專利名稱：基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人自適應(yīng)焊接應(yīng)用領(lǐng)域的方法，特別是一種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法。
背景技術(shù)：
當前焊接機器人絕大多數(shù)屬于第一代現(xiàn)場示教型或者第二代離線編程型的，但是不管是現(xiàn)場示教型編程還是離線規(guī)劃編程，在實際應(yīng)用時都將面對的一個關(guān)鍵性的問題就是編制的程序?qū)τ诂F(xiàn)場實際環(huán)境的適應(yīng)性，而出現(xiàn)該問題的最主要的原因則是現(xiàn)場焊接環(huán)境中的各種實際要素相對于編程時相應(yīng)的理想要素的變化，尤其在批量化的生產(chǎn)方式中， 焊接對象在位姿與尺寸上不可預(yù)知的誤差則是最主要的原因，其中既有加工和裝配上的誤差所導(dǎo)致的焊縫位置和尺寸的靜態(tài)變化，另外還有焊接過程中工件受熱及散熱條件的改變所造成的焊道的動態(tài)變形。解決上述問題一般有兩種思路，一種是通過采用提高工件的加工精度、提高工裝夾具的裝配精度及嚴格控制機器人示教軌跡的方式來減小環(huán)境以及應(yīng)用中的誤差，但是這樣做的話將明顯地提高企業(yè)的生產(chǎn)制造成本，以及時間消耗成本。因此自適應(yīng)焊接方式就成為了保證機器人焊接質(zhì)量和進一步提升機器人焊接自動化以及智能化程度的一項經(jīng)濟而又重要的技術(shù)，而焊縫跟蹤技術(shù)因其解決了“焊槍偏離焊縫”的問題成為自適應(yīng)焊接中一項基本且關(guān)鍵的技術(shù)。焊接傳感是對焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展影響最大的技術(shù)。其中，光學(xué)式傳感器在適用工藝和對象方面(可適用如MIG/MAG，TIG，等離子、激光焊等多種焊接工藝，以及碳鋼、鋁合金等多種材料的焊接對象)，檢測精度與實時性(一般至少達到0. 5mm精度級和50HZ)以及應(yīng)用場合方面等方面具有優(yōu)勢，是主導(dǎo)著焊縫跟蹤技術(shù)未來發(fā)展的焊接傳感器。而以激光為主動光源的視覺傳感在實際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在其能夠進行焊縫三維信息的測量，因此理論上可以對各種帶有曲率的復(fù)雜焊縫進行檢測，另外其三維測量能力與機器人焊接應(yīng)用較為適應(yīng)(機器人焊接一般要求能夠進行多種位姿下的焊接)，另外激光視覺傳感除了可以應(yīng)用于焊縫跟蹤，還可以應(yīng)用于焊前焊縫校正，機器人焊縫自主編程，焊縫初始點導(dǎo)引定位，以及焊后的焊接質(zhì)量無損檢測等諸多實際應(yīng)用場合。以往的激光視覺焊縫跟蹤一般可以劃分為兩大類，一種被稱為“現(xiàn)場示教型”，其主要代表機型有英國Meta Vision公司的MTR焊縫跟蹤系統(tǒng)；另外一種則是被稱為“自主跟蹤型”，其主要代表機型有Digi-IROBONET-MASTER V300A。其中“現(xiàn)場示教型”要求人工在現(xiàn)場同時考慮焊槍與傳感頭約束的情況下，對焊縫進行分段示教，因此對于一些復(fù)雜或者是多道焊縫呈現(xiàn)出示教難度大，示教工作量大等缺點，另外其要求占用現(xiàn)場設(shè)備，實際示教質(zhì)量與操作人員的工作經(jīng)驗相關(guān)，使得該種方式明顯缺乏智能化，較為落后。