專(zhuān)利名稱(chēng)：用于極限環(huán)境管道維修的宏-微機(jī)器人遙控焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙控焊接領(lǐng)域，具體而言，涉及一種用于極限環(huán)境管道維修的宏-微機(jī)器人遙控焊接方法。
背景技術(shù)：
目前，核電以其清潔環(huán)保，高效節(jié)能的特點(diǎn)成為我國(guó)大力發(fā)展的新能源形式。核電站運(yùn)行過(guò)程的維護(hù)工作中，管道裂紋檢測(cè)和焊接修復(fù)是主要任務(wù)，但是在這種人無(wú)法進(jìn)入的極限環(huán)境中，只能采用遙控焊接的方式。遙控焊接是指人在離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)的安全環(huán)境中根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來(lái)的各種傳感信息對(duì)焊接設(shè)備和焊接過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，從而完成完整的焊接操作。目前大部分方案是針對(duì)特定任務(wù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用設(shè)備和系統(tǒng)，或者使用機(jī)器人攜帶管道全位置焊接機(jī)構(gòu)，但這些設(shè)備和系統(tǒng)不但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，而且僅限于所針對(duì)的特定維修任務(wù)。機(jī)器人攜帶全位置管道焊接機(jī)構(gòu)的智能化程度不高，不能有效控制焊接質(zhì)量，機(jī)器人末端持重易超標(biāo)，不適用于復(fù)雜環(huán)境的管道維修任務(wù)。因此，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、靈活的遙控焊接系統(tǒng)，并使其具有較高的智能化程度，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和進(jìn)行焊接質(zhì)量控制，對(duì)解決核環(huán)境管道焊接維修任務(wù)很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種宏_微機(jī)器人遙控焊接方法，用以完成復(fù)雜環(huán)境的管道維修任務(wù)，其包括以下內(nèi)容首先參考全位置管道焊接設(shè)備特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了具有重量輕、易抓取、操作靈活特點(diǎn)的微機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接路徑的準(zhǔn)確控制。通過(guò)工具轉(zhuǎn)換接口和氣動(dòng)夾緊模塊完成宏機(jī)器人與微機(jī)器人的快速連接。另外在系統(tǒng)中增加了弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，提高了焊接質(zhì)量。在宏機(jī)器人與微機(jī)器人之間加入了六維力覺(jué)傳感器，構(gòu)成宏-微機(jī)器人系統(tǒng)， 使系統(tǒng)具有主動(dòng)柔順性。執(zhí)行管道裝配任務(wù)過(guò)程中，通過(guò)微機(jī)器人重力補(bǔ)償與人機(jī)共享的管道裝配策略，來(lái)完成自主的管道抓取和裝配。在實(shí)現(xiàn)焊接弧長(zhǎng)控制、工具重力補(bǔ)償、管道裝配策略的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了這種用宏_微結(jié)構(gòu)的機(jī)器人通過(guò)遙操作進(jìn)行管道遙控焊接的技術(shù)。較佳的，上述的微機(jī)器人具有3個(gè)自由度，可通過(guò)編程控制，分別由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的周向、橫向、徑向運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器可以提供2到200的細(xì)分?jǐn)?shù)，從而達(dá)到較高的控制精度。該微機(jī)器人功能上具備全自動(dòng)化裝卸，焊接速度可調(diào)、焊接順序和焊接位置可控。較佳的，上述的弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PC-6501D光隔離脈沖計(jì)數(shù)定時(shí)接口卡等組成。利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電弧電壓，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)VC++編程根據(jù)電弧電壓提供驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，按照需要輸出一定頻率的脈沖信號(hào)CP，方向信號(hào)DIR以及使能信號(hào)EN，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及速度，從而控制弧長(zhǎng)。較佳的，上述的管道裝配策略是通過(guò)人機(jī)共享控制算法實(shí)現(xiàn)的，人機(jī)共享控制技術(shù)包括自主控制系統(tǒng)、直接控制系統(tǒng)及直接控制和自主控制的融合算法，本發(fā)明所用的自主控制系統(tǒng)是基于六維力/力矩傳感器的自主控制系統(tǒng)，直接控制系統(tǒng)是基于手動(dòng)操縱桿的直接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)共享控制的融合算法是控制權(quán)分配算法?？