一種基于機(jī)械臂手眼協(xié)調(diào)自主焊接控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于機(jī)械臂手眼協(xié)調(diào)自主焊接控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，以及機(jī)器人取代人工的領(lǐng)域迅速增加，采用機(jī)器人進(jìn)行 作業(yè)，降低處理難度，避免工作人員的意外發(fā)生，對提高科技整體技術(shù)水平和作業(yè)效率具有 重要意義。
[0003] 世界上已有的車載機(jī)械手型機(jī)器人包括履帶式"手推車"、"超級手推車" MPR-800 型多功能智能機(jī)器人、"安德魯斯HD-Γ機(jī)器人、"靈蜥A"和"靈蜥B"排爆機(jī)器人、"RAPT0P-E0D"中型排爆機(jī)器人等。而控制系統(tǒng)是機(jī)器人中至關(guān)重要的一部分，控制系統(tǒng)的核心是手 眼協(xié)調(diào)、逆運(yùn)動算法和連續(xù)軌跡運(yùn)動規(guī)劃方法，其好壞程度直接影響著機(jī)器人的功能、可靠 程度及操作性能等。
[0004] 針對機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的特殊情況，可靠性和效率是它的一個重要因素。如果機(jī)器 人的輸入信息不準(zhǔn)確，將會帶來一系列問題。在6自由度的機(jī)械手焊接作業(yè)時，必須采用各 關(guān)節(jié)聯(lián)動的遠(yuǎn)程遙控方式，這種方法前提是控制系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取任意焊縫曲線的坐標(biāo)。人工 示教的方法要求機(jī)械手根據(jù)經(jīng)驗記錄作業(yè)軌跡，這對機(jī)械手末端手爪的定位抓取造成了極 大困難。該種方式對操作人員的訓(xùn)練程度要求高且造成的精神負(fù)擔(dān)較大，容易疲勞而且操 作效率較低。
[0005]如果在機(jī)械手末端安裝雙目視覺，在作業(yè)前由雙目視覺系統(tǒng)沿著焊縫表面的最佳 測量范圍內(nèi)依靠人工遙操作測試焊縫坐標(biāo)，由于測量距離是范圍，且焊接姿態(tài)是根據(jù)焊縫 坐標(biāo)計算出來，因此可以高效的獲取焊縫信息與作業(yè)姿態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種基于機(jī)械臂手眼協(xié) 調(diào)自主焊接控制方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有焊接基本采用單純?nèi)斯みb操作、人工示教輔助、離 線編程等方法，增加了機(jī)械手末端焊接定位困難，造成操作人員的精神負(fù)擔(dān)較大，容易疲勞 而且操作效率較低等問題。
[0007] 本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0008] -種基于機(jī)械臂手眼協(xié)調(diào)自主焊接控制方法，包括如下步驟：
[0009] (1)人工遙操作機(jī)械手，使得雙目視覺在距離焊縫的最佳范圍內(nèi)沿著焊縫移動測 量焊縫的坐標(biāo)，并將測量的焊縫坐標(biāo)由雙目視覺的測量基坐標(biāo)換算到機(jī)械手的基坐標(biāo)； [0010] (2)計算焊縫各點的作業(yè)位姿矩陣；
[0011] (3)調(diào)用運(yùn)動學(xué)反變換法求得機(jī)械手的各關(guān)節(jié)逆解的角度序列；
[0012] (4)人工設(shè)定作業(yè)參數(shù)，完成一次性焊接。
[0013] 上述步驟（1)所述雙目視覺在距離焊縫的最佳范圍，是指選取焊縫作業(yè)誤差允許 范圍內(nèi)的插補(bǔ)點序列坐標(biāo)。
[0014] 上述步驟(2)所述計算焊縫各點的作業(yè)位姿矩陣，是根據(jù)各插補(bǔ)點的位置，以及插 補(bǔ)點所在平面的法線方向確定焊槍對插補(bǔ)點序列的焊槍位姿序列。
[0015] 上述步驟(3)各關(guān)節(jié)逆解的角度序列，是通過運(yùn)動學(xué)逆解方法方法中的反變換法， 求得各關(guān)節(jié)在焊縫序列點的作業(yè)位置。
[0016] 上述步驟(4)人工設(shè)定作業(yè)參數(shù)，是指人工設(shè)定作業(yè)時間，各插補(bǔ)點的各關(guān)節(jié)速度 可求，實現(xiàn)焊槍一次性作業(yè)完成。
