轮子或气动真空系统)相对于焊接或切割机器人12的主体的移动导致焊接或切割机器人12相对于零件14的移动。在此实施例中，焊接或切割机器人12是便携式的(例如，能够由单人手动携载)，以使得焊接或切割机器人12可在期望位置处手动地(例如，磁性地)附接到零件14。
与所使用的具体机械特征无关，多轴焊炬位置操纵系统94和/或多轴机器人位置操纵系统100可由控制系统16的控制电路18控制，以使得焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的位置、取向和/或移动和/或焊接或切割机器人12相对于外部支撑结构的位置、取向和/或移动可由操作员26在焊接或切割工艺的执行期间例如根据对控制系统16的一个或更多个控制装置28的操纵来进行控制。
如本文所论述，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可采用便携式“履带牵引装置”的形式，并且多轴机器人位置操纵系统100可包含一个或更多个磁性履带面102(或者轮子或气动真空系统)，其中一个或更多个磁性履带面102(或者轮子或气动真空系统)便于焊接或切割机器人12相对于正被加工的零件14的移动。图2是作为具有一个或更多个磁性履带面102的便携式“履带牵引装置”的焊接或切割机器人12的实施例的立体图。明确地说，如图2所图示，磁性履带面102可设置在焊接或切割机器人12的主体104的相对两侧上。应了解，如箭头106所图示，磁性履带面102被配置成围绕焊接或切割机器人12的主体104旋转，以便于焊接或切割机器人12的移动(例如，相对于正被加工的零件14的表面)。如应了解的是，焊接或切割机器人12的磁性履带面102被配置成(例如，磁性地)附接到正被加工的零件14的表面，以使焊接或切割机器人12能够在零件14的表面上四处移动。
如本文所论述，在某些实施例中，磁性履带面102(作为多轴机器人位置操纵系统100的一部分)可由控制系统16控制。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12的磁性履带面102中的每一个可由相应轨道108驱动，而轨道108则由相应电动机(未示出)驱动，所述电动机设置在焊接或切割机器人12的主体104内，其中控制系统16控制相应电动机以产生轨道108的期望旋转速率和旋转方向，以导致磁性履带面102的对应旋转速率和旋转方向。更具体来说，磁性履带面102中的每一个的旋转速率和旋转方向可受到控制以调整焊接或切割机器人12相对于正被相应磁性履带面102接触的一个或更多个零件14的表面的移动速度和方向。此外，在某些实施例中，磁性履带面102中的每一个的旋转速率和旋转方向可独立地受到控制，以使得例如一个磁性履带面102可在一个方向上相对于焊接或切割机器人12的主体104旋转，而另一磁性履带面102在相反方向上(和/或以不同速度)相对于主体104旋转，因此导致焊接或切割机器人12相对于正被磁性履带面102接触的一个或更多个零件14的表面旋转。此外，在某些实施例中，轨道108中的每一个可还被配置成相对于焊接或切割机器人12的主体104独立地移动，以使得例如主体104相对于零件14的表面的距离可由控制系统16调整。
如本文所述，焊接或切割机器人12可由操作员26远程控制。例如，图3A图示操作员26在本地(例如，在关于图1A论述的控制系统16的显示器30、一个或更多个控制装置28等附近)执行模拟的焊接或切割操作，同时根据来自控制系统16的一个或更多个控制装置28的输入远程地(例如，在远离控制系统16的显示器30、一个或更多个控制装置28等的位置处)对零件14执行实际焊接或切割操作的实施例，如图3B所图示。更具体来说，如图3A所图示，在某些实施例中，操作员26可在操纵模拟的焊炬或割炬(即，作为控制装置28)的同时查看显示器30上的焊接或切割操作的虚拟(或增强)现实表示。如本文中更详细地描述，模拟的焊炬或割炬仅是可用于从操作员26接收输入的控制装置28的一个实例，并且不希望是限制性的。所显示的虚拟(或增强)现实表示向操作员26提供必要信息以适当地控制模拟的焊炬或割炬(和/或其它控制装置28)的角度、运动和位置。
