CN114043087A - 一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其包括步骤：(a)约定TCP坐标系并手眼标定；(b)输入预设轨迹；(c)把传感器特征点坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；(d)构建参考球面；(e)通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；(f)结合焊缝类型和姿态方向向量，规划机器人姿态。本发明通过设置预设轨迹，在跟踪采样过程中分析当前采样点和预设轨迹的位置关系提前预测传感器采样点处的机械臂姿态，提供了应用于eye‑in‑hand模式的线激光传感器激光焊接焊缝跟踪系统的实时规划姿态解决方案，可以用于实现多种三维异形轨迹的焊缝跟踪。

Description

一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法

技术领域

本发明属于机器人焊接技术领域，尤其涉及一种基于线激光采样的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法。

背景技术

在机器人焊接领域针对工件定位误差和焊接过程的热形变的问题多采用线激光传感器实时跟踪焊接解决，这类解决方案中普遍采用eye-in-hand模式即线激光传感器和激光焊接头同轴安装与机械臂末端的构形，焊接时机械臂带动传感器和激光焊接头沿着焊缝运动，同步完成采样和焊接，在这个过程中机械臂姿态必须满足传感器对焊缝的采样。因此在三维焊缝跟踪过程中，需要实时调整机器人的姿态来保证在焊接的同时对轨迹进行采样。

然而实际应用中传感器的采样位置需要前置于激光焊接头的焊接位置一段距离，这段距离称为前置距离，其存在的主要目的是为了防止弧光和火花对传感器采样的干扰，同时也为了提前采样运动轨迹方便机器人规划运动轨迹，但这导致了传感器采样和机器人运动之间存在一定的时间差，降低了系统的实时性，更重要的是这导致在三维异形焊缝的跟踪过程中，传感器和激光焊接头由于前置距离的存在会处于焊缝的不同位置，进而导致它们的运动方向不一致，因此传感器采样点处的姿态并不等价于该点处的轨迹切向量，倘若仅通过传感器进行反馈控制，由于线激光传感器仅能采样焊缝的局部特征，其获取的信息量很难满足三维跟踪过程对机器人姿态规划复杂要求，在没有先验信息的情况下很难及时调整机器人姿态，最终导致传感器在焊接过程中丢失对焊缝的采样。

此外，目前的商用工业机器人系统与外部系统的通信多以一种松耦合的方式实现，外部系统只需要提供简单的控制量即可控制机器人运动，但机器人内部的运动规划对外部系统来说是封闭的，这导致外部系统无法掌握发送指令的执行状态，因此对外部系统来说指令的输出和执行存在不确定性和滞后性，进一步降低了整个系统的实时性。

一篇申请号为202110366806.2的发明专利公开了一种基于视觉测量的智能控制焊接系统，该系统的动作执行模块包括用于携带焊枪移动和焊接操作的机器人，以及用于承载焊件的变位机；单目立体视觉测量模块包括第一工业相机、用于设置在焊件上以标识焊缝的标记发光条；所述线激光视觉传感器模块包括用于向焊件的焊接位点发射激光条纹的线激光发射器、摄像焦点正对激光条纹所照射焊接位点的第二工业相机；第一工业相机、第二工业相机、线激光发射器均安装在机器人的执行末端上；该系统的控制单元控制执行单元。该发明提出了基于模型和单目双工位立体视觉的两种焊缝粗定位方法，并采用预设轨迹进行焊缝跟踪，但是其需要采用双机位的方式进行焊缝跟踪，其中一个相机负责采样粗轨迹货期预设轨迹和另一台相机使线激光传感器，负责采样精细轨迹进行焊缝跟踪，但没有考虑前置距离对姿态的影响，无法解决前置距离带来的姿态规问题，因而无法实现精确跟踪。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为解决上述技术问题，本申请研发一种通过预先输入轨迹信息的三维焊缝跟踪的前馈姿态规划方法，实现对多种三维焊缝跟踪过程的姿态规划，并消除焊缝跟踪过程中检测位置与实际焊接位置之间的前置距离对其的影响，从而实现精确跟踪。

根据本申请的一个方面，提供一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，包括：

设置激光焊接头和传感器以eye-in-hand的模式固定于机器人的末端；所述传感器优选为线激光传感器，且传感器已经完成内外参数标定可直接输出线结构光上空间点在传感器坐标系中的坐标；在焊接过程中激光焊接头和传感器保持刚性的空间关系，且激光焊接头的焊接焦点与传感器的采样区域相差一定距离，该一定距离为前置距离；

