CN108972547B - 一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，基于六轴机器人和两轴变位机，包括步骤：（1）通过求解异型工件特征点法平面的方法，拟合得到焊接平面；（2）将平滑后的焊接数据点投影到所述的焊接平面上；（3）计算出异型工件焊接时变位机系统的转角和对应机器人焊枪末端的坐标和姿态，实现异型工件在机器人与变位机组成的八自由度焊接轨迹在线生成系统上的自动焊接。本发明所提供的六轴机器人和两轴变位机协调运动控制方法，可以确保在异型工件的焊接过程中机器人和变位机两者之间协调的沿着焊缝进行运动，且机器人焊枪末端始终在焊缝的法线方向。

Description

一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法

技术领域

本发明涉及工业机器人焊接应用领域，尤其涉及一种适用于小批量异型工件的自动化焊接中的八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制系统。

背景技术

对于小批量异型工件的焊接而言，从成本和可靠性考虑，手工焊接仍然是小批量异型工件的主要焊接方式。焊接异型工件的难点主要是焊接轨迹较为复杂，有些薄壁异型工件极其容易焊穿。在焊接过程中，焊接工人需不断观察焊枪和焊缝的位置，进而及时的调整焊枪的位置和角度，使其对准焊缝。显而易见，这种焊接方式极大的增加了工人的劳动强度；其次，从成本方面考虑，大部分工厂不是非常正规，未给工人配备应有的防护工具以防止工人的健康不会被焊接时产生的弧光和其他有害物质所损伤。最后，从焊接质量上来说，人工焊接的焊接质量主要取决于工人的水平，故每个工人焊接出来的产品质量也良莠不齐。现有大趋势下，手工焊接必将会被焊接机器人大规模取代。

由于运动范围所限，使用现有的六轴机器人无法360度完整的焊接异型工件，机器人焊接轨迹在线生成系统在六轴机器人的基础上加装两轴变位机系统，从而构成八自由度焊接轨迹在线生成系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算简单方便，适用于小批量异型工件的自动化焊接中的八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，基于六轴机器人和两轴变位机，包括步骤：

(1)通过求解异型工件特征点法平面的方法，拟合得到焊接平面；

(2)将平滑后的焊接数据点投影到所述的焊接平面上；

(3)计算出异型工件焊接时变位机系统的转角和对应机器人焊枪末端的坐标和姿态，实现异型工件在机器人与变位机组成的八自由度焊接轨迹在线生成系统上的自动焊接。

进一步地，所述的步骤(1)具体包括：

(11)经过视觉检测系统提取的异型工件焊接轮廓在一个平面上，该平面称之为焊接平面P，其方程为：

Ax+By+Cz＝0

上式中，向量[A,B,C]^T为焊接平面P的法向量；

(12)在机器人基坐标系{B}中来表示焊接平面P，设测量点为^BM_i，其中i＝1→m，由机器人与变位机的关系可得，法向量[A,B,C]^T中的C≠0，则为了简化计算，令焊接平面P的方程为，

ax+by+z+d＝0；

(13)基于最小二乘法来拟合所有数据点所构成的焊接平面P：

令

则可简化为：

x＝(A^TA)^-1A^Tb

故焊接平面P的参数方程为：

焊接平面P的法向量为：

^BN＝[a,b,c]^T

将其单位化后为：

^Bn＝^BN/|^BN|

由此，焊接平面P即拟合完成。

进一步地，所述的步骤(2)具体包括：

(21)先将两轴变位机旋转轴的坐标系{8}的原点投影到焊接平面P上：

设点为p＝[x_o y_o z_o]^T，其在焊接平面P上的投影点p'＝[x y z]，设焊接平面P的方程为

Ax+By+Cz+D＝0

由点到平面的投影可得方程组：

由方程组解得：

根据上式可以求得坐标系{8}的原点在焊接平面P上的投影点，该点即为坐标系{S}与坐标系{W}原点，即^BP_sorg与^BP_Worg，坐标系{S}为固定坐标系，坐标系{W}为初始工件坐标系；

(22)建立固定坐标系：

{S}的

轴与平面P的法向量n共线，而

与

或

接近平行且同向，设一变量为s_direction，其取值范围为{-1,1,-2,2}，分别对应与

接近平行且同向的轴分别为

建立固定坐标系{S}必须先确定s_directio的值，设一向量^Bδ＝[0,0,0]^T，令

^Bδ(|s_direction|)＝s_direction/|s_direction|

然后设一个临时点^BP_temp，令：

^BP_temp＝^BP_Sorg-^Bδ

将^BP_temp投影到焊接平面P上的点^BP_Sy，点^BP_Sorg到^BP_Sy的连线即为

的方向；则可以得到：

(23)求^BM_i在焊接平面P上的投影，并在坐标系{W}中表示：

令所有^BM_i与

相乘，即

然后令所有的^WM_i的z坐标全部为0，这样，投影即可求出。

进一步地，所述的步骤(3)具体包括：

(31)求出所有^WM_i的内法向量：求解时通过当前焊接点的前后两个焊接点来求取当前焊接点的内法向量，若当前焊接点为^WM_i，则^Wν₁和^Wν₂就是我们要求取的向量，分别为