如本文所述，在某些实施例中，视频数据(例如，由图1B所图示的视频捕捉系统82捕捉)可由控制系统16的控制电路18修改。例如，视频数据可被修改以更改、添加或删减被显示或投影在显示器30上的视频图像的一些部分。此更改可包含调整整个图像或图像的一个或更多个部分的亮度，移除图像的一个或更多个部分；或将一个或更多个对象或者一个或更多个文本区域添加到图像中。此外，图像可被控制系统16的控制电路18更改，例如，被修改成使得当被显示时，所述图像产生多个图像，其中所述多个图像相互错开以向人类操作员26提供模拟三维图像。在某些实施例中，信息可按添加到图像的文本或对象的形式(例如，在显示焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34的图像的一部分上或其附近显示的箭头)提供给操作员26，以向操作员26提供用于重引导焊炬或割炬34或改变焊炬或割炬34的焊炬角度的方向的指示。一个或更多个其它文本或对象可添加到图像以提供关于焊接或切割操作的信息，包含焊缝大小和/或形状、焊缝或切缝质量或其它信息。
在某些实施例中，控制系统16的控制电路18可使用计算机数值模型(例如，人工神经网络模型)以计算焊接或切割操作的虚拟/增强现实表示中所表示的焊缝或切缝的大小和/或形状。例如，在虚拟现实表示中，可表示焊缝或切缝的计算大小和/或形状，而在增强现实表示中，可由控制系统16的控制电路18至少部分基于焊缝或切缝的计算大小和/或形状来调整(例如，更改)视频捕捉系统82所捕捉的焊缝或切缝的图像。此外，在某些实施例中，控制电路18可使用一个或更多个数值模型或一个或更多个人工神经网络模型以产生焊缝质量信息。
图4A和图4B图示示范性虚拟现实表示，该示范性虚拟现实表示可显示在显示器30上并可在操作员26在本地操纵一个或更多个控制装置28并且焊接或切割机器人12根据经由一个或更多个控制装置28接收的输入而远程地对零件14执行实际焊接或切割操作时用作对操作员26的视觉反馈。更具体来说，图4A图示模拟正被加工的实际零件14的虚拟现实表示110，其中虚拟焊接或切割机器人112具有虚拟焊炬或割炬114，而图4B图示一种虚拟现实表示116，其绘出正由操作员26操纵的控制装置28在空间关系上相对于虚拟工件120的虚拟版本(即虚拟控制装置118)，所述虚拟工件120对应于操作员26正移动实际控制装置28以对其执行模拟的焊接或切割操作的实际工件122。如图4A和图4B所图示，虚拟工件120可虚拟地表示在两个虚拟现实表示110、116中，以使得操作员26在操纵控制装置28时得到辅助，以在正被加工的实际零件14上导致期望的实际焊接或切割操作。
如本文所述，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含多轴焊炬位置操纵系统94，其被配置成在完全三维空间中(例如，以六个自由度)调整焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体104的位置、取向和/或移动。图5图示多轴焊炬位置操纵系统94的实施例。如图示，在某些实施例中，多轴焊炬位置操纵系统94包含多个多轴臂96，其中多个多轴臂96以如下方式经由多个关节124连接在一起：使得多轴焊炬位置操纵系统94的第一端126可附接到焊接或切割机器人12的主体104，并且多轴焊炬位置操纵系统94的相对第二端128可附接到焊接或切割机器人12的焊炬或割炬34，以使得可在完全三维空间中(例如，以六个自由度)调整焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体104的位置、取向和/或移动。在某些实施例中，一个或更多个多轴驱动装置98可设置在多轴焊炬位置操纵系统94内，并且可基于从控制系统16接收的控制信号而操纵多个多轴臂96相对于彼此的定位。
现返回图3A，虽然被图示为模拟焊炬或割炬，但在其它实施例中，本文所述的一个或更多个控制装置28可采用不同形式。例如，如图6所图示，在某些实施例中，控制装置28可采用远程控制装置130的形式，其中远程控制装置130具有多个输入，例如，用于调整各种操作参数的多个旋钮132、用于启用某些操作模式的按钮134、用于显示各种操作参数值的显示器136等。此外，在某些实施例中，远程控制装置130可包含操纵杆138，其中操纵杆138可用于调整焊接或切割机器人12和/或焊炬或割炬34相对于焊接或切割机器人12的主体104的定位。
如关于图1A所描述，在某些实施例中，焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(在焊接机器人12的状况下)和/或选用的气体源40可直接纳入到焊接或切割机器人12中以产生较紧凑的焊接或切割操作。更具体来说，在某些实施例中，焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(在焊接机器人12的状况下)和/或选用的气体源40可直接附接到(或实际上纳入到)焊接或切割机器人12的主体104。例如，如图3B所图示，在某些实施例中，送丝机38可被引导附接到焊接机器人12的主体104。为了便于焊接机器人12的自给自足，送丝机38的送丝卷轴140可也被引导附接到焊接机器人12的主体104，并且送丝机38可从送丝卷轴140拉动焊丝，并且穿过焊接电缆142将焊丝输送到焊炬34。