机器人的始端底面处建立有机器人世界坐标系，机器人的末端建立有TCP坐标系，并对机器人进行手眼标定；

输入预设轨迹；所述预设轨迹是系统的前馈模型的参数，由线段和圆弧段根据焊接轨迹的预期焊接顺序首尾相连顺序排列组成，该预设轨迹近似拟合焊接轨迹；

跟踪时同步规划传感器采样点位置的机器人姿态：

把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；其中，传感器特征点就是传感器的采样点，也就是焊缝的特征点；实际运用时，根据轮廓线的具体形状来判断焊接的位置，假设焊缝内角接的，那轮廓是V形的，则可以把这个V形的最低点作为焊缝的特征点；

构建参考球面：以传感器采样到的特征点为圆心，前置距离为半径构建一个参考球面；

通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；

结合焊缝类型和最佳姿态方向向量，规划机器人姿态。

其中，机器人姿态指TCP坐标系(即机器人末端执行器坐标系)在机器人世界坐标系下的表示矩阵

中[x y z]部分；姿态方向向量特指激光焊接头焦点指向传感器采样区域中心点的方向向量；前置距离特指激光焊接头距离传感器的距离。

传感器坐标系是具体指传感器采样区域的坐标系，其相对于相机是固定的。本发明是基于线激光传感器的，这种传感器是通过线机构光进行采样的，它会先向工件投射激光光幕，激光光幕会和工件表面相交形成一条交线，这条交线的形状相当于工件截面轮廓，传感器会读取这条交线图像并转换成物理坐标，这个物理坐标所在的坐标系就是传感器坐标系。

进一步的，对机器人进行手眼标定包括以下步骤：

(a1)设置机械臂TCP坐标系的原点为焊接焦点，X轴方向由焊接焦点指向传感器采样中心点，Z轴方向与激光出光方向同向，Y轴方向向量为y＝z×x。

(a2)在机器人空间中指定一固定参考点，示教机器人姿态使传感器采样所述固定参考点，并分别记录该固定参考点在机器人TCP坐标系下和传感器坐标系下的坐标，重复示教不同姿态n(n≥4)次，则该固定参考点在TCP坐标系下的坐标集合为Q＝{q₁，q₂，...，q_n}，对应的传感器坐标系坐标集合为P＝{p₁，p₂，...，p_n}，通过奇异值分解确定表示eye-in-hand手眼关系的齐次变换仿射矩阵

进一步的，输入预设轨迹具体包括以下步骤：

(b1)从系统外部通过示教或文件导入的方式输入预设轨迹；

(b2)由于预设轨迹可能会存在死角(例如间距较小的平行焊缝)，需要通过模拟跟踪对预设轨迹进行初校验，判断此预设轨迹所代表的焊缝能否在焊接过程中在满足机器人姿态的约束条件，实现传感器对焊缝所有位置的顺序遍历。

(b3)根据模拟跟踪的结果，对焊缝进行分段焊接。

优选的，所述的步骤(b2)中所述的约束条件指焊接过程中传感器方向向量与预期采样点处的预设轨迹切向量夹角不大于90°，其中传感器方向向量特指传感器的运动方向。

优选的，所述的步骤(b2)中模拟跟踪指通过对预设轨迹离散化，以离散点为虚拟的采样点代入步骤(d)到(f)中模拟跟踪，同时把不满足约束条件的虚拟采样点记录为分割点的过程。

优选的，所述的步骤(b3)中对焊接过程进行分段是以(b2)所求分割点所在轨迹段的起点为断点对预设轨迹进行分割，每一段分割出的预设轨迹设为独立的焊接预设轨迹，在实际的焊接流程中以断点为参考对轨迹进行分段焊接。

