CN108526778B - 一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，包括步骤：步骤1、在工件表面的焊接轨迹上均匀地取N个点；步骤2、修改机器人运动方程，加入变位机后，工件安装在变位机的转台上，根据机器人及变位机的各坐标系及其相互的位姿关系得到考虑变位机的机器人运动方程；步骤3、修改目标函数，以原有通用性规划的目标函数为基础，添加焊缝质量指标和视觉传感器指标两个分量作为新的目标函数。本发明在通用性工件放置规划的基础上，加入对焊接角度参数规划，考虑有视觉传感器、有变位机时的规划，充分利用机器人的灵活性，以得到更好的焊接质量。

Description

一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法

技术领域

本发明涉及涉及计算机图形学和机器人工程技术领域，尤其涉及一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法。

背景技术

机器人焊接应用中，工件的放置会影响到焊接质量。如果位置和姿态选取不当，甚至会使得焊接作业无法完成。在实际焊接中，位置和姿态一般是由工人手动调整的。这种方式需要反复摸索，比较费时，而且往往不能充分利用机器人的灵活性，以得到更好的焊接质量。如果能由计算机自动规划工件位置，将很好地改善这一情况。

何广忠的《机器人弧焊离线编程系统及其自动编程技术的研究》中研究了机器人放置规划问题。以机器人底座位置和姿态作为优化的决策变量，建立若干评价函数并以加权的方式得到目标函数，最后采用自适应模拟退火遗传算法来搜索最优解，但该技术是应用于焊接的规划，但是没有考虑焊接角度参数，而且规划的是机器人的位置和姿态，而不是工件。没有考虑有视觉传感器存在时的规划、没有考虑有变位机的规划。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提出一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，该方法在机器人仿真系统中的通用性工件放置规划的基础上，加入对焊接角度参数规划、考虑有视觉传感器、有变位机时的规划。

本发明通过如下技术方案实现：

一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，包括步骤：

步骤1、在工件表面的焊接轨迹上均匀地取N个点；

步骤2、修改机器人运动方程，加入变位机后，工件安装在变位机的转台上，根据机器人及变位机的各坐标系及其相互的位姿关系得到考虑变位机的机器人运动方程；

步骤3、修改目标函数，以原有通用性规划的目标函数为基础，添加焊缝质量指标和视觉传感器指标两个分量作为新的目标函数；

所述的步骤2具体包括：

步骤21、得到没有加入变位机时机器人运动方程：

其中：是机器人基坐标系相对于世界坐标系的位姿；

是机器人末端坐标系相对于基坐标系的位姿；

是机器人工具坐标系相对于末端坐标系的位姿；

是工件表面焊接路径上第i点相对工件坐标系的位姿；

是工件坐标系相对于世界坐标系的位姿；

T_adj是对焊接角度的一个调整变换。

步骤22、在步骤21的基础上得到加入变位机时机器人运动方程：

其中：是变位机转台相对于变位机基座坐标系的位姿；

是变位机基座坐标系相对于世界坐标系的位姿。

进一步地，所述步骤21中，T_adj的求解过程包括：

设焊接时，焊枪的行走角的调整量为α，工作角的调整量为β，方向角的调整量为γ，则有：

T_adj＝Rot(x,α)*Rot(y,β)*Rot(z,γ)。

进一步地，所述的步骤22中，所述和的求解过程包括：

加入一个限制条件，即：焊接工件在经过变位机变位后，可达到船型焊的状态，表示为方程即是：

通过上式得到两组解，依据变位机关节角移动量最小的原则，选取一组即可。

进一步地，步骤3中，所述焊缝质量指标根据焊接时焊枪的角度参数来构造，求解过程包括：

步骤301、求解对焊缝走向的评估作为第一项q₁，其值等于焊缝上各点处的切向量与竖直方向的夹角余弦的平均值；

步骤302、求解对焊枪方向的评估作为第二项q₂，其值等于在各点处焊枪z轴与竖直方向的夹角余弦的平均值；

步骤303、取两项的平均值，作为焊缝质量指标:

q＝0.5*(1-q₁+q₂)。

进一步地，所述步骤301中：

焊缝在i点处的切向量可近似表示为：

τ_i＝(x_i-x_i-1,y_i-y_i-1,z_i-z_i-1)