此外，在某些实施例中，焊接或切割机器人12可包含外壳，其被配置成围住焊接或切割机器人12的许多个部件。例如，在某些实施例中，焊接或切割机器人12的主体104可围住焊接或切割电力供应器36、选用的送丝机38(在焊接机器人12的状况下)、选用的气体源40以及焊接或切割机器人12的若干其它部件。此外，在某些实施例中，主体104、履带面102、轨道108、焊炬或割炬34以及焊接电缆142可不被主体104围绕。此外，在这些实施例中，主体104、履带面102、轨道108、焊炬或割炬34以及焊接电缆142可被配置成防水的，并且耐受相对高的压力(例如，在100米或更大的海底深度下经历的海底压力)，以使得焊接或切割机器人12可用作被配置成执行可由本文所述的控制系统16远程控制的水下焊接或切割操作的潜水焊接或切割机器人12。
虽然仅在本文中说明和描述本公开的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，将清楚许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和改变。

Claims (32)

1.一种便携式金属加工机器人系统，包括：
金属加工工具，被配置成对一个或更多个金属零件执行金属加工工艺；
通信电路，被配置成从远离所述便携式金属加工机器人系统的控制系统接收控制信号；以及
控制电路，被配置成根据所述所接收的控制信号而控制所述便携式金属加工机器人系统的操作参数。
2.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述金属加工工具包括被配置成在所述一个或更多个金属零件上产生焊接电弧的焊炬。
3.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述金属加工工具包括被配置成在所述一个或更多个金属零件上产生等离子体切割电弧的等离子体割炬。
4.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述金属加工工具包括被配置成加热所述一个或更多个金属零件的加热组件。
5.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括被配置成检测一个或更多个操作参数的一个或更多个传感器系统，其中所述通信电路被配置成将与所述所检测的一个或更多个操作参数相关的数据传输到所述控制系统。
6.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括被配置成检测所述金属加工工具的位置、取向或移动的位置传感器系统。
7.根据权利要求6所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述位置传感器系统包括在所述金属加工工具上所设置的一个或更多个发光二极管，以及被配置成检测从所述一个或更多个发光二极管发射的光的一个或更多个光学检测器。
8.根据权利要求6所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述位置传感器系统包括在所述金属加工工具内或所述金属加工工具上所设置的一个或更多个运动传感器。
9.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括被配置成从所述金属零件附近的环境检测声学数据的音频传感器系统。
10.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括视频捕捉系统，所述视频捕捉系统被配置成捕捉所述金属加工工具、所述金属加工工艺以及所述金属零件附近的环境的视频数据。
11.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括间隙感测系统，所述间隙感测系统被配置成检测与所述一个或更多个金属零件之间的距离相关的数据。
12.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括间隙感测系统，所述间隙感测系统被配置成检测与所述金属加工工具相对于所述一个或更多个金属零件的位置、取向或移动相关的数据。
13.根据权利要求5所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述一个或更多个传感器系统包括焊珠轮廓感测系统，所述焊珠轮廓感测系统被配置成检测与由所述金属加工工具所产生的焊接电弧产生的焊珠的轮廓相关的数据。