优选的，把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中具体包括以下步骤：

(c1)从传感器器端获取当前采样特征点在传感器坐标系下的坐标[x_c 0 z_c 1]^T；

(c2)把步骤(a)求得的手眼仿射矩阵

代入式(c1-a)把特征点由传感器空间转换到机器人世界坐标系下；

其中，

表示机器人TCP坐标系至机器人世界坐标系的齐次变换，等价于当前机器人位姿矩阵

[x_c 0 z_c 1]^T为特征点在传感器空间中的齐次坐标，[x_w y_wz_w 1]^T为特征点在机器人世界坐标系中的齐次坐标。

优选的，所述构建参考球面具体包括以下步骤：

根据传感器采样区域大小和形状，获取采样区域中点距传感器坐标系原点的距离a，则TCP坐标系原点距采样区域中点距离为

即前置距离，其中d表示传感器坐标系原点与机器人TCP坐标系原点之间的距离；在获取当前特征点在机器人世界坐标系下的坐标(x₀，y₀，z₀)后，以传感器采样到的特征点为圆心，前置距离为半径构建一个参考球面，其表示方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝l²。

优选的，通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量，具体包括以下步骤：

(e1)定义轨迹段遍历范围m；

(e2)使第一指针指向上一次相交计算最佳交点对应的轨迹段，以第i段表示(若是首轮循环则i为0)；

(e3)使第二指针指向i+1段；

(e4)设置当前姿态方向向量和参考向量的夹角阈值γ，用于筛选不良姿态；

(e5)记录当前位姿的方向向量为参考向量；

(e6)计算当前参考球面和第二指针指向的轨迹段交点集合；

(e7)第二指针以i>i+1>i-1>i+2>…>i+m/2-1>i-m/2+1>i+m/2>i-m/2的优先级由近及远遍历范围内的轨迹段，并重复步骤(e6)，当遍历到参考球面与某一段轨迹存在交点后停止遍历，输出交点对应的方向向量；

(e8)计算当前方向向量与参考方向向量的夹角λ，若该段存在两个解则选择与参考向量夹角最小的那一个，并把当前姿态方向向量记录为参考向量，如果λ≥γ则返回步骤(e7)；

(e9)输出最佳姿态方向向量，如果最终没有求解出合适的姿态方向向量，则取参考向量为最佳姿态方向向量，第一指针加1，若第一指针超出边界则停止姿态规划。

优选的，步骤(e6)中所述的参考球面与轨迹段的交点(x，y，z)的模型为：

(e6-a)与直线段的交点：

(e6-b)与圆弧交点：

其中，(x′，y′，z′)为对参考球面和圆弧通过矩阵A齐次变换简化后的交点坐标，可通过[x y z 1]^T＝A^-1[x′ y′ z′ 1]^T还原到机器人世界坐标系下。

优选的，结合焊缝类型和姿态方向向量规划机器人姿态，具体包括以下步骤：

(f1)根据(a1)的约定，步骤(e)求取的姿态方向向量即为TCP坐标系的x轴向量x。

(f2)通过t＝x×V_b求取TCP坐标系y轴向量，其中V_b一般取世界坐标系xOy平面法向量，若x与世界坐标系xOy平面法向量平行则V_b根据需要取与x不共线的向量，最后通过z＝x×y求取TCP坐标系z轴向量。

(f3)使TCP坐标系绕x轴旋转来选取合适的焊接激光入射角σ，确定姿态在世界坐标系下的表示矩阵，完成机器人姿态规划。

优选的，所述的步骤(f3)中确定旋转角度的方式包括以下步骤：

(f3-1)判断是否是搭接或者角接，若是其他焊缝类型则手动设置入射角σ；

(f3-2)如果是搭接或者角接，由采样系统提供图像特征点附近工件左右板曲线切线夹角平分线；

(f3-3)计算角平分线在TCP坐标系yOz平面的投影向量z′，则当前TCP坐标系z轴通过绕x轴旋转σ度转换到投影向量z′；

(f3-4)最终，传感器采样点处的机器人位姿可表示为

其中t表示TCP坐标系原点在机器人世界坐标系中的位置，即传感器采样点在机器人世界坐标系下的坐标[x_w y_w z_w]^T，[x y z]为步骤(f-1)和(f-2)求取的TCP坐标系的基在机器人世界坐标系中的初始状态，RotX(σ)为表示绕x轴旋转σ角度的仿射矩阵。

