CN109719438A - 一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其包括预跟踪阶段及自动焊缝跟踪阶段，基于坐标旋转变化及曲线拟合，本发明实现的焊缝特征点的自动跟踪。与现有技术相比，本发明消除了焊缝特征点的坐标采集时间相对于焊枪端点的坐标采集时间的延迟，从而保证了焊枪端点与焊缝之间的准确协同，实现了焊缝的自动精确跟踪。

Description

一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法

【技术领域】

本发明涉及工业机器人控制领域，尤其涉及一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法。

【背景技术】

工业机器人广泛应用于工业生产的各个领域，其中焊接仍然是其最主要的应用领域之一。工业生产的柔性化，要求焊接机器人具有一定的通用性和灵活性，焊缝的自动跟踪式提高焊接机器人智能程度的前提，也是当前所面临的主要问题之一。

采用视觉传感器的焊缝跟踪技术，不需要预先对工业机器人的运动轨迹进行示教或离线编程，即能实现焊缝的自动跟踪，提高焊接质量。

激光视觉传感技术是基于激光三角测量原理的光学测量技术。线激光照射到工件的表面，在焊缝处形成激光断裂条纹，再经过相机采集焊缝图像，提取焊缝特征，最终获取焊缝的轨迹坐标。

如图1所示，其示出了一种具备视觉焊缝自动跟踪功能的工业焊接机器人，其包括有基座及安装在基座上的机器臂(未图示)，机器臂的末端安装有机器人法兰盘1，机器人法兰1上安装有焊枪2、相机3及激光器4。其基本工作原理如下：激光器4发出的平面光束照射到焊缝5上，平面光束与焊缝5交叉形成焊缝特征点，相机3采样焊缝5的当前图像并传送至与机器人控制系统连接的上位机(未图示)，上位机基于图像识别技术识别出当前的焊缝特征点的位置坐标并发送至机器人控制系统，机器人控制系统控制焊枪2移动并使得焊枪2的端点接触当前特征点以实现对焊缝5的自动跟踪。

可见，要实现焊缝的精确跟踪,一是获取焊枪端点在机器人坐标系下的坐标位置，二是获取焊缝特征点在机器人坐标系下的坐标位置，然后基于上述两个坐标位置控制焊枪端点移动至焊缝特征点。

由于焊枪端点的坐标位置由机器人控制系统反馈，而焊缝特征点的坐标位置则由相机系统反馈，焊缝特征点的坐标采集时间相对于焊枪端点的坐标采集时间存在延迟。因此，为了实现焊缝的自动精确跟踪，首先必须经过相关处理消除采集时间的延迟，保证焊枪端点与焊缝之间的准确协同。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种工业机器人焊缝自动跟踪方法，其可以实现焊缝的自动跟踪，从而控制焊接机器人以期望的位姿进行焊接，以提高焊接质量。

为实现上述目的，本发明提供的工业机器人焊缝自动跟踪方法的技术方案如下：

一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其包括如下步骤：

步骤一：调整焊接机器人至适当的空间位置，使得安装在机器人末端的焊枪的端点能够接触工件上的目标焊缝并沿焊缝自由移动；

步骤二：建立两个参考坐标系，{Base}坐标系为机器人坐标系，{Base}坐标系的位置在机器人的基座上，其位姿固定；{TCP}坐标系为焊枪端点坐标系，其位置位于焊枪的端点，姿态由机器人内部确定；

步骤三：控制焊枪端点按预定轨道沿着焊缝的起始段移动，机器人控制系统以预定时间间隔对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪在{Base}坐标系下的位姿进行N+1次连续采样并将采样值发送给上位机，上位机基于法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪在{Base}坐标系下的位姿计算出焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，其中：i＝0，1，…N，tR表示机器人控制系统的采样时间，P_{KFC_i}为机器人控制系统第i次采样获取的法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标值，P_{TCP_i}为机器人控制系统第i次采样对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标值；

基于焊枪端点在{Base}坐标系下的连续N+1个坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，上位机调用曲线拟合算法拟合出焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线；

同步地，机器人控制系统每完成一次采样，安装在机器人法兰盘上的相机对焊缝进行拍照采样并上传给上位机，上位机采用三维测量算法获取焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})，其中：i＝0，1，…N，tL表示相机的采样时间，P_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值；

