CN113618277B - 带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，包括以下步骤：S1、进行路径预处理，对给定的几何路径进行离散化并进行预处理；S2、解析焊接约束和目标函数，通过数学方式描述焊接过程中涉及到的约束以及对应的目标函数；S3、求解规划空间并搜索路径，基于可达性球对规划空间进行求解，并使用分层搜索树进行路径搜素。本发明通过对离线焊接过程中的约束进行数学分析，并基于可达性球来离散规划空间，能够在有限时间内给出路径可行解，当问题无解时，能够及时地终止算法。

Description

带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法

技术领域

本发明涉及机器人工程技术领域，尤其涉及带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法。

背景技术

在焊接领域中，通常需要借助焊接机器人来提高生产效率。现有的人工示教方式需要占用机器人且对操作者的技术要求高，对于某些复杂曲线来说，示教的难度大，焊接质量难以保证，生产效率低。通过仿真软件搭建焊接场景，借助离线编程中的路径规划模块，可以实现示教过程的自动化，避免人工示教的缺点。

离线焊接路径规划通常是根据图形学从仿真模型上获取工件的几何信息，几何信息包括焊缝的位置信息，焊缝相邻面信息等，基于该几何信息规划出机器人的运动路径，以满足焊接质量要求。影响焊接质量的因素有电流电压、送丝速度、工作角、行走角等，而一个因素的改变往往导致其他因素的同时改变。

在现有的焊接路径规划方法中，通常根据焊接要求给出机器人的理想焊接位姿，只能通过验证机器人运动在该路径上不与工件发生碰撞，来保证给出的理想位姿是满足要求的，一旦发生碰撞，则该路径是非法路径，由于没有提供冗余自由度进行路径的修正从而导致规划问题的无解。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，通过对离线焊接过程中的约束进行数学分析，并基于可达性球来离散规划空间，能够在有限时间内给出路径可行解，当问题无解时，能够及时地终止算法。

本发明采用以下技术方案来实现，带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，包括以下步骤：

S1、进行路径预处理，对给定的几何路径进行离散化并进行预处理；

S2、解析焊接约束和目标函数，通过数学方式描述焊接过程中涉及到的约束以及对应的目标函数；

S3、求解规划空间并搜索路径，基于可达性球对规划空间进行求解，并使用分层搜索树进行路径搜素。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过对离线焊接的约束进行解析，然后代入到带可达性球分层搜索树中，分层搜索树每一层的计算都借助可达性球，基于采样的方法从可达规划空间中获得满足约束的位形，当采样次数趋于无穷时，若问题有解，则必然能够找到可行解，满足概率完备性。

2、本发明通过对离线焊接过程中的约束进行数学分析，并基于可达性球来离散规划空间，能够在有限时间内给出路径可行解，当问题无解时，能够及时地终止算法。

3、本发明通用地解释了机器人焊接约束，并对其目标函数进行归一化。

4、本发明使用可达性球来离散空间某一点的所有可达位形，能够快速计算某一位置点对应的规划空间，当规划空间不存在可达位形时，算法立刻终止，能够及时反映出该问题是否有解。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是路径预处理示意图；

图3是焊接约束示意图；

图4是带可达性球分层搜索树示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，主要包括以下步骤：

S1、进行路径预处理，对给定的几何路径进行离散化并进行预处理；

S2、解析焊接约束和目标函数，通过数学方式描述焊接过程中涉及到的约束以及对应的目标函数；

S3、求解规划空间并搜索路径，基于可达性球对规划空间进行求解，并使用分层搜索树进行路径搜素。

如图2所示，本实施例中，步骤S1中路径预处理的具体步骤如下：

S11、将焊缝路径按照分辨率为1mm进行离散化获取焊缝离散点集P，按“以直代曲”的思路，在一定误差范围内使用多段直线取代焊缝曲线；

S12、从路径起始点P_i(i＝0)开始，获得当前路径点的切向量v_yi，从当前点往后开始取离散点P_j(j＞i)，计算离散点向量

得到两个向量之间的夹角为：

S13、将离散点P_j投影到向量v_yi得到投影点P_pj，计算离散点到投影点的误差距离s_err：

S14、控制误差距离小于给定值，即

s_err＜ε；

S15、将满足误差距离的离散点视为同一条直线上的点，无需作为规划点，可舍去，直到找到刚好不超过误差距离的离散点作为规划点，并以其作为下次搜索的起点，直到搜索到路径点的末端点。

如图3所示，本实施例中，步骤S2中解析焊接约束和目标函数的具体步骤如下：

S21、在焊缝上的路径点建立坐标系，以焊接点所在位置为坐标系原点p，以该焊缝点相邻面的法向量之和单位化作为坐标系Z轴，表示为：

其中，n₁和n₂为焊缝点相邻面的法向量；

S22、以焊缝在当前焊缝点出的切向量作为坐标系Y轴v_y，通过右手坐标系得到X轴v_x；设焊缝点坐标系的Z轴与焊板的夹角为最佳工作角θ_z，对于当前机器人位形q_r，通过正运动学求出其末端执行器负方向向量为：

v_w＝-v_rz＝-F_kz(q_r)