本发明是一种前馈控制方法，与现有技术相比，其具有如下有益效果：

(1)以输入的预设轨迹为参考，在焊接过程中实时预测采样点处的姿态，控制焊缝跟踪系统在焊接过程中提前规划传感器姿态，通过在传感器采样特征点处构建以前置距离为半径的参考球面来计算球面和预设轨迹的交点，实现对机器人姿态的预估，使机器人在运动到采样点处时姿态能够保证传感器采样到后续的焊缝，实现对三维异形轨迹的跟踪焊接，解决了基于线激光传感器的焊缝跟踪过程中受前置距离的影响以及机器人姿态调整滞后等问题导致的传感器丢失焊缝采样的问题，且在满足约束条件的情况下，对于轨迹的类型没有严格的限制，具有较高的泛用性；

(2)提供绕x轴旋转的自由度用于选取合适的姿态，对于搭接和角接焊缝，可自适应调整激光的入射角度，满足了激光焊接对激光入射角的严格要求；

(3)由于姿态规划只与当前采样点和预设轨迹有关，因此该方法对前置距离及采样到运动执行过程的延迟没有严格要求，对上位机和机器人控制系统的耦合性要求也比较低，可应用于大多数商业或非商业的机器人控制系统。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是本发明实施例的6轴机械臂焊缝实时跟踪系统结构示意图；

图2是本发明实施例的线激光传感器和焊接头的安装示意图；

图3是本发明实施例的姿态规划流程图；

图4是本发明实施例的姿态规划过程中姿态择优算法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，该方法基于的系统包括6轴机械臂1、控制柜2、线激光传感器3、焊接机4、激光焊接头5、工控机6、焊接台7、安装支架9，工件8通过简易夹具固定于焊接台7上，线激光传感器4和激光焊接头5安装于安装支架8上，如图2所示，线激光传感器3安装于激光焊接头5运动方向前方一段距离。安装支架8安装于6轴机械臂法兰盘上。控制柜2负责机械臂1的运动控制，工控机6接收传感器的采样信息，向工控机2发送运动指令，同时控制焊接机4焊接。

在本发明示例中，工控机6采用Windows10操作系统，线激光传感器4采用博智慧达单线线激光焊缝轮廓传感器，视野范围为20mm*20mm，视野高度为100mm。焊接机4采用锐科750瓦光纤激光器。机器人1采用KUKA Kr5 Arc 6轴工业机械臂。

图2中，标号为C是指传感器采样中心点，标号为D是指激光焊接焦点，传感器采样区域中心点C与激光焊接焦点D之间的距离L即为前置距离。

如图3所示，本实例提供一种基于线激光采样的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，包括以下步骤：

在开始跟踪前设定系统状态：

(a)约定TCP坐标系并手眼标定；

(b)输入预设轨迹；

跟踪时同步规划传感器采样点位置的机器人姿态：

(c)把传感器特征点坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；

(d)构建参考球面；

(e)通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；

(f)结合焊缝类型和姿态方向向量，规划机器人姿态。

其中，机器人姿态指机器人末端执行器坐标系(即为TCP坐标系)在机器人世界坐标系下的表示矩阵

中[x y z]部分；姿态方向向量特指激光焊接头焦点指向传感器采样区域中心点的方向向量；前置距离特指激光焊接头距离传感器的距离。

其中，在开始焊接前的准备工作中需要通过步骤(a)确定手眼关系并约定机器人TCP坐标系和运动方向向量的关系，具体的，包括以下步骤：

(a1)为了以比较直观的方式规划机器人姿态，约定机械臂TCP坐标系原点为焊接焦点，X轴方向由焊接焦点指向传感器采样中心点，Z轴方向与激光出光方向同向，Y轴方向向量为y＝z×x。

(a2)通过奇异值分解求解TCP坐标系和传感器坐标系齐次变换的仿射矩阵

具体的，在步骤(a2)中求解TCP坐标系和传感器坐标系齐次变换的仿射矩阵

的方法包括以下步骤：

(a2-1)在机器人世界坐标系下示教一点为参考点。

(a2-2)示教机器人姿态，通过传感器采样参考点，分别记录此刻参考点在机器人TCP坐标系和传感器坐标系下的坐标，重复这个步骤n(n≥4)次，获得表示参考点在TCP坐标系下的集合Q＝{q₁，q₂，...，q_n}和对应的传感器参考坐标集合P＝{p₁，p₂，...p_n}。