步骤四：上位机将焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})对应的采样时间tL依次代入焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线以获取焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，其中：i＝0,1，…N，tL表示相机的采样时间，P’_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值；

步骤五：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})及对应的焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，上位机计算出{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵

步骤六：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})及{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵上位机计算出焊缝特征点在{Base}坐标系下的修正坐标

步骤七：基于焊缝特征点在{Base}坐标系下的N+1个修正坐标(Base,tR,P”_{seam_i})，上位机调用曲线拟合算法拟合出焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线；

步骤八：释放示教器，启动焊缝自动跟踪，基于焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线计算出下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标并发送至机器人控制器，机器人控制系统控制焊枪移动至所述下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标以实现自动焊缝跟踪；

步骤九：当焊枪移动至下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标位置后，机器人控制系统对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标及焊枪在

{Base}坐标系下的位姿进行再次采样并将采样值发送给上位机以获取焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标；相机对焊缝进行再次拍照采样并上传给上位机以获取当前焊缝特征点在{Base}坐标系下的实际修改坐标；机器人控制系统控制焊枪端点移动至当前焊缝特征点。

进一步的，所述步骤三中的所述曲线拟合算法为贝塞尔曲线拟合算法，所述焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线为：其中：i＝0,1，…N，P_{TCP_j}表示第i次采样对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标值。

进一步的，所述步骤七中的所述曲线拟合算法为贝塞尔曲线拟合算法，所述焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线为：其中：i＝0,1，…N，P″_{seam_j}表示第i次采样对应的焊缝特征点在{Base}下的修正坐标值。

进一步的，所述焊缝特征点为焊缝与激光器发出的平面光束之间的交点，所述激光器安装在机器人法兰盘上。

进一步的，机器人控制系统以4ms的时间间隔对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,PKFC_i)及焊枪在{Base}坐标系下的即时位姿进行五次连续采样。

与现有技术相比，本发明消除了焊缝特征点的坐标采集时间相对于焊枪端点的坐标采集时间的延迟，从而保证了焊枪端点与焊缝之间的准确协同，实现了焊缝的自动精确跟踪。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。其中：

图1为具备视觉焊缝自动跟踪功能的工业焊接机器人的结构示意图；

图2为本发明的焊缝自动跟踪方法的原理示意图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

参考图1及图2，在一个具体实施例中，本发明提供的工业机器人焊缝自动跟踪方法的具体步骤如下：

步骤一：调整焊接机器人至适当的空间位置，使得安装在机器人末端的焊枪2的端点能够接触工件上的目标焊缝5并沿焊缝5自由移动；

步骤二：建立两个参考坐标系，{Base}坐标系为机器人坐标系，{Base}坐标系的位置在机器人的基座(未图示)上，其位姿固定；{TCP}坐标系为焊枪端点坐标系，其位置位于焊枪2的端点，姿态由机器人内部确定。

本发明的主要任务之一就是建立{Base}坐标系与{TCP}坐标系之间的联系，即建立{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵

步骤三：启动焊缝预跟踪，经示教器控制焊枪端点按预定轨道沿焊缝5起始段移动。

所述预定轨道并不必须与焊缝的起始段完全重合，但应保证，预跟踪过程中所述焊枪端点始终处于安装在机器人法兰盘上的相机的视场内。当然，在一些具体实施例中，也可以不使用示教器，而是使用上位机控制等其他控制方式控制焊枪端点按着预定轨迹移动以完成焊缝预跟踪。

预跟踪过程中，机器人控制系统每隔4ms采样一次机器人法兰盘1的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪2在{Base}坐标系下的时位姿并发送给上位机，上位机基于法兰盘1的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪2在{Base}坐标系下的位姿计算出焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，其中：tR表示机器人控制系统的采样时间，P_{KFC_i}为机器人控制系统第i次采样获取的法兰盘1的中心点在{Base}坐标系下的坐标值，P_{TCP_i}为机器人控制系统第i次采样对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标值。

由于焊枪2为圆柱状刚体，其在{Base}坐标系下的位姿可以用焊枪2的根部的坐标值及焊枪的轴线矢量(Base,tR,a(L),b(L),C(L))表示，其中：L为焊枪2的长度，而焊枪2根部的坐标与机器人法兰盘1的中心点的坐标重合。因此，上位机可以通过下述公式计算出焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标：

