CN111299929B - 一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法 - Google Patents

一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，包括焊接机器人，按照以下步骤实现：步骤S1：搭建硬件环境；步骤S2：建立坐标系；步骤S3：根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心
Figure DEST_PATH_IMAGE002
坐标(
Figure DEST_PATH_IMAGE004
)；步骤S4：根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心
Figure DEST_PATH_IMAGE006
坐标(
Figure DEST_PATH_IMAGE008
)；步骤S5：使用空间向量计算出姿态，补偿给原工具TCP姿态，然后调整工具的姿态；步骤S6：使焊接机器人TCP绕传感器坐标系原点以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE010
‑
Figure DEST_PATH_IMAGE012
等于（0，0，0）；步骤S7：计算出偏移量，反馈到焊接机器人内部即可实现TCP自动校正。采用高精度传感器进行非接触式测量，可以准确地实现工具坐标系的测量与校准，减少了校准的时间，提高测量结果的准确性和焊接运动轨迹精度。

Description

一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法
技术领域
本发明涉及工业焊接机器人技术领域，特别是一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法。
背景技术
现代的工业生产过程，焊接机器人工具坐标系工具在工作时，会不可避免地与工件碰撞，而使焊接机器人工具坐标系工具发生偏移。例如：在弧焊、点焊、装配、涂胶工作过程中，焊接机器人末端工具会与工件紧密接触的应用场合，工装夹具磨损、碰撞倾斜的因素会导致工具的位姿发生变化，导致焊机、涂胶机等末端工具与工件发生碰撞，焊接机器人工具坐标系工具的TCP发生偏移，致使轨迹走偏，无法满足工艺要求，严重影响焊接或涂胶质量。传统的焊接机器人焊枪测量与校准方法需要人工参与，效率较低，精度也受操作人员熟练度和人眼分辨率的影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，准确地实现工具坐标系的测量与校准。
本发明实施例中采用以下方案实现：提供一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，按照以下步骤实现：
步骤S1：搭建硬件环境，将焊接机器人与第一光纤传感器、第二光纤传感器、控制器连接，确保能够正常通讯；将第一光纤传感器与第二光纤传感器安装在同一平面上；
步骤S2：建立坐标系，以第一光纤传感器、第二光纤传感器的射线交叉点为原点构建的传感器坐标系OSXSYSZS，Xs轴、Ys轴、Zs轴方向与焊接机器人根坐标系方向一致；以焊接机器人的A6法兰中心建立工具坐标系OeXeYeZe，Xe轴与Xs轴方向一致，Ye轴与Ys轴方向相同，Ze轴与Zs轴方向相反；以工具末端的TCP为原点，即工具中心点为原点，建立原工具坐标系Oe1Xe1Ye1Ze1，轴方向分别为Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴，Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴方向与A6法兰中心的工具坐标系Xe轴、Ye轴、Ze轴方向一致；
步骤S3：进行在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人的A6法兰从原位置P1沿Zs轴向下运动距离Δz1，保证将工具进入测量平面中，与平面的交点记为P3，该测量平面的法向与校准传感器的Zs轴方向一致，焊接机器人带动工具在测量平面内做匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心O1坐标(dx1，dy1)；
步骤S4：在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人A6法兰沿Zs轴向下运动距离Δz2(Δz2＞Δz1)，工具与测量平面交点记为P2，焊接机器人带动工具以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心O2坐标(dx2，dy2)；
步骤S5：如图4所示，P2、P3、O1、O2四点的连线组成的封闭图形P2P3O1O2的是一个平行四边形，工具主轴方向P3P1在坐标系OSXSYSZS下的方向向量为：
P3P1＝P3P2+P2P1＝P2P1+O1O2＝(0，0，Δz2)+(dx2-dx1，dy2-dy1，0)＝(dx2-dx1，dy2-dy1，Δz2).