(a2-3)通过对Q和P奇异值分解SVD(Q，P)＝U∑V^T＝＞R＝VU^T获取旋转矩阵R。

(a2-4)记

则表示偏移的向量

(a2-5)最终获取仿射矩阵

其中，TCP坐标系特指步骤a1设定的坐标系，其相对于焊枪是固定的。

在完成确定手眼变换关系后，需要通过(b)输入预设轨迹作为后续姿态规划的前馈参数。

具体的，预设轨迹是系统的前馈模型的参数，由线段和圆弧段根据焊接轨迹的预期焊接顺序首尾相连顺序排列组成，预设轨迹近似拟合焊接轨迹(以下所述的轨迹段特指直线段、圆弧段这类组成预设轨迹的单元)。

同时，输入预设轨迹是示教、或模型文件导入，以批量钣金焊接为例，我们可以在同一批次中拿一个出来，对其焊缝进行示教，得到的轨迹作为这一批次工件的预设轨迹，如果工件有模型，也可以通过CAD在模型上描出焊缝作为预设轨迹，把轨迹文档导出成DXF后用我们自己写的软件导入控制系统。

输入预设轨迹包括以下步骤：

(b1)从系统外部通过示教或文件导入的方式输入预设轨迹，以批量工件为例，可针对其中一个工件示教直线和圆弧运动，并以此示教结果作为整个批次工件的预设轨迹。

(b2)由于预设轨迹可能会存在死角(例如间距较小的平行焊缝)，需要通过模拟焊接对预设轨迹进行初校验，判断此预设轨迹所代表的焊缝能否在焊接过程中在满足机器人姿态的约束条件，实现传感器对焊缝所有位置的顺序遍历。

(b3)根据模拟跟踪的结果，对焊缝进行分段焊接。

具体的，步骤(b2)中所述的约束条件指焊接过程中传感器方向向量与预期采样点处的预设轨迹切向量夹角不大于90°，其中传感器方向向量特指传感器的运动方向，具体指上一次采样过程中预期的传感器采样点到本次采样过程中的预期的传感器采样点的向量。此外，模拟跟踪指通过对预设轨迹离散化，以离散点为虚拟的采样点代入步骤(d)到(f)中模拟跟踪，同时把不满足约束条件的虚拟采样点记录为分割点的过程。

具体的，步骤(b3)中对焊接过程进行分段是以(b2)所求分割点所在轨迹段的起点为断点对预设轨迹进行分割，每一段分割出的预设轨迹设为独立的焊接预设轨迹，在实际的焊接流程中以断点为参考对轨迹进行分段焊接。

至此，完成焊缝跟踪的预先输入设定，进入实际焊接过程的姿态调整过程：

首先，需要把传感器采样获取的特征点通过空间变换映射到机器人运动空间中，具体的，包括以下步骤：

(c1)从传感器器端获取当前采样特征点在传感器坐标系下的坐标[x_c 0 z_c 1]^T。

(c2)把步骤(a)求得的手眼仿射矩阵

代入式(c1-a)把特征点由传感器空间转换到机器人世界坐标系下。

其中，

表示机器人TCP坐标系至机器人世界坐标系的齐次变换，等价于当前机器人位姿矩阵

[x_c 0 z_c 1]^T为特征点在传感器空间中的齐次坐标，[x_w y_wz_w 1]^T为特征点在机器人世界坐标系中的齐次坐标。

在获得传感器采样的特征点在世界坐标系下的坐标后，构建用于姿态方向向量求解的参考球面，具体的，参见图4，包括以下步骤：

(d1)根据传感器采样区域大小和形状，获取采样区域中点距传感器坐标系原点的距离a，则TCP坐标系原点距采样区域中点距离为

即前置距离，其中d表示传感器坐标系原点与机器人TCP坐标系原点之间的距离。

(d2)在获取当前特征点在机器人世界坐标系下的坐标(x₀，y₀，z₀)后，以传感器采样到的特征点为圆心，前置距离为半径构建一个参考球面，其表示方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝l²。

之后，通过求取参考球面和预设轨迹的交点预估焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量，具体的，包括以下步骤：

(e1)为了提高计算速度，定义轨迹段遍历范围m；

(e2)使第一指针指向上一次相交计算最佳交点对应的轨迹段，以第i段表示(若是首轮循环则i为0)；

(e3)使第二指针指向i+1段；

(e4)设置当前姿态方向向量和参考向量的夹角阈值γ，用于筛选不良姿态。

(e5)记录当前位姿的方向向量为参考向量。

(e6)计算当前参考球面和第二指针指向的轨迹段交点的集合。

(e7)第二指针以i>i+1>i-1>i+2>…>i+m/2-1>i-m/2+1>i+m/2>i-m/2的优先级由近及远遍历范围内的轨迹段，并重复步骤(e6)，当遍历到参考球面与某一段轨迹存在交点后停止遍历，输出交点对应的方向向量；