而“自主跟蹤型”一般只需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場焊縫的特點進行簡單地設(shè)置之后，即由傳感頭導(dǎo)引著焊槍完成對焊縫的跟蹤，雖然該種方式能夠在很大地程度上提升了焊縫跟蹤的智能化程度， 但是機器人焊接一個需要綜合考慮焊接對象，工藝，設(shè)備以及環(huán)境等因素的系統(tǒng)性問題，而 “自主跟蹤型”則是將整個焊接機器人的主控制權(quán)交由了傳感器，但是傳感器只能在線地根據(jù)局部的檢測信息進行實時地決策來指導(dǎo)焊槍的運動，因此不僅在對周邊的焊接環(huán)境把握方面具有盲點(有可能出現(xiàn)傳感頭與焊件碰撞，或者對于具有較大曲率的焊縫的宏觀走向無法把握，而來不及完成跟蹤動作)，而且對于機器人的將要出現(xiàn)的狀態(tài)無法預(yù)料(如機器人即將進入關(guān)節(jié)限位，或者陷入工作奇異點)，另外對于一些較 為復(fù)雜的焊接工藝適應(yīng)性不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是—種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，按以下步驟進行(1)、離線規(guī)劃通過預(yù)先以獲取規(guī)劃焊縫跟蹤軌跡、待測焊縫接頭輪廓模型；(2)、采樣當前焊縫圖像，并與所述的待測焊縫接頭輪廓模型進行輪廓匹配，以獲取當前焊縫接頭輪廓；(3)、對所述的當前焊縫接頭輪廓進行連續(xù)檢測，提取二維的焊縫路徑點；(4)、補償所述的當前焊縫圖像的采樣時間點及與之所對應(yīng)的視覺控制器獲取的焊槍位姿點時間點之間通信延遲，并通過傳感頭測量模型獲取三維的焊縫路徑點；(5)、從連續(xù)提取的所述的三維焊縫路徑點經(jīng)過濾波后獲得平滑的實際焊縫跟蹤軌跡；(6)、結(jié)合所述的預(yù)先規(guī)劃焊縫跟蹤軌跡與實際焊縫跟蹤軌跡生成機器人焊縫跟蹤在線運動軌跡以驅(qū)動機器人焊接。優(yōu)選地，在步驟(3)中，采用預(yù)測搜索窗對所述的當前焊縫接頭輪廓進行連續(xù)檢測。進一步優(yōu)選地，所述的預(yù)測搜索窗按以下步驟進行(1)、預(yù)測跟蹤點位置；(2)、預(yù)測跟蹤點形狀；(3)、生成預(yù)測搜索窗通過步驟(1)、(2)中預(yù)測的跟蹤點的位置和形狀合成并獲取預(yù)測視圖輪廓集以作為預(yù)測搜索區(qū)域的生成基礎(chǔ)，并將該預(yù)測搜索區(qū)域定義為預(yù)測搜索窗。優(yōu)選地，在步驟(5)中，采用焊縫路徑濾波器進行過濾。由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點和效果1、本發(fā)明在獲取離線編程結(jié)果的情況下，能夠很簡單地實現(xiàn)基于激光視覺傳感器的機器人自適應(yīng)焊接，現(xiàn)場只需要在人為地導(dǎo)入離線編程所獲得的預(yù)規(guī)劃結(jié)果后(在現(xiàn)場環(huán)境與離線編程仿真環(huán)境之間的差別沒有發(fā)生較大的質(zhì)變的情況下)，機器人將全自動實施自適應(yīng)焊接步驟；2、本發(fā)明不限于普通的直線焊縫跟蹤，對于平面曲線以及空間曲線焊縫同樣適用，另外接頭類型同樣可以多樣甚至非常規(guī)，是在驗證本技術(shù)方案中所采用的一些焊縫；3、本發(fā)明能夠保證在起弧情況下對焊縫跟蹤的可靠性和精確性，在進行曲線焊縫跟蹤情況下，在保證曲線焊縫有效形狀的基礎(chǔ)上，對噪聲能夠進行有效地抑制。