其中，v_rz为末端执行器Z轴方向向量；

S23、将该末端执行器负方向向量投影到焊缝点坐标系的XOZ平面上，得到：

其中，v_wp为末端执行器负方向向量的投影向量；R_p为焊缝点坐标系的旋转矩阵；S24、设机器人末端执行器的工作角为向量v_wp与焊板之间的夹角，通过限制机器人末端执行器的工作角的范围来作为焊接约束，用向量v_wp与向量v_z之间的夹角θ_e来衡量当前位形是否满足焊接约束，即

其中，θ_ε为限制机器人末端执行器的工作角的可调整范围；

S25、若满足焊接约束，用机器人末端执行器的工作角的变化量作为焊接代价函数，设机器人相邻两个路径点为q_i与q_i+1，对应的末端执行器Z轴投影向量为v_{wp_i}和v_{wp_i+1}，则相邻两点构成的局部路径LP_i的焊接目标函数为：

其中，θ_w为机器人相邻两个路径点对应的末端执行器Z轴投影向量之间的夹角角度值。

本实施例中，步骤S3中求解规划空间并搜索路径的具体步骤如下：

S31、求解规划空间，以当前规划点为球心放置可达性球，离散化当前位置的所有位形，并对其作碰撞检测、可达性检测、焊接约束判定，获得当前位置点对应的规划空间；

S32、搜索路径，如图4所示，为基于可达性球的分层搜索树，分层搜索树每一层的建立通过从规划空间中进行采样，并根据焊接目标函数从上一层中选择代价最小的父节点作为扩展起始点，根据搜索树最大步长以当前层的节点作为扩展终止点，进行树的扩展，扩展过程中对机器人位形进行约束判定，若满足所有约束，则扩展成功，搜索树持续进行搜索扩展直到最后一层。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、进行路径预处理，对给定的几何路径进行离散化并进行预处理；

S2、解析焊接约束和目标函数，通过数学方式描述焊接过程中涉及到的约束以及对应的目标函数；

S3、求解规划空间并搜索路径，基于可达性球对规划空间进行求解，并使用分层搜索树进行路径搜素；

步骤S1中路径预处理的具体步骤如下：

S11、将焊缝路径进行离散化获取焊缝离散点集P，在误差范围内使用多段直线取代焊缝曲线；

S12、从路径起始点P_i(i＝0)开始，获得当前路径点的切向量v_yi，从当前点往后开始取离散点P_j(j＞i)，计算离散点向量

得到两个向量之间的夹角为：

S13、将离散点P_j投影到向量v_yi得到投影点P_pj，计算离散点到投影点的误差距离s_err：

S14、控制误差距离小于给定值，即

s_err＜ε；

S15、将满足误差距离的离散点作为同一条直线上的点，获取不超过误差距离的离散点作为规划点，并以其作为下次搜索的起点，直到搜索到路径点的末端点。

2.根据权利要求1所述的带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，其特征在于，步骤S2中解析焊接约束和目标函数的具体步骤如下：

S21、在焊缝上的路径点建立坐标系，以焊接点所在位置为坐标系原点p，以该焊缝点相邻面的法向量之和单位化作为坐标系Z轴，表示为：

其中，n₁和n₂为焊缝点相邻面的法向量；

S22、以焊缝在当前焊缝点出的切向量作为坐标系Y轴v_y，通过右手坐标系得到X轴v_x；设焊缝点坐标系的Z轴与焊板的夹角为最佳工作角θ_z，对于当前机器人位形q_r，通过正运动学求出其末端执行器负方向向量为：

v_w＝-v_rz＝-F_kz(q_r)

其中，v_rz为末端执行器Z轴方向向量；

S23、将该末端执行器负方向向量投影到焊缝点坐标系的XOZ平面上，得到：

其中，v_wp为末端执行器负方向向量的投影向量；R_p为焊缝点坐标系的旋转矩阵；

S24、设机器人末端执行器的工作角为向量v_wp与焊板之间的夹角，通过限制机器人末端执行器的工作角的范围来作为焊接约束，用向量v_wp与向量v_z之间的夹角θ_e来衡量当前位形的焊接约束，即

其中，θ_ε为限制机器人末端执行器的工作角的可调整范围；

S25、若满足焊接约束，用机器人末端执行器的工作角的变化量作为焊接代价函数，设机器人相邻两个路径点为q_i与q_i+1，对应的末端执行器Z轴投影向量为v_{wp_i}和v_{wp_i+1}，则相邻两点构成的局部路径LP_i的焊接目标函数为：

其中，θ_w为机器人相邻两个路径点对应的末端执行器Z轴投影向量之间的夹角角度值。

3.根据权利要求1所述的带可达性球分层搜索树的焊接机器人离线焊接路径规划方法，其特征在于，步骤S3中求解规划空间并搜索路径的具体步骤如下：

S31、求解规划空间，以当前规划点为球心放置可达性球，离散化当前位置的所有位形，并对其作碰撞检测、可达性检测、焊接约束判定，获得当前位置点对应的规划空间；

S32、搜索路径，分层搜索树每一层的建立通过从规划空间中进行采样，并根据焊接目标函数从上一层中选择代价最小的父节点作为扩展起始点，根据搜索树最大步长以当前层的节点作为扩展终止点，进行树的扩展，扩展过程中对机器人位形进行约束判定，若满足所有约束，则扩展成功，搜索树持续进行搜索扩展直到最后一层。

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