CN116587274A - 一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法。本发明具体包括拖拽阶段与焊接阶段；其中使用时将焊接机器人拖拽至焊接起始点后，使用3D视觉传感器自动识别焊缝位置后，启动再现运行焊接并进行焊缝位置的实时跟踪。本发明在焊接机器人的焊接行程预演中加入了力控补偿计算，用以降低工作人员拖拽力度，提高工作人员与焊接机器人之间的人机协作程度。同时本发明通过建立回环反馈模型对焊接机器人运动过程中的惯性力进行补偿，用以实现工作人员在使用较小的拖拽力时即可控制焊接机器人到达并定位于指定的位置，减小焊接机器人的运动惯性，并提高焊接机器人的运动控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法。
背景技术
在焊接机器人中增设力控补偿机制，可以缩短人与机器之间的使用距离，提高工作人员对机器人控制过程中的控制柔性与控制流畅度。但是现有的协作式机器人的控制方法中，通常着眼于人机之间的交互控制，即工作人员与焊接机器人在进行运动控制过程中的控制力矩，控制精度以及响应时常的问题，而忽略了焊接机器人在拖拽示教的过程中与工件上的焊接位置点，以及焊接路径上的定位识别精度，即由于在焊接机器人的焊接行程预演中加入力控补偿与外力调控，是否影响实际工件焊接路径的焊接精度，以及在焊接机器人的实际焊接过程中是否需加入防止外力作用造成焊接抖动并出现焊接误差等问题。
公开号为CN113134840A的中国专利，提供了一种实时设置力控参数的工业机器人及方法，此专利中通过预设力控参数生成控制指令并控制机器人运动，同时在机器人运动过程中对力控参数进行更新，但是此专利中仅涉及力控参数的调节问题，并未涉及人机协作以及机器人通过力控参数进行运动控制后所进行的位置反馈调节问题。公开号为CN112123344A的中国专利，提供了一种基于力控机器人打磨的拖拽示教方法及其实施装置，此专利中通过力控装置记录示教国车给中的打磨信息，并根据打磨信息自动设置运动方式，从而实现自定义打磨路径的功能，但是此专利中仅规定了目标力控参数与目标打磨信息，并未建立目标数据与实际力控参数与实际打磨信息之间的误差调整关系。
因此，针对现有的人机协作控制中存在的问题，本发明中提供了一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明中提供了一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，具体包括拖拽阶段与焊接阶段；其中使用时将焊接机器人拖拽至焊接起始点后，使用3D视觉传感器自动识别焊缝位置后，启动再现运行焊接并进行焊缝位置的实时跟踪。
优选的，所述拖拽阶段计算流程为：
S1、建立焊机机器人各关节位置力学传动模型；
S2、对力学传动模型解算后建立焊接机器人运动学方程；
S3、在焊接机器人各关节位置设置力学传感器，将力学传感器采集的力控参数与运动学方程计算相结合，用以在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿。
优选的，所述焊接阶段中，在焊接机器人末端位置设置3D视觉传感器，通过3D视觉传感器进行焊接轮廓示教位置的识别与定位。
优选的，所述在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿中，通过建立接触力误差与位置误差之间的互换补偿，用以维持弧焊工作站中的恒力焊接操作。
优选的，所述力学传感器中，获取在焊接机器人各关节位置采集的力控参数，并建立力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，用以力控参数转换为焊接机器人各关节位置位移增量补偿值。
优选的，针对所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系的同时，建立基于力控参数与焊接机器人电控参数之间的比例关系，优选的，所述电控参数为电流参数。
优选的，所述各关节位置中，针对单一关节位置点建立基于目标力控参数与实际力控参数之间的回环反馈模型，通过所述回环反馈模型对焊接机器人运动过程中的惯性力进行补偿。
优选的，所述焊接机器人拖拽力控补偿，具体包括直线拖拽力控补偿与圆弧拖拽力控补偿。
优选的，将所述力学传感器与所述3D视觉传感器之间建立基于示教轨迹点中位置偏差下的回环反馈模型。
优选的，所述回环反馈模型中，将所述3D视觉传感器将获取的实时焊接位移偏差，反馈至焊接机器人控制端并转换为力控参数进行焊接机器人各关节位移调整，同时获取所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，通过双传感器的数据融合控制进行恒力焊接动态调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明所提供的基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法中，首先在焊接机器人的焊接行程预演中加入了力控补偿计算，用以降低工作人员拖拽力度，提高工作人员与焊接机器人之间的人机协作程度。
（2）在（1）的基础上，本发明通过建立回环反馈模型对焊接机器人运动过程中的惯性力进行补偿，用以实现工作人员在使用较小的拖拽力时即可控制焊接机器人到达并定位于指定的位置，减小焊接机器人的运动惯性，并提高焊接机器人的运动控制精度。
（3）在（2）的基础上，本发明使用3D视觉传感器进行焊缝位置的自动识别，将所述力学传感器与所述3D视觉传感器之间建立基于示教轨迹点中位置偏差下的回环反馈模型，通过所述回环反馈模型进行焊接机器人在拖拽示教的过程中与工件上的焊接位置点，以及焊接路径上的定位识别精度之间的反馈计算，从而避免由于加入人机协作控制，并引入外界环境力矩而造成焊接机器人与工件之间产生操作误差并无法调整的问题。
附图说明
图1（a）（b）相结合为基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法中拖拽阶段计算流程图。
具体实施方式
实施例：
本实施例中提供的基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，具体包括拖拽阶段与焊接阶段；其中使用时将焊接机器人拖拽至焊接起始点后，使用3D视觉传感器自动识别焊缝位置后，启动再现运行焊接并进行焊缝位置的实时跟踪。