14.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括多轴位置操纵系统，所述多轴位置操纵系统被配置成至少部分基于所述所接收的控制信号而调整所述金属加工工具的位置、取向或移动。
15.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括多轴位置操纵系统，所述多轴位置操纵系统被配置成至少部分基于所述所接收的控制信号而调整所述便携式金属加工机器人系统的位置、取向或移动。
16.根据权利要求14所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述多轴位置操纵系统包括一个或更多个磁性履带面。
17.根据权利要求14所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述多轴位置操纵系统包括一个或更多个轮子。
18.根据权利要求14所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述多轴位置操纵系统包括气动真空系统。
19.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括被配置成将焊接或切割电力提供到所述金属加工工具的焊接或切割电力供应器。
20.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括被配置成将焊丝提供到所述金属加工工具的送丝机。
21.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，包括被配置成将气体流提供到所述金属加工工具的气体源。
22.根据权利要求1所述的便携式金属加工机器人系统，其中所述控制电路还被配置成控制所述便携式金属加工机器人系统的操作参数，而不从所述控制系统接收控制信号。
23.一种控制系统，包括：
一个或更多个显示装置，被配置成显示正对一个或更多个金属零件执行的金属加工工艺的虚拟现实表示或增强现实表示；
一个或更多个控制装置，被配置成由操作员操纵；
控制电路，被配置成在所述一个或更多个显示装置上显示所述金属加工工艺的所述虚拟现实表示或所述增强现实表示；以及
通信电路，被配置成接收所述一个或更多个控制装置的一个或更多个输入，并且将控制信号传输到位于远处的便携式金属加工机器人系统，其中所述控制信号至少部分基于所述一个或更多个控制装置的所述一个或更多个输入。
24.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述金属加工工艺包括焊接工艺。
25.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述金属加工工艺包括等离子体切割工艺。
26.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述金属加工工艺包括加热工艺。
27.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述通信电路被配置成从所述便携式金属加工机器人系统的传感器系统接收与一个或更多个操作参数相关的数据，并且所述控制电路被配置成至少部分基于所述所接收的数据而调整在所述一个或更多个显示装置上所显示的所述金属加工工艺的所述虚拟现实表示或所述增强现实表示。
28.根据权利要求27所述的控制系统，其中所述控制电路被配置成至少部分基于所述所接收的数据而在一个或更多个显示装置上提供与所述金属加工工艺的质量相关的信息。
29.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述控制电路包括神经网络模型。
30.根据权利要求23所述的控制系统，包括被配置成检测所述一个或更多个控制装置的位置、取向或移动的位置传感器系统，并且其中所述控制电路被配置成至少部分基于所述一个或更多个控制装置的所述所检测的位置、取向或移动而确定所述控制信号。
31.根据权利要求30所述的控制系统，其中所述位置传感器系统包括在所述一个或更多个控制装置上所设置的一个或更多个发光二极管，以及被配置成检测从所述一个或更多个发光二极管发射的光的一个或更多个光学检测器。
32.根据权利要求30所述的控制系统，其中所述位置传感器系统包括在所述一个或更多个控制装置内或在所述一个或更多个控制装置上所设置的一个或更多个运动传感器。
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