则第一项表示为：

进一步地，步骤302中，焊枪到达第i点时，工具坐标系的z轴向量表示为：

v_z,i＝(x_z,i,y_z,i,z_z,i)

则第二项表示为：

其中，N为该段焊缝上均匀所取点的个数。

进一步地，步骤3中，所述视觉传感器指标通过传感器的角度进行构造：

取焊枪工具坐标y轴与焊缝方向的夹角余弦求和并取平均值，如下式所示：

其中，(n_x,i-1,n_y,i-1,n_z,i-1)是焊枪到达第i点时，焊枪工具坐标系的y轴向量，N为该段焊缝上均匀所取点的个数。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明在通用性工件放置规划的基础上，加入对焊接角度参数规划，考虑有视觉传感器、有变位机时的规划，充分利用机器人的灵活性，以得到更好的焊接质量。

附图说明

图1为无变位机时的各坐标系示意图。

图2为加入变位机后的各坐标系示意图。

图3为焊接时的角度参数示意图。

图4为视觉传感器的角度参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，包括步骤：

步骤1、在工件表面的焊接轨迹上均匀地取N个点；

步骤2、修改机器人运动方程，加入变位机后，工件安装在变位机的转台上，根据机器人及变位机的各坐标系及其相互的位姿关系得到考虑变位机的机器人运动方程；

步骤3、修改目标函数，以原有通用性规划的目标函数为基础，添加焊缝质量指标和视觉传感器指标两个分量作为新的目标函数。

具体而言，所述的步骤2具体包括：

步骤21、得到没有加入变位机时机器人运动方程：

其中，如图1所示，是机器人基坐标系相对于世界坐标系的位姿；

是机器人末端坐标系相对于基坐标系的位姿；

是机器人工具坐标系相对于末端坐标系的位姿；

是工件表面焊接路径上第i点相对工件坐标系的位姿；

是工件坐标系相对于世界坐标系的位姿；

T_adj是对焊接角度的一个调整变换；

所述步骤21中，T_adj的求解过程包括：

设焊接时，焊枪的行走角的调整量为α，工作角的调整量为β，方向角的调整量为γ，则有：

T_adj＝Rot(x,α)*Rot(y,β)*Rot(z,γ)。 (1-2)

由于式(1-1)中等号右边都是已知的，所以可以求解机器人逆运动学解。

步骤22、加入变位机后，工件安装在变位机的转台上，各坐标系如图2所示，在步骤11的基础上得到加入变位机时机器人运动方程：

其中：是变位机转台相对于变位机基座坐标系的位姿；

是变位机基座坐标系相对于世界坐标系的位姿。

具体而言，所述的步骤22中，和的与变位机的两个关节变量有关，需要先确定它们的值，所述和的求解过程包括：

为了使方程有有限多个解，加入一个限制条件，即：焊接工件在经过变位机变位后，可达到船型焊的状态，表示为方程即是：

通过上式得到两组解，依据变位机关节角移动量最小的原则，选取一组即可。

具体而言，步骤3中，所述焊缝质量指标根据焊接时焊枪的角度参数来构造，求解过程包括：

步骤301、求解对焊缝走向的评估作为第一项q₁，其值等于焊缝上各点处的切向量与竖直方向的夹角(即图3中的α的余角)余弦的平均值；焊缝在i点处的切向量可近似表示为：

τ_i＝(x_i-x_i-1,y_i-y_i-1,z_i-z_i-1) (1-5)