刂茩?quán)分配算法是指根據(jù)力覺(jué)傳感器測(cè)量到的實(shí)際接觸力的大小和形式，由中央控制器做出決策，將控制權(quán)交給人進(jìn)行直接控制或交給機(jī)器人進(jìn)行自主調(diào)整。在上述實(shí)施例中，根據(jù)全位置管道焊接設(shè)備特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了具有重量輕、 易抓取、操作靈活特點(diǎn)的微機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接路徑的準(zhǔn)確控制。通過(guò)人機(jī)共享控制策略完成了替換用新管的抓取和焊前管道裝配。另外在系統(tǒng)中增加了弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制器，提高了焊接質(zhì)量。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的遙控焊接方法流程圖；圖2為采用人機(jī)共享控制模式進(jìn)行管道裝配與手動(dòng)遙操作進(jìn)行管道裝配消耗時(shí)間對(duì)比圖；圖3為宏-微機(jī)器人遙控焊接系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的遙控焊接方法流程圖。如圖1所示，其包括以下步驟S102，通過(guò)本地端的操縱桿遙控遠(yuǎn)端的宏機(jī)器人接近微機(jī)器人，通過(guò)快速連接接口使宏機(jī)器人與微機(jī)器人自主連接為宏_微機(jī)器人；S104，通過(guò)本地端的操縱桿遙控宏-微機(jī)器人接近替換用新管，在人機(jī)共享控制模式下使微機(jī)器人不斷接近新管直到微機(jī)器人與新管緊密接觸，完成新管抓??；S106，通過(guò)本地端的操縱桿遙控宏-微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，將新管帶至待修補(bǔ)管道環(huán)境中，根據(jù)人機(jī)共享的管道裝配策略，快速完成管道的焊前準(zhǔn)確裝配；S108，操作者通過(guò)本地端操作界面控制微機(jī)器人上的橫向及徑向電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)焊槍的焊縫對(duì)中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電弧電壓，根據(jù)電弧電壓控制微機(jī)器人上徑向電機(jī)調(diào)節(jié)焊槍的位置來(lái)控制弧長(zhǎng)，開(kāi)始對(duì)新管進(jìn)行第一道焊縫焊接；S1010，通過(guò)本地端的操縱桿遙控宏-微機(jī)器人離開(kāi)管道，根據(jù)人機(jī)共享的管道裝配策略，根據(jù)第二道焊縫位置，快速完成管道的第二次裝配；S1012，操作者通過(guò)本地端操作界面控制微機(jī)器人上的橫向及徑向電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)焊槍的焊縫對(duì)中，然后進(jìn)行第二道焊縫的焊接；
S1014，通過(guò)本地端的操縱桿遙控宏-微機(jī)器人離開(kāi)管道，將微機(jī)器人送回原處， 宏機(jī)器人與微機(jī)器人分離，焊接任務(wù)完成。在本發(fā)明的實(shí)施例中，根據(jù)全位置管道焊接設(shè)備特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了具有重量輕、易抓取、操作靈活特點(diǎn)的微機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接路徑的準(zhǔn)確控制。通過(guò)工具轉(zhuǎn)換接口和氣動(dòng)夾緊模塊完成宏機(jī)器人與微機(jī)器人的快速連接。另外在系統(tǒng)中增加了弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制器，提高了焊接質(zhì)量。 例如，在宏機(jī)器人與微機(jī)器人之間加入了六維力覺(jué)傳感器，構(gòu)成宏-微機(jī)器人系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有主動(dòng)柔順性。執(zhí)行管道裝配任務(wù)過(guò)程中，通過(guò)微機(jī)器人重力補(bǔ)償與人機(jī)共享的管道裝配策略，完成了自主的管道抓取和裝配。在實(shí)現(xiàn)焊接弧長(zhǎng)控制、工具重力補(bǔ)償、管道裝配策略的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了這種用宏_微結(jié)構(gòu)的機(jī)器人通過(guò)遙操作進(jìn)行管道遙控焊接的技術(shù)。其中，微機(jī)器人具有3個(gè)自由度，分別由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的周向、橫向、 徑向運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器可以提供2到200的細(xì)分?jǐn)?shù)，從而達(dá)到較高的控制精度。該微機(jī)器人功能上具備全自動(dòng)化裝卸，焊接速度可調(diào)、焊接順序和焊接位置可控。