(Base,tR,P_{TCP_i})＝(Base,tR,P_{KFC_i})+(Base,tR,a(L),b(L),C(L))。

本实施例中，预跟踪阶段，机器人控制系统连续五次对机器人法兰盘1的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})进行采样，上位机基于采样值计算出对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的五个连续的坐标(Base,tR,P_{TCP_i)}，其中：i＝0,1，…4，

基于上述五个焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，上位机调用贝塞尔曲线拟合算法对焊枪端点在{Base}坐标系下的当前移动曲线进行拟合，得到如下拟合曲线：其中：i＝0,1，…4。

同步地，机器人控制系统每完成一次采样，安装在机器人法兰盘1上的相机3对焊缝5进行采样并上传给上位机，上位机调用三维测量算法获取焊缝特征点(焊缝与线性激光的交叉点)在{TCP}坐标系下的坐标(TCP，tL，P_{seam_i})，其中：i＝0,1，…4，tL表示相机的采样时间，P_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值。

步骤四：上位机将焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})中对应的采样时间tL依次代入焊枪端点在{Base}坐标系下的移动曲线：

中，即能获得焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，其中：i＝0,1，…4，tL表示相机的采样时间，P’_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值。

步骤五：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})及焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，上位机计算出{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵

步骤六：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP，tL，P_{seam_i})及位姿变换矩阵上位机计算出焊缝特征点在{Base}坐标系下的修正坐标

(Base,tR,P”_{seam_i})，以消除焊枪端点坐标采样时间与焊缝特征点的采样时间之间的时间延迟对焊缝跟踪精度造成的影响，其中：

步骤七：基于焊缝特征点在{Base}坐标系下的修正坐标(Base,tR,Pseam_i)，上位机调用贝塞尔曲线拟合算法拟合出焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线：

步骤八：释放示教器，启动焊缝自动跟踪，基于焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线计算出下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标并发送至机器人控制器，机器人控制系统控制焊枪移动至所述下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标以实现自动焊缝跟踪。

步骤九：当焊枪2移动至下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标位置后，机器人控制系统对机器人法兰盘1的中心点在{Base}坐标系下的坐标及焊枪2在{Base}坐标系下的位姿进行再次采样并将采样值发送给上位机以获取焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标；相机3对焊缝进行拍照采样并将采样值上传给上位机以获取当前焊缝特征点在{Base}坐标系下的实际修正坐标；基于焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标及当前焊缝特征点在{Base}坐标系下的实际修正坐标，机器人控制系统控制焊枪端点移动至当前焊缝特征点。

随后，基于包括当前焊缝特征点在内的五个最近的缝特征点在{Base}坐标系下的修正坐标，上位机调用贝塞尔曲线拟合算法重新拟合焊缝在{Base}坐标系下的当前轨迹曲线以实现下一个焊缝特征点的坐标预测与跟踪，直至焊枪移动至焊缝5的末端。

为了进一步展示本发明的算法原理，请继续参考图2所示，其进一步展示了本实施例中的焊缝自动跟踪方法的实施原理：

1、启动焊缝预跟踪，控制焊枪端点按预定轨道沿着焊缝5起始段移动，获取五个焊缝特征点P0、P1、P2、P3、P4(均位于焊缝5上)，其中P0为焊缝5的起始点。

2、启动自动跟踪阶段，基于P0、P1、P2、P3、P4，上位机调用贝塞尔曲线拟合算法拟合出焊缝5在{Base}坐标系下的当前轨迹曲线。

3、基于当前轨迹曲线，上位机对第六个焊缝特征点的坐标位置进行预测，预测的坐标位置为P5’，P5’与焊缝5之间存在一定的偏移量。

4、焊枪端点从P4移动至P5’后，相机对焊缝5拍照采样以获取第六个焊缝特征点的真实坐标位置P5，焊枪端点移动至P5以完成跟踪路径的修正。

5、基于P1、P2、P3、P4、P5，上位机调用贝塞尔曲线拟合算法拟合出焊缝5在{Base}坐标系下的当前轨迹曲线。

6、基于当前轨迹曲线，上位机对第七个焊缝特征点的坐标位置进行预测，其预测坐标为P6’，P6’与焊缝5之间存在一定的偏移量。

7、焊枪端点从P5移动至P6’后，相机对焊缝5拍照以获取第七个焊缝特征点的真实坐标位置P6，焊枪端点移动至P6以完成跟踪路径的修正。

继续执行上述跟踪过程，直至焊枪端点移动至焊缝5的末端，自动跟踪焊接结束。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (5)