若^Wν₁×^Wν₂≠0，则表示^Wν₁和^Wν₂不平行，则点^WM_i的内法向量由下式得出：

^Wn_i＝(^Wv₁+^Wv₂)/|^Wv₁+^Wv₂|

为了保证法向量均指向同一个方向，则需令^Wv＝(^Wv₂-^Wv₁)×^Wn_i中的^Wν的z坐标大于0，否则令向量^Wn_i方向取反。

若^Wν₁×^Wν₂＝0，则表示^Wν₁和^Wν₂平行，则按照下式将^Wn_i单位化即可：

^Wn_i＝[0,0,1]^T×(^Wv₂-^Wv₁)；

(32)求取出法向量^Wn_i之后，求取转角角度θ就相对简单了，转动角度θ的定义是相邻两个焊接点的内法向量的夹角，夹角的大小用余弦定理来获得：

转动方向用下式中的^Wdir的z坐标来判定，如果z坐标小于0，则表示工件绕固定坐标系{S}的

轴逆时针旋转，否则为顺时针旋转：

^Wdir＝^Wn_i-1×^Wn_i；

(33)获得旋转后焊接点基于固定坐标系{S}的坐标^SFrame：假设第i个焊接点的转角为θ_i，设初始转角为θ＝0，有m个焊接点，因为初始时刻，坐标系{S}与坐标系{W}重合，所以^WM_i＝^SM_i，当i＝1→m，将θ进行迭代出来，计算出转动后的焊接点^SM′_i，

因焊接时，焊接点的坐标^SFrame相对于坐标系{S}的姿态都是相同的，即

与

同向，

或

与

平行，据此即可求得坐标^SFrame相对于坐标系{S}的状态矩阵^SR_Frame，即可得到坐标^SFrame和旋转后焊接点基于坐标系{B}的坐标^BFrame：

(34)求出异型工件所有特征点的坐标^SFrame和^BFrame之后，即可得出六轴机器人的运动路径和变位机的运动路径，保证焊接时两者会协调运动，实现异型工件的在线焊接。

相比现有技术，本发明所提供的六轴机器人和两轴变位机协调运动控制方法，可以确保在异型工件的焊接过程中机器人和变位机两者之间协调的沿着焊缝进行运动，且机器人焊枪末端始终在焊缝的法线方向，保证工件的焊接质量。

附图说明

图1是拟合焊接平面示意图。

图2是焊接数据点投影示意图。

图3是建立焊接点内法向量示意图。

图4是六轴机器人和两轴变位机焊接系统示意图。

图中：1-六轴机器人；2-两轴变位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图4所示，八自由度焊接轨迹在线生成系统基于六轴机器人1和两轴变位机2，其中，{B}为机器人基坐标系，{7}为两轴变位机倾斜轴的坐标系；{8}为两轴变位机旋转轴的坐标系；{G}为工作台坐标系；{P}为变位机基坐标系；{T}为工具坐标系。

一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，基于六轴机器人1和两轴变位机2，包括步骤：

(1)通过求解异型工件特征点法平面的方法，拟合得到焊接平面；

(2)将平滑后的焊接数据点投影到所述的焊接平面上；

(3)计算出异型工件焊接时变位机系统的转角和对应机器人焊枪末端的坐标和姿态，实现异型工件在机器人与变位机组成的八自由度焊接轨迹在线生成系统上的自动焊接。

具体而言，如图1所示，所述的步骤(1)具体包括：

(11)经过视觉检测系统提取的异型工件焊接轮廓在一个平面上，该平面称之为焊接平面P，其方程为：

Ax+By+Cz＝0

上式中，向量[A,B,C]^T为焊接平面P的法向量；

(12)在机器人基坐标系{B}中来表示焊接平面P，设测量点为^BM_i，其中i＝1→m，由机器人与变位机的关系可得，法向量[A,B,C]^T中的C≠0，则为了简化计算，令焊接平面P的方程为，

ax+by+z+d＝0；

(13)基于最小二乘法来拟合所有数据点所构成的焊接平面P：

令

则可简化为：

x＝(A^TA)^-1A^Tb

故焊接平面P的参数方程为：

焊接平面P的法向量为：

^BN＝[a,b,c]^T

将其单位化后为：

^Bn＝^BN/|^BN|

由此，焊接平面P即拟合完成。

具体而言，如图2所示，所述的步骤(2)具体包括：

(21)先将两轴变位机旋转轴的坐标系{8}的原点投影到焊接平面P上：

设点为p＝[x_o y_o z_o]^T，其在焊接平面P上的投影点p'＝[x y z]，设焊接平面P的方程为

Ax+By+Cz+D＝0

由点到平面的投影可得方程组：

由方程组解得：

根据上式可以求得图2中坐标系{8}的原点在焊接平面P上的投影点，该点即为坐标系{S}与坐标系{W}原点，即^BP_sorg与^BP_Worg，坐标系{S}为固定坐标系，坐标系{W}为初始工件坐标系；