附圖1為 焊縫跟蹤運動模型相關(guān)坐標系定義；附圖2為焊縫跟蹤控制框圖；附圖3為輪廓預(yù)測匹配框圖；附圖4為輪廓位置預(yù)測示意圖；附圖5為接頭輪廓搜索窗生成示意圖；附圖6為系統(tǒng)運行時間模型示意圖；附圖7為軌跡對應(yīng)性建立示意圖；附圖8為KUKA機器人焊縫跟蹤控制流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述一種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法如圖1所示，建立相應(yīng)的坐標系包括Z軸始終與重力方向相反的世界坐標系W ； 代表了機器人運動工作空間參照的機器人基坐標系B ；代表了焊縫特征的焊縫坐標系J ；代表了建立在焊絲尖端的工具坐標系H ；代表了焊縫跟蹤下傳感器視點位姿的傳感器視點坐標系S ；代表了與圖像平面形成單應(yīng)關(guān)系的激光坐標系L ；線結(jié)構(gòu)光傳感頭中的攝像機坐標系C以及圖像平面坐標系I，如圖2所示，該方法按以下步驟進行(1)、離線規(guī)劃完成預(yù)先規(guī)劃焊縫跟蹤軌跡、待測焊縫接頭輪廓模型；(2)、采樣當前焊縫圖像，并與待測焊縫接頭輪廓模型進行輪廓匹配，以獲取當前焊縫接頭輪廓；(3)、如圖3所示主要通過對t時刻輪廓位置的預(yù)測(記為1Pp, t|t+1)和形狀的預(yù)測(記為的綜合給出實際接頭輪廓在新的圖像中的范圍預(yù)測(即預(yù)測搜索窗，記為1AP,t|t+1)以降低強干擾下輪廓匹配的時間和空間復(fù)雜度，具體的說a、預(yù)測跟蹤點位置如圖4所示設(shè)在t+Ι時刻獲取圖像，并同時獲得該時刻之前的焊縫濾波路徑為 BCfSP,t，進一步將相應(yīng)的預(yù)測路徑記為BCP,t|t+1，且有BCP,t|t” =BCfSP,t，另外獲得當前時刻的焊槍位姿力,且當前已知結(jié)構(gòu)光面參數(shù)向量Sk,則通過手眼關(guān)系與焊槍位姿可以很容易獲得在β坐標系下的結(jié)構(gòu)光面參數(shù)向量為Bn = cn.cHT々t+l,那么根據(jù)焊縫預(yù)測路徑BCp, t|t+ :和結(jié)構(gòu)光面方程Bn · bP = 0聯(lián)立求解則可以得到在B坐標系下的焊縫路徑點BpP,t|t+1的值，那么最后通過公式‘po, t\t+\ = lt ht "bt,+\ bp , t\t+i ,就可以獲取對應(yīng)圖像平面的焊縫路徑成像點，也就是輪廓位置1Ppitlw ；b、預(yù)測跟蹤點形狀輪廓采用直接繼承的方式，即預(yù)測輪廓形狀為上一幀成功檢測的輪廓形狀1Vptljt 11+1 = 1Vd, t，
其中t為t時刻的檢測輪廓結(jié)果； C、生成預(yù)測搜索窗通過位置與形狀的合成獲取預(yù)測視圖輪廓模型集1Qp = (1VPM, 1Pp)以作為預(yù)測搜索區(qū)域的生成基礎(chǔ)，另外將預(yù)測搜索區(qū)域統(tǒng)一稱為預(yù)測搜索窗SW，其具體可以表示為1SWp = (1Qp, 1Ap)，其中1Ap表示為Sff的大小(即搜索區(qū)域的范圍)，對于一個輪廓模型集1Qp = CVPM，1Pp),以其作為骨架，并通過圖5的方式加以擴展以獲取搜索窗1SWp= (1Qp, iAp),其中1Ap= (%， )，而％和 分別為沿圖像坐標系行方向和列方向搜索域大小參數(shù)值，另外對1Ap取值的采用動態(tài)自適應(yīng)化的方式，即對于t時刻的1Apnlt，取1Ap, t_l|t = (l-f( (t-tL) / Δ Τ)) APEI+f ((t_tL) / Δ Τ) Apkx其中Apki和Apkx分別為最小和最大允許1Ap取值(該值實際需要同輪廓在整個跟蹤過程中在圖像中位置變化有關(guān))，、表示距離當前預(yù)測點最近的檢測成功時間點，即滿足 、<t，而ΔΤ表示為最大允許連續(xù)檢測失敗時間間隔(一般要求不能超過(前置距離)/ (焊接速度))，而函數(shù)f (·)就表示為取值比例函數(shù)，取為
“、 χ3/{χ) = )Λ,
1 χ>1當成功檢測到焊縫接頭輪廓后，就可以從中提取出二維的焊縫路徑點、SP，接下來則需要進一步將其轉(zhuǎn)換到機器人可以使用的工作空間B中，即BPdsp,i = HTt "lT1 Pm j .