由于Ze与Zs轴方向相反，因此P3P1在坐标系OeXeYeZe下的方向向量为：
P3P1＝(dx2-dx1，dy2-dy1，-Δz2)＝(Δx，Δy，Δz)
使用空间向量计算出姿态，补偿给原工具末端TCP姿态，然后调整工具的姿态，调成垂直传感器坐标系XSOSYS平面状态；
步骤S6：调整工具TCP方向平行于传感器坐标系Z轴；在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人TCP绕传感器坐标系原点以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，根据记录的时间计算出轨迹圆心O3坐标(dx3，dy3)；在传感器坐标系OSXSYSZS中，控制焊接机器人TCP沿x轴反向移动dx3，沿y轴反向移动dy3，绕Os做匀速圆周运动，计算出其运动轨迹的圆心O4，判断O4-OS是否等于(0，0，0)，若相等，工具末端TCP在XS、YS轴上的偏移量为(dx-dx3，dy-dy3)，若不相等，则需要重复绕做匀速圆周运动，直至其OX-OS等于(0，0，0)；
步骤S7：在传感器坐标系OSXSYSZS下，焊接机器人控制TCP，沿XS轴移动碰到光纤传感器射线停止，沿ZS轴上升h1，再沿ZS轴向下移动，下降至碰到光纤传感器射线，下降高度记为dz3，回到原位置，计算出偏移量：
(Δx1，Δy1，Δz1)＝(dx-dx3，dy-dy3，dz-dz3)
在机器人末端执行器未被撞歪时，在A6法兰的工具中心坐标系OeXeYeZe下，读取法兰中心坐标与工具末端TCP坐标，分别记录下这时A6法兰中心相对于工具末端TCP的Xe轴、Ye轴、Ze轴的距离dx、dy、dz及工具姿态；至此，完成焊接机器人TCP的新姿态与位置测量计算，反馈到焊接机器人内部即可实现TCP自动校正。
本发明一实施中，所述步骤S2中，所述第一光纤传感器需要与所述第二光纤传感器垂直相交，所述第一光纤传感器方向为传感器坐标系X轴方向，所述第二光纤传感器方向为传感器坐标系Y轴方向，Z轴垂直于XOY平面交于O，从而构建所述传感器坐标系OSXSYSZS；传感器坐标系OSXSYSZS下，以OS原点为球心构建半径为R的球形有效检测范围，保证有效检测范围内所有空间点处于焊接机器人的可达范围。
本发明的有益效果：本发明提供一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，采用高精度传感器进行非接触式测量，可以准确地实现工具坐标系的测量与校准，减少了校准的时间，提高测量结果的准确性和焊接运动轨迹精度。
附图说明
图1是六轴串联式焊接机器人的测量校正坐标系建立的示意图。
图2是校准传感器示意图。
图3是工具偏移后的圆心示意图。
图4是十字交叉激光法步骤S3和步骤S4坐标系和运动轨迹示意图
图5是调回姿态运动示意图。
图6是调整圆心后运动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
请参阅图1至图6，本发明提供一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，按照以下步骤实现：
步骤S1：搭建硬件环境，将焊接机器人与第一光纤传感器、第二光纤传感器、控制器连接，确保能够正常通讯；将第一光纤传感器与第二光纤传感器安装在同一平面上；
步骤S2：建立坐标系，以第一光纤传感器、第二光纤传感器的射线交叉点为原点构建的传感器坐标系OSXSYSZS，Xs轴、Ys轴、Zs轴方向与焊接机器人根坐标系方向一致；以焊接机器人的A6法兰中心建立工具坐标系OeXeYeZe，Xe轴与Xs轴方向一致，Ye轴与Ys轴方向相同，Ze轴与Zs轴方向相反；以工具末端的TCP为原点，即工具中心点为原点，建立原工具坐标系Oe1Xe1Ye1Ze1，轴方向分别为Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴，Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴方向与A6法兰中心的工具坐标系Xe轴、Ye轴、Ze轴方向一致；
步骤S3：进行在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人的A6法兰从原位置P1沿Zs轴向下运动距离Δz1，保证将工具进入测量平面中，与平面的交点记为P3，该测量平面的法向与校准传感器的Zs轴方向一致，焊接机器人带动工具在测量平面内做匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心O1坐标(dx1，dy1)；
步骤S4：在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人A6法兰沿Zs轴向下运动距离Δz2(Δz2＞Δz1)，工具与测量平面交点记为P2，焊接机器人带动工具以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心O2坐标(dx2，dy2)；
步骤S5：如图4所示，P2、P3、O1、O2四点的连线组成的封闭图形P2P3O1O2的是一个平行四边形，工具主轴方向P3P1在坐标系OSXSYSZS下的方向向量为：
P3P1＝P3P2+P2P1＝P2P1+O1O2＝(0，0，Δz2)+(dx2-dx1，dy2-dy1，0)＝(dx2-dx1，dy2-dy1，Δz2).