(22)建立固定坐标系：

{S}的

轴与平面P的法向量n共线，而

与

或

接近平行且同向，设一变量为s_direction，其取值范围为{-1,1,-2,2}，分别对应与

接近平行且同向的轴分别为

建立固定坐标系{S}必须先确定s_directio的值，设一向量^Bδ＝[0,0,0]^T，令

^Bδ(|s_direction|)＝s_direction/|s_direction|

然后设一个临时点^BP_temp，令：

^BP_temp＝^BP_Sorg-^Bδ

将^BP_temp投影到焊接平面P上的点^BP_Sy，点^BP_Sorg到^BP_Sy的连线即为

的方向；则可以得到：

(23)求^BM_i在焊接平面P上的投影，并在坐标系{W}中表示：

令所有^BM_i与

相乘，即

然后令所有的^WM_i的z坐标全部为0，这样，投影即可求出。

具体而言，如图3所示，所述的步骤(3)具体包括：

(31)求出所有^WM_i的内法向量：求解时通过当前焊接点的前后两个焊接点来求取当前焊接点的内法向量，若当前焊接点为^WM_i，则^Wν₁和^Wν₂就是我们要求取的向量，分别为

若^Wν₁×^Wν₂≠0，则表示^Wν₁和^Wν₂不平行，则点^WM_i的内法向量由下式得出：

^Wn_i＝(^Wv₁+^Wv₂)/|^Wv₁+^Wv₂|

为了保证法向量均指向同一个方向，则需令^Wv＝(^Wv₂-^Wv₁)×^Wn_i中的^Wν的z坐标大于0，否则令向量^Wn_i方向取反；

若^Wν₁×^Wν₂＝0，则表示^Wν₁和^Wν₂平行，则按照下式将^Wn_i单位化即可：

^Wn_i＝[0,0,1]^T×(^Wv₂-^Wv₁)；

(32)求取出法向量^Wn_i之后，则求取转角角度θ过程相对简化，转动角度θ的定义是相邻两个焊接点的内法向量的夹角，夹角的大小用余弦定理来获得：

转动方向用下式中的^Wdir的z坐标来判定，如果z坐标小于0，则表示工件绕固定坐标系{S}的

轴逆时针旋转，否则为顺时针旋转：

^Wdir＝^Wn_i-1×^Wn_i；

(33)获得旋转后焊接点基于固定坐标系{S}的坐标^SFrame：假设第i个焊接点的转角为θ_i，设初始转角为θ＝0，有m个焊接点，因为初始时刻，固定坐标系{S}与坐标系{W}重合，所以^WM_i＝^SM_i，当i＝1→m，将θ进行迭代出来，计算出转动后的焊接点^SM′_i，

因焊接时，焊接点的坐标^SFrame相对于坐标系{S}的姿态都是相同的，即

与

同向，

或

与

平行，据此即可求得坐标^SFrame相对于坐标系{S}的状态矩阵^SR_Frame，即可得到坐标^SFrame和旋转后焊接点基于坐标系{B}的坐标^BFrame：

(34)求出异型工件所有特征点的坐标^SFrame和^BFrame之后，即可得出六轴机器人的运动路径和变位机的运动路径，保证焊接时两者会协调运动，实现异型工件的在线焊接。

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 (3)

1.一种八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，基于六轴机器人和两轴变位机，其特征在于，包括步骤：

(1)通过求解异型工件特征点法平面的方法，拟合得到焊接平面；

(2)将平滑后的焊接数据点投影到所述的焊接平面上；

(3)计算出异型工件焊接时变位机系统的转角和对应机器人焊枪末端的坐标和姿态，实现异型工件在机器人与变位机组成的八自由度焊接轨迹在线生成系统上的自动焊接；

其中，步骤(1)具体包括：

(11)经过视觉检测系统提取的异型工件焊接轮廓在一个平面上，该平面称之为焊接平面P，其方程为：

Ax+By+Cz＝0

上式中，向量[A,B,C]^T为焊接平面P的法向量；

(12)在机器人基坐标系{B}中来表示焊接平面P，设测量点为^BM_i，其中i＝1→m，由机器人与变位机的关系可得，法向量[A,B,C]^T中的C≠0，则为了简化计算，令焊接平面P的方程为，