其中，焊接机器人在对工件进行焊接操作之前，可选择示教方式对工件的焊接位置点与焊接路径进行预演编程操作，而在预演编程操作时工作人员可选择拖拽示教的方式控制焊接机器人进行焊接行程预演，通过将力控补偿应用于焊接机器人焊接行程预演中，可用以降低工作人员对焊接机器人的控制力矩并提高焊接行程预演精度。
在一种实施方式中，如图1所示，所述拖拽阶段计算流程为：
S1、建立焊机机器人各关节位置力学传动模型；
具体的，所述直线拖拽力控补偿与圆弧拖拽力控补偿所建立的力学传动模型中，针对各关节位置点的位置要求，均需计算关节转动角度，D为单一关节运动方向，角速度与角加速度/>，以及各关节位置点的线速度与线加速度。其中，基于角加速度的力学传动模型为：
所述基于线加速度的力学传动模型为:
其中，单一关节的平移位置点，/>是上一个机械臂相对于当前机械臂移动位置向量。
其中，所述各关节位置中，针对单一关节位置点建立基于目标力控参数与实际力控参数之间的回环反馈模型，通过所述回环反馈模型对焊接机器人运动过程中的惯性力进行补偿；
其中，所述焊接机器人拖拽力控补偿，具体包括直线拖拽力控补偿与圆弧拖拽力控补偿；
S2、对力学传动模型解算后建立焊接机器人运动学方程，本发明中使用四参数法计算焊接机器人的运动学方程正变换矩阵R为：
其中所述运动学方程正变换矩阵R中，为关节坐标系i相对于关节坐标系i-1绕x轴的转角，所述/>为关节坐标系i相对于关节坐标系i-1绕z轴的转角。通过运动学方程正变换矩阵R计算两相邻关节坐标系之间的位姿坐标转换关系，从而计算得到焊接机器人末端运动位姿的坐标数据。
S3、在焊接机器人各关节位置设置力学传感器，将力学传感器采集的力控参数与运动学方程计算相结合，用以在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿；所述在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿中，通过建立接触力误差与位置误差之间的互换补偿，用以维持弧焊工作站中的恒力焊接操作。
在一种实施方式中，所述焊接阶段中，在焊接机器人末端位置设置3D视觉传感器，通过3D视觉传感器进行焊接轮廓示教位置的识别与定位。
在一种实施方式中，所述力学传感器中，获取在焊接机器人各关节位置采集的力控参数，并建立力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，用以力控参数转换为焊接机器人各关节位置位移增量补偿值。
针对所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系的同时，建立基于力控参数与焊接机器人电控参数之间的比例关系，优选的，所述电控参数为电流参数。
在一种实施方式中，将所述力学传感器与所述3D视觉传感器之间建立基于示教轨迹点中位置偏差下的回环反馈模型。
所述回环反馈模型中，将所述3D视觉传感器将获取的实时焊接位移偏差，反馈至焊接机器人控制端并转换为力控参数进行焊接机器人各关节位移调整，同时获取所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，通过双传感器的数据融合控制进行恒力焊接动态调控。
Claims (10)
1.一种基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，具体包括拖拽阶段与焊接阶段；其中使用时将焊接机器人拖拽至焊接起始点后，使用3D视觉传感器自动识别焊缝位置后，启动再现运行焊接并进行焊缝位置的实时跟踪。
2.根据权利要求1所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述拖拽阶段计算流程为：
S1、建立焊机机器人各关节位置力学传动模型；
S2、对力学传动模型解算后建立焊接机器人运动学方程；
S3、在焊接机器人各关节位置设置力学传感器，将力学传感器采集的力控参数与运动学方程计算相结合，用以在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿。
3.根据权利要求1所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述焊接阶段中，在焊接机器人末端位置设置3D视觉传感器，通过3D视觉传感器进行焊接轮廓示教位置的识别与定位。
4.根据权利要求2所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述在焊接机器人拖拽与焊接控制过程中进行力控补偿中，通过建立接触力误差与位置误差之间的互换补偿，用以维持弧焊工作站中的恒力焊接操作。
5.根据权利要求1所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述力学传感器中，获取在焊接机器人各关节位置采集的力控参数，并建立力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，用以力控参数转换为焊接机器人各关节位置位移增量补偿值。
6.根据权利要求5所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，针对所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系的同时，建立基于力控参数与焊接机器人电控参数之间的比例关系。
7.根据权利要求1所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述各关节位置中，针对单一关节位置点建立基于目标力控参数与实际力控参数之间的回环反馈模型，通过所述回环反馈模型对焊接机器人运动过程中的焊接机器人拖拽力控补偿。
8.根据权利要求7所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述焊接机器人拖拽力控补偿，具体包括直线拖拽力控补偿与圆弧拖拽力控补偿。
9.根据权利要求8所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，将所述力学传感器与所述3D视觉传感器之间建立基于示教轨迹点中位置偏差下的回环反馈模型。
10.根据权利要求9所述基于力控补偿下的焊接机器人拖拽与示教跟踪方法，其特征在于，所述回环反馈模型中，将所述3D视觉传感器将获取的实时焊接位移偏差，反馈至焊接机器人控制端并转换为力控参数进行焊接机器人各关节位移调整，同时获取所述力控参数与各关节位移距离之间的比例关系，通过双传感器的数据融合控制进行恒力焊接动态调控。
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