(e8)计算当前方向向量与参考方向向量的夹角λ，若该段存在两个解则选择与参考向量夹角最小的那一个，并把当前姿态方向向量记录为参考向量，如果λ≥γ则返回步骤(e7)；

(e9)输出最佳姿态方向向量，如果最终没有求解出合适的姿态方向向量，则取参考向量为最佳姿态方向向量，第一指针加1，若第一指针超出边界则停止姿态规划。

其中，步骤(e6)参考球面与轨迹段的交点(x，y，z)的模型为：

(e6-a)与直线段的交点：

其中，b＝[b_x b_y b_z]^T为机器人世界坐标系原点指向线段起点的向量，v＝[v_x v_yv_z]^T为线段起点指向终点的向量，求式(d5-1-a)中k的解，最多可解得k₁，k₂两解，若0≤k≤1则参考球面和预设轨迹的交点为(x，y，z)＝(kv_x+b_x，kv_y+b_y，kv_z+b_z)；其他情况视为不相交。

(e6-b)与圆弧交点：

其中，为了方便计算，给圆弧所在三维空间指定一组xyz正交基，这组正交基指代的坐标系简称为圆弧坐标系，其中代表x轴的基为圆心指向圆弧起点的向量，z轴为圆弧所在平面的法向量，方向与圆弧绘制方向符合右手定则，y轴通过z轴和x轴的向量积确定。通过这一组新的基和圆弧所在圆的圆心坐标确定由机器人世界坐标系向圆弧坐标系变换的仿射矩阵A。变换后，圆弧上的点可表示为(x′，y′，z′)＝(rcosθ，rsinθ，0)，其中r表示圆弧所在圆的半径，θ为参考变量，圆弧坐标系下球面所在球的球心可由齐次坐标[x′₀ y′₀ z′₀1]T＝A[x₀ y₀ z₀ 1]^T表示。求式(e6-b)中θ的解，最多可得θ₁，θ₂两解，若0≤θ≤α，则参考球面和预设轨迹的交点为(x，y，z)＝(rcosθ，rsinθ，0)，其中α表示圆弧的角度；其他情况视为不相交。最后通过A的逆变换把在圆弧坐标系中表示的齐次坐标还原到机器人世界坐标系中，即[x y z 1]^T＝A^-1[x′ y′ z′ 1]^T。

在完成以上步骤后，需要通过步骤(f)根据姿态方向向量求解表示机器人姿态的其他参数。

具体的，步骤(f)包括以下步骤：

(f1)根据(a1)的约定，步骤(e)求取的姿态方向向量即为TCP坐标系的x轴向量x。

(f2)通过y＝x×V_b求取TCP坐标系y轴向量，其中V_b一般取世界坐标系xOy平面法向量，若x与世界坐标系xOy平面法向量平行则V_b根据需要取与x不共线的向量，最后通过z＝x×y求取TCP坐标系z轴向量。

(f3)使TCP坐标系绕x轴旋转来选取合适的焊接激光入射角σ，确定姿态在世界坐标系下的表示矩阵，完成机器人姿态规划。

具体的，步骤(f3)中确定旋转角度的方式包括以下步骤：

(f3-1)判断是否是搭接或者角接，若是其他焊缝类型则手动设置入射角σ；

(f3-2)如果是搭接或者角接，由采样系统提供图像特征点附近工件左右板曲线切线夹角平分线；

(f3-3)计算角平分线在TCP坐标系yOz平面的投影向量z′，则当前TCP坐标系z轴通过绕x轴旋转σ度转换到投影向量z′；

(f3-4)最终，传感器采样点处的机器人位姿可表示为

其中t表示TCP坐标系原点在机器人坐标系中的位置，即传感器采样点在世界坐标系下的坐标[x_wy_w z_w]^T，[x y z]为步骤(f-1)和(f-2)求取的TCP坐标系的基在世界坐标系中的初始状态，RotX(σ)为表示绕x轴旋转σ角度的仿射矩阵。