由于Ze与Zs轴方向相反，因此P3P1在坐标系OeXeYeZe下的方向向量为：
P3P1＝(dx2-dx1，dy2-dy1，-Δz2)＝(Δx，Δy，Δz).
使用空间向量计算出姿态，补偿给原工具TCP姿态，然后调整工具的姿态，调成垂直传感器坐标系XSOSYS平面状态；
步骤S6：如图5所示，调整工具TCP方向平行于传感器坐标系Z轴；在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人TCP绕传感器坐标系原点以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，根据记录的时间计算出轨迹圆心O3坐标(dx3，dy3)；如图6所示，在传感器坐标系OSXSYSZS中，控制焊接机器人TCP沿x轴反向移动dx3，沿y轴反向移动dy3，绕Os做匀速圆周运动，计算出其运动轨迹的圆心O4，判断O4-OS是否等于(0，0，0)，若相等，工具末端TCP在XS、YS轴上的偏移量为(dx-dx3，dy-dy3)，若不相等，则需要重复绕做匀速圆周运动，直至其OX-OS等于(0，0，0)；
步骤S7：在传感器坐标系OSXSYSZS下，焊接机器人控制TCP，沿XS轴移动碰到光纤传感器射线停止，沿ZS轴上升h1，再沿ZS轴向下移动，下降至碰到光纤传感器射线，下降高度记为dz3，回到原位置，计算出偏移量：
(Δx1，Δy1，Δz1)＝(dx-dx3，dy-dy3，dz-dz3)
在机器人末端执行器未被撞歪时，在A6法兰的工具中心坐标系OeXeYeZe下，读取法兰中心坐标与工具末端TCP坐标，分别记录下这时A6法兰中心相对于工具末端TCP的Xe轴、Ye轴、Ze轴的距离dx、dy、dz及工具姿态；至此，完成焊接机器人TCP的新姿态与位置测量计算，反馈到焊接机器人内部即可实现TCP自动校正。
请继续参阅图1，本发明一实施中，所述步骤S2中，所述第一光纤传感器需要与所述第二光纤传感器垂直相交，所述第一光纤传感器方向为传感器坐标系X轴方向，所述第二光纤传感器方向为传感器坐标系Y轴方向，Z轴垂直于XOY平面交于O，从而构建所述传感器坐标系OSXSYSZS；传感器坐标系OSXSYSZS下，以OS原点为球心构建半径为R的球形有效检测范围，保证有效检测范围内所有空间点处于焊接机器人的可达范围。
本发明具有以下工作原理：
如图2，定义平面XSOSYS为测量平面，机器人A6法兰垂直于测量平面，带动工具做半径为R的匀速圆周运动，角速度为ω；在机器人工具的运动范围内，控制器记录两束激光恰好被遮挡和恰好不被遮挡的时间t，以邻近的恰好被遮挡和恰好不被遮挡的时间的两个时间为1组，共有4组，求平均值，以组为单位运动轨迹可与XSOSYS坐标系存在4个交点，交点与圆心的连线的夹角分别为α，β，γ，δ，当运动轨迹的圆心恰为传感器坐标系原点Os时，这4个角均为90°；当机器人的工具发生偏移时，工具末端在测量平面内圆周运动的圆心也将偏离原点Os，因而α，β，γ，δ不再是90°。由于机器人运动的角速度仍然为ω，半径为R，可根据控制器系统接收到两条激光被遮挡的时间间隔求出该夹角的大小，在保证获取数据准确的情况下，机器人携带工具可以运动3至4圈，取第二圈的数据进行运算：
α＝ω.(t2-t1)
β＝ω.(t3-t2)
γ＝ω.(t4-t3)
δ＝2π-α-β-γ
根据α，β，γ，δ的值计算轨迹圆心到XS轴的距离dy和到Ys轴的距离dx，即圆心在测量平面XSOSYS下的坐标O为(dx，dy)：
Figure GDA0003216941080000061
Figure GDA0003216941080000062
在机器人末端执行器未被撞歪时，在A6法兰中心坐标系OeXeYeZe下，读取A6法兰中心坐标与工具末端TCP坐标，分别记录下这时A6法兰中心相对于工具末端TCP的Xe轴、Ye轴、Ze轴的距离dx、dy、dz及工具姿态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能理解为对本申请的限制，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，包括焊接机器人，其特征在于：按照以下步骤实现：
步骤S1：搭建硬件环境，将焊接机器人与第一光纤传感器、第二光纤传感器、控制器连接，确保能够正常通讯；将第一光纤传感器与第二光纤传感器安装在同一平面上；