9(4)、由于實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的局限(即視覺控制器與機器人控制器非一體化集成)，因此使得圖像獲取時間點與機器人末端位姿獲取時間點之間因為較大通信延遲(當前采用基于RS232的串口通信方式)的緣故而無法嚴格地對應(yīng)起來，進而會導(dǎo)致測量誤差， 并影響最終的跟蹤精度；為了對相關(guān)延遲進行補償，需要分析系統(tǒng)的時間模型，考慮如圖6所示的系統(tǒng)運行時間模型，其中Tk為機器人運動伺服周期，ΔΤΚ為下位機刷新時間點與上位機的位姿傳送時間點間的延遲，Tp為上位機位姿傳送周期，Δ Tp為上位機同視覺控制器之間的傳輸延遲，Tv為整個視覺伺服周期，其中Te為圖像采樣周期，T1為視覺處理周期，tE, i為機器人伺服時間點，tq為機器人傳送時間點，t' p,j為機器人位姿到達時間點，te,k為圖像采樣時間點，t' e,k為線程獲取圖像時間點，要求將圖像獲取時間點與機器人獲取時間點同步起來，采用視覺控制器端計時可獲取t' e,k，因此估計圖像采樣點
τtGk =^i-T-同樣可以獲取機器人傳送時間點t' ρ』則估計機器人位姿時間點tEji = t' ρ,廠 ΔΤΡ_ΔΤκ/2，進一步通過線性插補可獲取與te,k所對應(yīng)的機器人位姿點估計值HT, =tR,k = (！-義)iR, ； + λ κ, ,+ι,其中
λ=-ι7~
ir,/+! ir,/ · $(5)、設(shè)t時刻濾波窗口大小為L的局部檢測焊縫路徑序列為bPAdsp,t = {bpdsp,i' i = 1，…，u，將采用三次多項式bcfsp, t = a3t3+a2t2+ait+a0加權(quán)擬合來對bpdsp, t進行平滑，擬合的優(yōu)化目標為
f L\min x wdsp ,.ivpsp i-b/jdspi j
v /=1/ ,具體可采用廣義逆陣或者是基于lq分解算法的求解法，其中相應(yīng)濾波窗口內(nèi)檢測點的權(quán)值序列記為bwdsp,t = {bwdsp,i' i = 1，...，u，且每個權(quán)值計算為5wdsp , = COHdsf ,· /X bCOKdsp ,
/ ,=1 ,其中bcoiidsp, i, t 為濾波窗口內(nèi)的歸一化可信度序列 bCoiidsp, t = {bcondsp, ^i = l--u 元素，具體為bconi^i,t = i [cd ct]t，其中i i · i i向量的長度，而路徑點可信度向量[cd ct] 主要由檢測可信度cd和時間有效可信度ct組成，而檢測可信度cD需要綜合考慮當前圖像中信噪比以實時給出；而對于濾波窗口內(nèi)檢測路徑的時間窗口 bpadsp = {bpdspji, i = 1. . . l}而言，時間有效可信度ct計算為
_Tti-tct,; = —其中Tti為最大有效時間窗口閾值，其一般不得超過“前置距離/當前最大運動速度”，即前置跟蹤最大有效周期；(6)、對于濾波所獲得焊縫路徑上相鄰的兩點bpfsi^和bpfsp, i+1，其可由下式bcfsi^(x) = a3,i λ 3+a2,i λ ^alii λ+a。，”進行焊縫路徑曲線描述，同時滿足以下約束條件bcfsp, i (0) = bPfsp, i, bCfsp, i (1) = bpfsp, i+1，s^fsp, , (0) = bpfsp, , ^fsp,;⑴=^>fsp, μ ,其中
b .il /. . ！ \|| ( vnormal + l) + vnormal _ ^oj/w" =h'"+1) ti-/■ 丄-(■ 1 λιι
i vnormalm^+!)+ vnormal (卜 ,v(i, j) = bPfsp, j-bpfsp, i' Vnoemal(i, j)為 v(i，j)的歸一化向量。聯(lián)合上述約束條件，并根據(jù),{λ) = 3α3,,a2 + 2氣,.Λ+α,,可計算該3次曲線參數(shù)為 3,, = bpfsp, μ + ^pfsp, ,· _ 2 bpfsp, i+i + 2 ^pfsp, , 2, i = ~βPfsp’ ,+ι ~ 2 βPfsp’ ,· + 3 ^Pfsp, μ ~ 3 5pfsp,;, ι,, = 3pfsp,, f