上述实施例提供了基于线激光采样的三维轨迹激光焊接实时跟踪焊接姿态规划方法，通过判断当前采样点和预设轨迹的位置关系，在传感器完成采样时同步预估该采样点处的机器人姿态，保证焊缝在跟踪过程中始终处于传感器的采样范围中，解决了针对异形三维轨迹的焊缝跟踪过程，在系统实时性较低的情况下，传感器姿态调整滞后导致的采样丢失问题，且在满足约束条件的情况下，对焊缝轨迹的类型没有严格的要求，具有较高的泛用性。

目前的商用工业机器人系统与外部系统的通信多以一种松耦合的方式实现，它可使外部非实时的操作系统能够通过简单的控制量控制机器人运动，但系统实时性较差难以满足针对三维异形焊缝的焊接过程对姿态调整的要求。例如背景技术中的现有技术专利没有考虑eye-in-hand的焊缝跟踪模式中前置距离对姿态的影响(传感器的采样位置需要前置于激光焊接头的焊接位置一段距离，这段距离称为前置距离)，它的存在导致传感器采样点处的姿态方向向量(姿态方向向量特指焊接头焦点指向传感器采样中心点的向量)并不等价于该点处的轨迹切向量，在三维异形焊缝的跟踪过程中，传感器采样区域和激光焊接头焊接焦点会由于处于焊缝的不同位置而异向运动(例如直角焊缝的焊接在需要拐过直角的过程中，焊枪焦点和传感器的运动方向夹角呈90度)。此外，目前的基于线激光传感器的激光焊接焊缝跟踪系统没有针对三维通用姿态规划方法，大多针对特定的焊缝轨迹类型或场景，泛用性较差。本申请通过在传感器采样特征点处构建以前置距离为半径的参考球面来计算球面和预设轨迹的交点，实现对机器人姿态的预估，使机器人在运动到采样点处时姿态能够保证传感器采样到后续的焊缝，实现对三维异形轨迹的跟踪焊接，解决了基于线激光传感器的焊缝跟踪过程中受前置距离的影响以及机器人姿态调整滞后等问题导致的传感器丢失焊缝采样的问题，且在满足约束条件的情况下，对于轨迹的类型没有严格的限制，具有较高的泛用性。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：包括：

步骤(a)：设置激光焊接头和传感器以eye-in-hand的模式固定于机器人的末端；所述传感器已经完成内外参数标定可直接输出线结构光上空间点在传感器坐标系中的坐标；在焊接过程中所述激光焊接头和所述传感器保持刚性的空间关系，且所述激光焊接头的焊接焦点与所述传感器的采样区域相差一定距离；

机器人的始端底面处建立有机器人世界坐标系，机器人的末端建立有TCP坐标系，并对机器人进行手眼标定；

步骤(b)：输入预设轨迹；所述预设轨迹是系统的前馈模型的参数，由线段和圆弧段根据焊接轨迹的预期焊接顺序首尾相连顺序排列组成，该预设轨迹近似拟合焊接轨迹；

跟踪时同步规划传感器采样点位置的机器人姿态：

步骤(c)：把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；

步骤(d)：构建参考球面：以传感器采样到的特征点为圆心、前置距离为半径构建一个参考球面；所述前置距离为激光焊接头距离传感器的距离；

步骤(e)：通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；

步骤(f)：结合焊缝类型和最佳姿态方向向量，规划机器人姿态；

其中，机器人姿态指TCP坐标系在机器人世界坐标系下的表示矩阵

中[x yz]部分；姿态方向向量指激光焊接头焦点指向传感器采样区域中心点的方向向量。

2.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(a)中对机器人进行手眼标定包括以下步骤：

(a1)设置机械臂TCP坐标系的原点为焊接焦点，X轴方向由焊接焦点指向传感器采样中心点，Z轴方向与激光出光方向同向，Y轴方向向量为y＝z×x；

(a2)在机器人空间中指定一固定参考点，示教机器人姿态使传感器采样所述固定参考点，并分别记录该固定参考点在机器人TCP坐标系下和传感器坐标系下的坐标，重复示教不同姿态n(n≥4)次，则该固定参考点在TCP坐标系下的坐标集合为Q＝{q₁，q₂，...，q_n}，对应的传感器坐标系坐标集合为P＝{p₁，p₂，...p_n}，通过奇异值分解确定表示eye-in-hand手眼关系的齐次变换仿射矩阵