ax+by+z+d＝0；

(13)基于最小二乘法来拟合所有数据点所构成的焊接平面P：

令

则可简化为：

x＝(A^TA)^-1A^Tb

故焊接平面P的参数方程为：

焊接平面P的法向量为：

^BN＝[a,b,c]^T

将其单位化后为：

^Bn＝^BN/|^BN|

由此，焊接平面P即拟合完成。

2.根据权利要求1所述的八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

(21)先将两轴变位机旋转轴的坐标系{8}的原点投影到焊接平面P上：

设点为p＝[x_o y_o z_o]^T，其在焊接平面P上的投影点p'＝[x y z]，设焊接平面P的方程为：

Ax+By+Cz+D＝0

由点到平面的投影可得方程组：

由方程组解得：

根据上式可以求得坐标系{8}的原点在焊接平面P上的投影点，该点即为坐标系{S}与坐标系{W}原点，即^BP_sorg与^BP_Worg，坐标系{S}为固定坐标系，坐标系{W}为初始工件坐标系；

(22)建立固定坐标系：

坐标系{S}的

轴与焊接平面P的法向量n共线，而

与

或

接近平行且同向，设一变量为s_direction，其取值范围为{-1,1,-2,2}，分别对应与

接近平行且同向的轴分别为

建立固定坐标系{S}必须先确定s_directio的值，设一向量^Bδ＝[0,0,0]^T，令

^Bδ(|s_direction|)＝s_direction/|s_direction|

然后设一个临时点^BP_temp，令：

^BP_temp＝^BP_Sorg-^Bδ

将^BP_temp投影到焊接平面P上的点^BP_Sy，点^BP_Sorg到^BP_Sy的连线即为

的方向；则可以得到：

式中，

为固定坐标系{S}相对于机器人基座标系{B}的位姿变换矩阵，

为工件坐标系{W}相对于机器人基座标系{B}的位姿变换矩阵；

(23)求^BM_i在焊接平面P上的投影，并在坐标系{W}中表示：

令所有^BM_i与

相乘，即

然后令所有的^WM_i的z坐标全部为0，这样，投影即可求出。

3.根据权利要求2所述的八自由度焊接轨迹在线生成系统协调运动控制方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

(31)求出所有^WM_i的内法向量：求解时通过当前焊接点的前后两个焊接点来求取当前焊接点的内法向量，若当前焊接点为^WM_i，则^Wν₁和^Wν₂就是我们要求取的向量，分别为：

若^Wν₁×^Wν₂≠0，则表示^Wν₁和^Wν₂不平行，则点^WM_i的内法向量由下式得出：

^Wn_i＝(^Wv₁+^Wv₂)/|^Wv₁+^Wv₂|

为了保证法向量均指向同一个方向，则需令^Wv＝(^Wv₂-^Wv₁)×^Wn_i中的^Wν的z坐标大于0，否则令向量^Wn_i方向取反；

若^Wν₁×^Wν₂＝0，则表示^Wν₁和^Wν₂平行，则按照下式将^Wn_i单位化即可：

^Wn_i＝[0,0,1]^T×(^Wv₂-^Wv₁)；

(32)求取出法向量^Wn_i之后，求取转角角度θ就相对简单了，转动角度θ的定义是相邻两个焊接点的内法向量的夹角，夹角的大小用余弦定理来获得：

转动方向用下式中的^Wdir的z坐标来判定，如果z坐标小于0，则表示工件绕固定坐标系{S}的

轴逆时针旋转，否则为顺时针旋转：

^Wdir＝^Wn_i-1×^Wn_i；

(33)获得旋转后焊接点基于固定坐标系{S}的坐标^SFrame：假设第i个焊接点的转角为θ_i，设初始转角为θ＝0，有m个焊接点，因为初始时刻，坐标系{S}与坐标系{W}重合，所以^WM_i＝^SM_i，当i＝1→m，将θ进行迭代出来，计算出转动后的焊接点^SM′_i，

其中，式中，

为工件坐标系{W}相对于固定坐标系{S}的位姿变换矩阵；

因焊接时，焊接点的坐标^SFrame相对于坐标系{S}的姿态都是相同的，即

与

同向，

或

与

平行，据此即可求得坐标^SFrame相对于坐标系{S}的状态矩阵^SR_Frame，即可得到坐标^SFrame和旋转后焊接点基于坐标系{B}的坐标^BFrame：

(34)求出异型工件所有特征点的坐标^SFrame和^BFrame之后，即可得出六轴机器人的运动路径和变位机的运动路径，保证焊接时两者会协调运动，实现异型工件的在线焊接。

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