机器人焊接路径的实时跟踪与导引技术优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：当采用传感器引导机器人运动的方式时，因为传感器投射的结构光纹在焊枪之前有一定距离，所以提取的特征点信息在跟踪过程中不是立刻被使用的，而要等到焊枪到达该点附近时才能用到。机器人的驱动向量使焊枪向焊缝的中心点方向调整，并按照给定的步长运动，使其始终沿焊缝方向向前运动，实现沿焊缝的自主跟踪。另外，应尽量控制焊缝的特征点处在结构光纹正中，因为这时在跟踪中产生的误差最小。

图5-5-19 离线编程系统的应用框架

焊接机器人由示教再现型向智能型发展，增强其柔性和适应性，传感器是必不可少的。对于自主焊接来说，传感器感知外部环境的变化通知机器人，机器人实时调整工作状态，以适应环境的变化。这一点对于焊接来说尤为重要。

焊缝跟踪是智能化焊接的基础，在众多的焊缝跟踪传感器中，结构光视觉传感器具有提供信息量丰富，灵敏度和测量精度高，抗电磁场干扰能力强，与工件无接触，适合于各种坡口形状等优点，如图5-5-22所示。

结构光跟踪传感器被固定在机器人的焊枪上。传感器采集到坡口上的光纹图像，将模拟视频信号送入图像采集卡，图像采集卡将视频信号转换成数字图像送入控制计算机，经过图像处理程序提取坡口的特征点坐标，用标定得到的换算关系把特征点图像坐标转化为焊枪工具坐标系下的坐标，然后将得到的坐标值数据传送到机器人控制器，计算出特征点的世界坐标。

当采用传感器引导机器人运动的方式时，因为传感器投射的结构光纹在焊枪之前有一定距离（称为前视距离），所以提取的特征点信息在跟踪过程中不是立刻被使用的，而要等到焊枪到达该点附近时才能用到。因此需要把采集到的跟踪点信息存储起来，在需要的时候提供使用。

设前视距离为ΔL=30mm，图像处理时间为ΔT=90ms，所用机器人伺服周期为Δt=15ms。如果焊接速度为v=5mm/s，那么测量点时间间隔为6个伺服周期，即0.45mm。在前视距离长度内，可以采集66个焊缝特征点。

采用直线拟合来处理局部数据，以消除干扰。图5-5-23示出了每个测量点理想的焊枪位姿的计算方法。图中焊缝上点c的坐标是由图像处理和坐标变化得到的。理想的焊枪指向，即Z_s方向，应垂直于焊件表面，是表面的法线方向。多个测量点拟合的直线L₁L₂代表着焊接方向，光纹ae位于焊件表面平面内，其方向也是已知的。由L₁L₂和ae就可计算出Z_s方向。这样，测量点c的位姿就都得到了。

图5-5-20 离线编程应用实例

图5-5-21 任务级离线编程器的结构

图5-5-22 结构光焊缝跟踪

a）工作原理 b ）实际应用

下面简单介绍跟踪的实现方法。

设当前及下一个机器人伺服周期焊枪应到达的位姿矩阵分别表示为T_t（i）和T_t（i+1），则有

T_t（i+1）=T_t（i）×ΔT （5-5-1）

ΔT=T^-1_t（i）×T_t（i+1）（5-5-2）

图5-5-23 测量点理想焊枪位姿计算示意图

矩阵T_t（i+1）是由矩阵T_t（i）通过旋转平移得到的，所以有

由于∂i很小，有sin（∂i）≈∂i，cos（∂i）≈1。式（5-5-3）变为

对比式（5-5-2）和式（5-5-4）就可以得到驱动向量D_t，D_t=[Δx，Δy，Δz，∂x，∂y，∂z]^T。机器人的驱动向量使焊枪向焊缝的中心点方向调整，并按照给定的步长运动，使其始终沿焊缝方向向前运动，实现沿焊缝的自主跟踪。

为保证焊接过程的平稳性，沿着焊接方向每次的调整是固定的，即

Δy=VΔt （5-5-5）

驱动向量的6个分量每次并不是都要调整，这要根据具体情况而定。如跟踪直线焊缝，则只需要调整水平偏差Δx和高度偏差Δy；对于大曲率的曲线焊缝，则有时需要增加焊枪的自转调整，即绕z轴旋转，这是由于传感器与焊枪之间有一定的前视距离，而且传感器的视野有限。因此在跟踪过程中，若焊缝轨迹曲率过大，焊缝就会超出传感器的视野范围。因此必须控制焊枪带动传感器绕z轴旋转，以控制焊缝始终处在传感器视野范围之内。另外，应尽量控制焊缝的特征点处在结构光纹正中，因为这时在跟踪中产生的误差最小。

机器人焊接路径的实时跟踪与导引技术优化方案

相关推荐