本發(fā)明實(shí)施例中的弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PC-6501D光隔離脈沖計(jì)數(shù)定時(shí)接口卡等組成。利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電弧電壓，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)VC++ 編程根據(jù)電弧電壓提供驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，按照需要輸出一定頻率的脈沖信號(hào)CP，方向信號(hào) DIR以及使能信號(hào)EN，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及速度，從而控制弧長(zhǎng)。本發(fā)明實(shí)施例中管道裝配策略是通過(guò)人機(jī)共享控制算法實(shí)現(xiàn)的，人機(jī)共享控制技術(shù)包括自主控制系統(tǒng)、直接控制系統(tǒng)及直接控制和自主控制的融合算法，其中自主控制系統(tǒng)是基于六維力/力矩傳感器的自主控制系統(tǒng)，直接控制系統(tǒng)是基于手動(dòng)操縱桿的直接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)共享控制的融合算法是控制權(quán)分配算法?？刂茩?quán)分配算法是指根據(jù)力覺(jué)傳感器測(cè)量到的實(shí)際接觸力的大小和形式，由中央控制器做出決策，將控制權(quán)交給人進(jìn)行直接控制或交給機(jī)器人進(jìn)行自主調(diào)整。例如，在上述遙控焊接方法中，通過(guò)操縱桿遙控遠(yuǎn)端的宏機(jī)器人接近微機(jī)器人，通過(guò)快速連接接口將宏機(jī)器人與微機(jī)器人連接為宏_微機(jī)器人步驟包括通過(guò)遠(yuǎn)端的平面視覺(jué)攝像頭和雙目立體攝像頭傳回的視覺(jué)圖像獲得遠(yuǎn)端環(huán)境的信息，同時(shí)通過(guò)本地端的視覺(jué)控制器來(lái)控制視覺(jué)的范圍和圖像縮放，通過(guò)操縱桿遙控遠(yuǎn)端的宏機(jī)器人接近微機(jī)器人，并通過(guò)快速連接接口將宏機(jī)器人與微機(jī)器人連接為宏-微機(jī)器人。例如，在上述遙控焊接方法中，通過(guò)操縱桿遙控宏_微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，將新管帶到待修補(bǔ)管道環(huán)境中的裝配位置步驟包括通過(guò)力覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量接觸力的大小并傳輸至中央控制器，對(duì)接觸力進(jìn)行分析，由中央控制器根據(jù)管道自適應(yīng)算法做出決策，將控制權(quán)交給人或者機(jī)器人，在共享控制模式下操作宏_微機(jī)器人共同完成新管的裝配任務(wù)。圖2為采用人機(jī)共享控制模式進(jìn)行管道裝配與手動(dòng)遙操作進(jìn)行管道裝配消耗時(shí)間對(duì)比圖。如圖2所示，采用人機(jī)共享模式完成管道裝配可以大大節(jié)省焊前準(zhǔn)備時(shí)間。通過(guò)平面視覺(jué)攝像頭可以清晰觀察到焊槍和焊縫的相對(duì)位置，通過(guò)本地端操作界面可以控制微機(jī)器人上的橫向及徑向電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)焊槍的位置。調(diào)節(jié)好焊槍的位置后，通過(guò)本地端操作界面上的起弧按鈕，開(kāi)始焊接。微機(jī)器人控制焊槍繞管道一周，完成焊接。同樣的方式完成第二道焊縫的焊接，并操作宏機(jī)器人將微機(jī)器人送至初始位置，整個(gè)焊接任務(wù)完成。其中弧壓傳感系統(tǒng)主要由一臺(tái)工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PC-6501D光隔離脈沖計(jì)數(shù)定時(shí)接口卡等組成。從以上描述中可以 看出，本發(fā)明的上述實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了以下有益效果(1)宏-微結(jié)構(gòu)的機(jī)器人遙控焊接系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境及多種姿態(tài)的管道抓取和裝配，大大節(jié)省了焊前準(zhǔn)備時(shí)間，提高了裝配精度；(2)微機(jī)器人重量輕、易抓取、操作靈活，可通過(guò)編程控制，適應(yīng)多種形式的焊縫及焊縫形狀；(3)配有弧壓傳感系統(tǒng)，焊接過(guò)程可控，提高了焊接質(zhì)量。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)施例中的裝置中的模塊可以按照實(shí)施例描述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的模塊可以合并為一個(gè)模塊，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子模塊。