d0ji = bPfsp, i'則最終的焊縫路徑曲線為bCfsp = {BcFSP,i' i = 1. · · M-1}。而對于采用直線段分段逼近的運動方式(當前各種工業(yè)機器人中常見地進行復(fù)雜軌跡的運動方式)，由焊縫路徑曲線bCfsp出發(fā)，其最新生成的焊接路徑點BpFH, 可取為在焊縫路徑曲線bCfsp上沿焊接前進方向上的一點，且該點需要滿足條件I bPfh, J-bPfh, j-i =THl,其中T^直線段逼近運動時所要求的段長，進一步設(shè)已生成的在線機器人焊接軌跡為bTRh = {BT(BrH,n, ΒρΗ,η)Η,η，η = 1. . . N_l}，因此對于將要生成的在線焊縫跟蹤焊接位姿點BT(BrH,n，ΒρΗ,η)Η,η = Ν而言，其中位置取BPh,n = BPfh,p而其姿態(tài)％』則由預(yù)規(guī)劃軌跡bTRhm= IbThm,,, k= 1...K}來決定，那么可以將待解的問題轉(zhuǎn)換為“在軌跡bTRhm上搜索與軌跡點位置BpH, n相對應(yīng)的位置”，如圖7所示，可以采用沿焊縫路徑前進方向上的相對于焊縫起始點的“行進距離”來作為焊縫路徑本身的“特征”，因此對于焊縫路徑點bPh, n而言，設(shè)相對應(yīng)的預(yù)規(guī)劃路徑bPAhm = {BpHHM, k，k = 1...K}中的一點為Βρω,e，則兩者應(yīng)當滿足以下條件
GN
權(quán)利要求
1.一種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，其特征在于按以下步驟進行(1)、離線規(guī)劃通過預(yù)先以獲取規(guī)劃焊縫跟蹤軌跡、待測焊縫接頭輪廓模型；(2)、采樣當前焊縫圖像，并與所述的待測焊縫接頭輪廓模型進行輪廓匹配，以獲取當前焊縫接頭輪廓；(3)、對所述的當前焊縫接頭輪廓進行連續(xù)檢測，提取二維的焊縫路徑點；(4)、補償所述的當前焊縫圖像的采樣時間點及與之所對應(yīng)的視覺控制器獲取的焊槍位姿點時間點之間通信延遲，并通過傳感頭測量模型獲取三維的焊縫路徑點；(5)、從連續(xù)提取的所述的三維焊縫路徑點經(jīng)過濾波后獲得平滑的實際焊縫跟蹤軌跡；(6)、結(jié)合所述的預(yù)先規(guī)劃焊縫跟蹤軌跡與實際焊縫跟蹤軌跡生成機器人焊縫跟蹤在線運動軌跡以驅(qū)動機器人焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，其特征在于在步驟(3)中，采用預(yù)測搜索窗對所述的當前焊縫接頭輪廓進行連續(xù)檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，其特征在于所述的預(yù)測搜索窗按以下步驟進行(1)、預(yù)測跟蹤點位置；(2)、預(yù)測跟蹤點形狀；(3)、生成預(yù)測搜索窗通過步驟(1)、(2)中預(yù)測的跟蹤點的位置和形狀合成并獲取預(yù)測視圖輪廓集以作為預(yù)測搜索區(qū)域的生成基礎(chǔ)，并將該預(yù)測搜索區(qū)域定義為預(yù)測搜索窗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，其特征在于在步驟(5)中，采用焊縫路徑濾波器進行過濾。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于離線規(guī)劃的弧焊機器人激光視覺焊縫跟蹤控制方法，通過結(jié)合焊縫跟蹤離線規(guī)劃所給出的待測目標先驗?zāi)Ｐ鸵约昂缚p跟蹤運動規(guī)劃軌跡等信息，綜合采用傳感器檢測預(yù)測機制，傳輸延遲補償機制，在線焊縫路徑濾波機制以及在線6維焊接軌跡合成機制來完成在線的機器人焊縫跟蹤任務(wù)。本發(fā)明在離線編程中引入傳感器規(guī)劃技術(shù)，不僅可以解決現(xiàn)場示教問題，另外其作為一種系統(tǒng)性解決問題的常見方式，能夠在保證傳感器檢測、焊槍施焊以及機器人運行狀態(tài)較優(yōu)的原則下，從宏觀方面為整個焊縫跟蹤提供整體解決方案的模板，而傳感器只需要針對該模板的部分環(huán)節(jié)進行在線實時有效地修正，以最終達到自動和系統(tǒng)地解決機器人焊縫跟蹤問題。
文檔編號B23K9/127GK102430841SQ20111024907
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉少輝, 朱偉, 龔燁飛 申請人:昆山工研院工業(yè)機器人研究所有限公司