1.一种工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其包括如下步骤：

步骤一：调整焊接机器人至适当的空间位置，使得安装在机器人末端的焊枪的端点能够接触工件上的目标焊缝并沿焊缝自由移动；

步骤二：建立两个参考坐标系，{Base}坐标系为机器人坐标系，{Base}坐标系的位置在机器人的基座上，其位姿固定；{TCP}坐标系为焊枪端点坐标系，其位置位于焊枪的端点，姿态由机器人内部确定；

步骤三：启动焊缝预跟踪，控制焊枪端点按预定轨道沿着焊缝的起始段移动，移动过程中，机器人控制系统以预定时间间隔对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪在{Base}坐标系下的位姿进行N+1次连续采样并将采样值发送给上位机，上位机基于法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{KFC_i})及焊枪在{Base}坐标系下的位姿计算出焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，其中：i＝0，1，…N，tR表示机器人控制系统的采样时间，P_{KFC_i}为机器人控制系统第i次采样获取的法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标值，P_{TCP_i}为机器人控制系统第i次采样对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标值；

基于焊枪端点在{Base}坐标系下的连续N+1个坐标(Base,tR,P_{TCP_i})，上位机调用曲线拟合算法拟合出焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线；

同步地，机器人控制系统每完成一次采样，安装在机器人法兰盘上的相机对焊缝进行拍照采样并上传给上位机，上位机采用三维测量算法获取焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})，其中：i＝0，1，…N，tL表示相机的采样时间，P_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值；

步骤四：上位机将焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})对应的采样时间tL依次代入焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线以获取焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，其中：i＝0,1，…N，tL表示相机的采样时间，P’_{seam_i}表示相机第i次采样获取的焊缝特征点的坐标值；

步骤五：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})及对应的焊缝特征点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tL,P’_{seam_i})，上位机计算出{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵

步骤六：基于焊缝特征点在{TCP}坐标系下的坐标(TCP,tL,P_{seam_i})及{TCP}坐标系至{Base}坐标系的位姿变换矩阵上位机计算出焊缝特征点在{Base}坐标系下的修正坐标

步骤七：基于焊缝特征点在{Base}坐标系下的N+1个修正坐标(Base,tR,P”_{seam_i})，上位机调用曲线拟合算法拟合出焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线；

步骤八：释放示教器，启动焊缝自动跟踪，基于焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线计算出下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标并发送至机器人控制器，机器人控制系统控制焊枪移动至所述下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标以实现自动焊缝跟踪；

步骤九：当焊枪移动至下一个焊缝特征点在{Base}坐标下的预测坐标位置后，机器人控制系统对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标及焊枪在{Base}坐标系下的位姿进行再次采样并将采样值发送给上位机以获取焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标；相机对焊缝进行再次拍照采样并上传给上位机以获取当前焊缝特征点在{Base}坐标系下的实际修改坐标；机器人控制系统控制焊枪端点移动至当前焊缝特征点。

2.如权利要求1所述的工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其特征在于：

所述步骤三中的所述曲线拟合算法为贝塞尔曲线拟合算法，所述焊枪端点在{Base}坐标系下的移动轨迹曲线为：其中：i＝0,1，…N，P_{TCP_j}表示第i次采样对应的焊枪端点在{Base}坐标系下的坐标值。

3.如权利要求1所述的工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其特征在于：所述步骤七中的所述曲线拟合算法为贝塞尔曲线拟合算法，所述焊缝在{Base}坐标系下的轨迹曲线为：其中：i＝0,1，…N，P″_{seam_i}表示第i次采样对应的焊缝特征点在{Base}下的修正坐标值。

4.如权利要求1所述的工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其特征在于：

所述焊缝特征点为焊缝与激光器发出的平面光束之间的交点，所述激光器安装在机器人法兰盘上。

5.如权利要求1所述的工业焊接机器人焊缝自动跟踪方法，其特征在于：机器人控制系统以4ms的时间间隔对机器人法兰盘的中心点在{Base}坐标系下的坐标(Base,tR,PKFC_i)及焊枪在{Base}坐标系下的即时位姿进行五次连续采样。