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過(guò)程序指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，前述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括R0M、RAM、磁碟或者光盤(pán)等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換； 而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于極限環(huán)境管道維修的宏-微機(jī)器人遙控焊接方法，其特征在于，包括以下步驟通過(guò)工具轉(zhuǎn)換接口(7)和氣動(dòng)夾緊模塊完成宏機(jī)器人(8)與微機(jī)器人(9)的快速連接；在宏機(jī)器人(8)與微機(jī)器人(9)之間加入六維力覺(jué)傳感器(6)，使宏-微的機(jī)器人遙操作具有主動(dòng)柔順性；對(duì)微機(jī)器人重力進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)時(shí)獲取實(shí)際接觸力信息，按照人機(jī)共享的管道裝配策略， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端環(huán)境中的管道抓取、裝配，通過(guò)弧壓傳感控制，使焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)保持一致，控制焊接質(zhì)量，對(duì)管道進(jìn)行焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，微機(jī)器人(9)具有3個(gè)自由度，可通過(guò)編程進(jìn)行控制，分別由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的周向、橫向、徑向運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)的步距角為1. 8°，驅(qū)動(dòng)器提供2到200的細(xì)分?jǐn)?shù)，從而達(dá)到較高的控制精度；該微機(jī)器人重量輕、易抓取、操作靈活，功能上具備全自動(dòng)化裝卸，焊接速度可調(diào)、焊接順序和焊接位置可控。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道裝配策略通過(guò)人機(jī)共享控制算法實(shí)現(xiàn)，人機(jī)共享控制技術(shù)包括自主控制系統(tǒng)、直接控制系統(tǒng)及直接控制和自主控制的融合算法，自主控制系統(tǒng)是基于六維力/力矩傳感器的自主控制系統(tǒng)，直接控制系統(tǒng)是基于手動(dòng)操縱桿的直接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)共享控制的融合算法是控制權(quán)分配算法；控制權(quán)分配算法是指根據(jù)力覺(jué)傳感器測(cè)量到的實(shí)際接觸力的大小和形式，由中央控制器做出決策，將控制權(quán)交給人進(jìn)行直接控制或交給機(jī)器人進(jìn)行自主調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)包括一臺(tái)工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和PC-6501D光隔離脈沖計(jì)數(shù)定時(shí)接口卡；利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電弧電壓，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)VC++編程根據(jù)電弧電壓提供驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，按照需要輸出一定頻率的脈沖信號(hào)CP，方向信號(hào)DIR以及使能信號(hào)EN，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及速度的控制， 從而控制弧長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于極限環(huán)境管道維修的宏-微機(jī)器人遙控焊接方法，包括以下步驟通過(guò)工具轉(zhuǎn)換接口和氣動(dòng)夾緊模塊完成宏機(jī)器人與微機(jī)器人的自主快速連接；在宏機(jī)器人與微機(jī)器人之間加入六維力覺(jué)傳感器，使宏-微的機(jī)器人遙操作中具有主動(dòng)柔順性；對(duì)微機(jī)器人進(jìn)行重力進(jìn)行補(bǔ)償，按照管道自適應(yīng)裝配策略，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端環(huán)境中的管道抓取、裝配；通過(guò)弧壓傳感控制，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量可控的遙控焊接。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境及多種姿態(tài)的管道抓取和裝配，大大節(jié)省了焊前準(zhǔn)備時(shí)間，提高裝配精度；微機(jī)器人重量輕、易抓取、操作靈活，可通過(guò)編程控制，適應(yīng)多種形式的焊縫及焊縫形狀；同時(shí)配有弧壓傳感系統(tǒng)，焊接過(guò)程可控，提高焊接質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23K9/10GK102151948SQ20111002377
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者張廣軍, 李海超, 杜愛(ài)國(guó), 陳洪堂, 高洪明 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)