则第一项表示为：

步骤302、求解对焊枪方向的评估作为第二项q₂，其值等于在各点处焊枪z轴与竖直方向的夹角(即图3中的β)余弦的平均值；焊枪到达第i点时，工具坐标系的z轴向量表示为：

v_z,i＝(x_z,i,y_z,i,z_z,i) (1-7)

则第二项表示为：

步骤303、取两项的平均值，作为焊缝质量指标:

q＝0.5*(1-q₁+q₂)。 (1-9)

具体而言，步骤3中，所述视觉传感器指标通过传感器的角度进行构造：

取焊枪工具坐标y轴与焊缝方向的夹角(如图4所示的夹角γ)余弦求和并取平均值，如下式所示：

其中，(n_x,i-1,n_y,i-1,n_z,i-1)是焊枪到达第i点时，焊枪工具坐标系的y轴向量。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、在工件表面的焊接轨迹上均匀地取N个点；

步骤2、修改机器人运动方程，加入变位机后，工件安装在变位机的转台上，根据机器人及变位机的各坐标系及其相互的位姿关系得到考虑变位机的机器人运动方程；

步骤3、修改目标函数，以原有通用性规划的目标函数为基础，添加焊缝质量指标和视觉传感器指标两个分量作为新的目标函数；

所述的步骤2具体包括：

步骤21、得到没有加入变位机时机器人运动方程：

其中：是机器人基坐标系相对于世界坐标系的位姿；

是机器人末端坐标系相对于基坐标系的位姿；

是机器人工具坐标系相对于末端坐标系的位姿；

是工件表面焊接路径上第i点相对工件坐标系的位姿；

是工件坐标系相对于世界坐标系的位姿；

T_adj是对焊接角度的一个调整变换；

步骤22、在步骤21的基础上得到加入变位机时机器人运动方程：

其中：是变位机转台相对于变位机基座坐标系的位姿；

是变位机基座坐标系相对于世界坐标系的位姿。

2.根据权利要求1所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，所述步骤21中，T_adj的求解过程包括：

设焊接时，焊枪的行走角的调整量为α，工作角的调整量为β，方向角的调整量为γ，则有：

T_adj＝Rot(x,α)*Rot(y,β)*Rot(z,γ)。

3.根据权利要求1所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，所述的步骤22中，所述和的求解过程包括：

加入一个限制条件，即：焊接工件在经过变位机变位后，可达到船型焊的状态，表示为方程即是：

通过上式得到两组解，依据变位机关节角移动量最小的原则，选取一组即可。

4.根据权利要求1所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，步骤3中，所述焊缝质量指标根据焊接时焊枪的角度参数来构造，求解过程包括：

步骤301、求解对焊缝走向的评估作为第一项q₁，其值等于焊缝上各点处的切向量与竖直方向的夹角余弦的平均值；

步骤302、求解对焊枪方向的评估作为第二项q₂，其值等于在各点处焊枪z轴与竖直方向的夹角余弦的平均值；

步骤303、取两项的平均值，作为焊缝质量指标:

q＝0.5*(1-q₁+q₂)。

5.根据权利要求4所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，所述步骤301中：

焊缝在i点处的切向量可近似表示为：

τ_i＝(x_i-x_i-1,y_i-y_i-1,z_i-z_i-1)

则第一项表示为：

其中，N为该段焊缝上均匀所取点的个数。

6.根据权利要求4所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，步骤302中，焊枪到达第i点时，工具坐标系的z轴向量表示为：

v_z,i＝(x_z,i,y_z,i,z_z,i)

则第二项表示为：

其中，N为该段焊缝上均匀所取点的个数。

7.根据权利要求1所述的用于机器人仿真系统焊接应用的工件放置规划方法，其特征在于，步骤3中，所述视觉传感器指标通过传感器的角度进行构造：

取焊枪工具坐标y轴与焊缝方向的夹角余弦求和并取平均值，如下式所示：

其中，(n_x,i-1,n_y,i-1,n_z,i-1)是焊枪到达第i点时，焊枪工具坐标系的y轴向量，N为该段焊缝上均匀所取点的个数。