3.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(b)中输入预设轨迹具体包括以下步骤：

(b1)从系统外部通过示教或文件导入的方式输入预设轨迹；

(b2)通过模拟跟踪对预设轨迹进行初校验，判断此预设轨迹所代表的焊缝能否在焊接过程中在满足机器人姿态的约束条件，实现传感器对焊缝所有位置的顺序遍历；

(b3)根据模拟跟踪的结果，对焊缝进行分段焊接。

4.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(b2)中所述的约束条件指焊接过程中传感器方向向量与预期采样点处的预设轨迹切向量夹角不大于90°，其中传感器方向向量特指传感器的运动方向。

5.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述的步骤(b2)中模拟跟踪指通过对预设轨迹离散化，以离散点为虚拟的采样点代入步骤(d)到(f)中模拟跟踪，同时把不满足约束条件的虚拟采样点记录为分割点的过程。

6.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述的步骤(b3)中对焊接过程进行分段是以(b2)所求分割点所在轨迹段的起点为断点对预设轨迹进行分割，每一段分割出的预设轨迹设为独立的焊接预设轨迹，在实际的焊接流程中以断点为参考对轨迹进行分段焊接。

7.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(c)中把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中具体包括以下步骤：

(c1)从传感器器端获取当前采样特征点在传感器坐标系下的坐标

[x_c 0 z_c 1]^T；

(c2)把步骤(a)求得的手眼仿射矩阵

代入式(c1-a)把特征点由传感器空间转换到机器人世界坐标系下；

其中，

表示机器人TCP坐标系至机器人世界坐标系的齐次变换，等价于当前机器人位姿矩阵

[x_c 0 z_c 1]^T为特征点在传感器空间中的齐次坐标，[x_w y_w z_w 1]^T为特征点在机器人世界坐标系中的齐次坐标。

8.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(e)中通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量，具体包括以下步骤：(e1)定义轨迹段遍历范围m；

(e2)使第一指针指向上一次相交计算最佳交点对应的轨迹段，以第i段表示(若是首轮循环则i为0)；

(e3)使第二指针指向i+1段；

(e4)设置当前姿态方向向量和参考向量的夹角阈值γ，用于筛选不良姿态；

(e5)记录当前位姿的方向向量为参考向量；

(e6)计算当前参考球面和第二指针指向的轨迹段交点集合；

(e7)第二指针以i>i+1>i-1>i+2>…>i+m/2-1>i-m/2+1>i+m/2>i-m/2的优先级由近及远遍历范围内的轨迹段，并重复步骤(e6)，当遍历到参考球面与某一段轨迹存在交点后停止遍历，输出交点对应的方向向量；

(e8)计算当前方向向量与参考方向向量的夹角λ，若该段存在两个解则选择与参考向量夹角最小的那一个，并把当前姿态方向向量记录为参考向量，如果λ≥γ则返回步骤(e7)；

(e9)输出最佳姿态方向向量，如果最终没有求解出合适的姿态方向向量，则取参考向量为最佳姿态方向向量，第一指针加1，若第一指针超出边界则停止姿态规划。

9.根据权利要求8所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：步骤(e6)中所述的参考球面与轨迹段的交点(x，y，z)的模型为：

(e6-a)与直线段的交点：

(e6-b)与圆弧交点：

其中，(x′，y′，z′)为对参考球面和圆弧通过矩阵A齐次变换简化后的交点坐标，可通过[x y z 1]T＝A^-1[x′ y′ z′ 1]^T还原到机器人世界坐标系下。

10.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(f)结合焊缝类型和姿态方向向量规划机器人姿态，具体包括以下步骤：

(f1)根据(a1)的约定，步骤(e)求取的姿态方向向量即为TCP坐标系的x轴向量x；

(f2)通过y＝x×V_b求取TCP坐标系y轴向量，其中V_b一般取机器人世界坐标系xOy平面法向量，若x与机器人世界坐标系xOy平面法向量平行则V_b根据需要取与x不共线的向量，最后通过z＝x×y求取TCP坐标系z轴向量；

(f3)使TCP坐标系绕x轴旋转来选取合适的焊接激光入射角σ，确定姿态在机器人世界坐标系下的表示矩阵，完成机器人姿态规划。

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