步骤S2：建立坐标系，以第一光纤传感器、第二光纤传感器的射线交叉点为原点构建的传感器坐标系OSXSYSZS，Xs轴、Ys轴、Zs轴方向与焊接机器人根坐标系方向一致；以焊接机器人的A6法兰中心建立工具坐标系OeXeYeZe，Xe轴与Xs轴方向一致，Ye轴与Ys轴方向相同，Ze轴与Zs轴方向相反；以工具末端的TCP为原点，即工具中心点为原点，建立原工具坐标系Oe1Xe1Ye1Ze1，轴方向分别为Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴，Xe1轴、Ye1轴、Ze1轴方向与A6法兰中心的工具坐标系Xe轴、Ye轴、Ze轴方向一致；
步骤S3：在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人的A6法兰从原位置P1沿Zs轴向下运动距离Δz1，保证将工具进入测量平面中，与平面的交点记为P3，该测量平面的法向与校准传感器的Zs轴方向一致，焊接机器人带动工具在测量平面内做角速度为ω、半径为R的匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间t计算出轨迹圆心O1坐标(dx1，dy1)；
步骤S4：在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人的A6法兰沿Zs轴向下运动距离Δz2(Δz2＞Δz1)，工具与测量平面交点记为P2，焊接机器人带动工具以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，回到原位置，根据控制器记录的时间计算出轨迹圆心O2坐标(dx2，dy2)；
步骤S5：P2、P3、O1、O2四点的连线组成的封闭图形P2P3O1O2的是一个平行四边形，工具主轴方向P3P1在坐标系OSXSYSZS下的方向向量为：
P3P1＝P3P2+P2P1＝P2P1+O1O2＝(0，0，Δz2)+(dx2-dx1，dy2-dy1，0)＝(dx2-dx1，dy2-dy1，Δz2)
由于Ze与Zs轴方向相反，因此P3P1在坐标系OeXeYeZe下的方向向量为：
P3P1＝(dx2-dx1，dy2-dy1，-Δz2)＝(Δx，Δy，Δz)
使用空间向量计算出姿态，补偿给原工具TCP姿态，然后调整工具的姿态，调成垂直传感器坐标系XSOSYS平面状态；
步骤S6：调整工具TCP方向平行于传感器坐标系Z轴；在传感器坐标系OSXSYSZS中，使焊接机器人TCP绕传感器坐标系原点以相同的角速度与半径做匀速圆周运动，根据记录的时间计算出轨迹圆心O3坐标(dx3，dy3)；在传感器坐标系OSXSYSZS中，控制焊接机器人工具末端TCP沿x轴反向移动dx3，沿y轴反向移动dy3，绕0s做匀速圆周运动，计算出其运动轨迹的圆心O4，判断O4-OS是否等于(0，0，0)，若相等，工具末端TCP在XS、YS轴上的偏移量为(dx-dx3，dy-dy3)，若不相等，则需要重复绕做匀速圆周运动，直至其OX-OS等于(0，0，0)；
步骤S7：在传感器坐标系OSXSYSZS下，焊接机器人控制工具末端的TCP，沿XS轴移动碰到光纤传感器射线停止，沿ZS轴上升h1，再沿ZS轴向下移动，下降至碰到光纤传感器射线，下降高度记为dz3，回到原位置，计算出偏移量：
(Δx1，Δy1，Δz1)＝(dx-dx3，dy-dy3，dz-dz3)
在机器人末端执行器未被撞歪时，在A6法兰的工具中心坐标系OeXeYeZe下，读取法兰中心坐标与工具末端TCP坐标，分别记录下这时A6法兰中心相对于工具末端TCP的Xe轴、Ye轴、Ze轴的距离dx、dy、dz及工具姿态；至此，完成焊接机器人TCP的新姿态与位置测量计算，反馈到焊接机器人内部即可实现TCP自动校正。
2.根据权利要求1所述的一种自动测量与校正焊接机器人焊枪姿态的方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述第一光纤传感器需要与所述第二光纤传感器垂直相交，第一光纤传感器方向为传感器坐标系X轴方向，所述第二光纤传感器方向为传感器坐标系Y轴方向，Z轴垂直于XOY平面交于O，从而构建传感器坐标系OSXSYSZS；传感器坐标系OSXSYSZS下，以OS原点为球心构建半径为R的球形有效检测范围，保证有效检测范围内所有空间点处于焊接机器人的可达范围。
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