[0017] 在上述步驟（1)中，以1 〇個點為例，檢測到的焊縫序列點相對機(jī)械手的基坐標(biāo)為Pi (Xl，yi，Zl) · · .PlQ(Xl()，yi()，Zl())，并在各點的局部法平面上取參考點Pl2(X12，yi2，Z12) ;P23 (X23 , y23 ,Z23) . . .P91〇(x910,y910,Z91〇);
[0018] 在上述步驟(2)中，過三點的平面方程為：
[0019]
[0020]將其展開為：
[0021 ] [ (yi-yi2) (z2-zi2)-(y2-yi2) (ζι-ζ?2) ] (χ-χ?2)
[0022] +[ (Χ2-Χ12) (Ζ1_Ζ12)-(Χ1-Χ12) (Ζ2-Ζ12) ] (y-yi2)
[0023] +[ (χι_χ?2) (y2-yi2)-(X2~xi2) (yi-yi2) ] (ζ_ζ?2) ] = 0
[0028] 歸一化處理得：[0029] axi = -(yi_yi2) (Z2-zi2) + (y2-yi2) (Z1-Z12)[0030] ayl = -(x2_X12) (zi-Z12) + (xi_X12) (Z2_Z12)[0031 ] azi = -(xi_xi2) (y2-yi2) + (X2~xi2) (yi-yi2)
[0024] 屆部悝培占平而的法向向量為，
[0025]
[0026]
[0027]
[0032] 歸一化處理
[0033] a是手爪坐板. _______
[0034] 焊槍的移動方向〇,就是相鄰兩個焊點的連線，即？1和內(nèi)連線的方向平行，注意:方 向始終是焊槍行走方向，也就是從前一個點指向后一個點，也就是手爪坐標(biāo)的y方向；
[0035] 〇 = (X2-xi,y2~yi,Ζ2~ζι)
[0036] 〇χ=Χ2~χι
[0037] oy = y2-yi
[0038] 〇ζ = Ζ2~ζι
[0039] 焊槍的擺動方向n垂直于焊槍移動方向o與焊槍接近向量a，方向是有定義方向的， 因為是上下往復(fù)擺動；
[0040] Π - Ο X ￡1 - ( Oyclz_Ozcly j Ozclx_Oxclz j Oxcly_Oyclx)
[0041] Πχ - Oyclz _Ozcly
[0042] tly - Ozclx_Oxclz
[0043] Πζ - Oxcly-OyBx
[0044] 焊接某焊點作業(yè)姿態(tài)相對于機(jī)械手基坐標(biāo)的矩陣T表達(dá)式：
[0045]
[0046] 因此，每個焊點的坐標(biāo)和焊槍姿態(tài)可求;依此類推，可求10個焊槍作業(yè)點的位姿矩 陣；
[0047] 在上述步驟(3)中，對于具有封閉解結(jié)構(gòu)的機(jī)械手采用工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動逆解析法 求得各焊點作業(yè)時的關(guān)節(jié)序列角，,031......(0^,02", θ3η,θ4η,θ5η, θ6η)〇
[0048] 在上述步驟(4)中，人工設(shè)定作業(yè)時間，可求各插補(bǔ)區(qū)間的速度，實際作業(yè)過程中， 各關(guān)節(jié)依據(jù)各插補(bǔ)區(qū)間的角度和速度按照序列執(zhí)行，焊槍一次性完成作業(yè)。
[0049] 上述步驟(3)的逆解式如下：由于焊槍的長度dt已知，因此，當(dāng)某焊點的焊槍作業(yè)
姿態(tài)確定，機(jī)械手的最末關(guān)節(jié)的姿態(tài)和位置也得以確定，即
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 令 k4i = ciC23ax+siC23ay_S23az; k42 = _ciS23ax_siS23ay_C23az; k43 = _siax+ciay;
[0058] ,
[0059] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：
[0060] 本發(fā)明提出的基于機(jī)械臂手眼協(xié)調(diào)自主焊接控制方法，采用具備雙目視覺定位功 能可遙操作的6自由度焊接機(jī)器人，取代人工示教輔助，運(yùn)用離線編程方法，減少了機(jī)械手 末端焊接定位困難，減輕了操作人員的精神負(fù)擔(dān)較大提高了工作效率。
【附圖說明】
[0061 ]圖1為本機(jī)械手示意圖；圖中：1為第1關(guān)節(jié)、2為第2關(guān)節(jié)、3為第3關(guān)節(jié)、4為第4關(guān)節(jié)、 5為第5關(guān)節(jié)、6為第6關(guān)節(jié)、8為雙目攝像頭;雙目攝像頭安裝在第5關(guān)節(jié)或第6關(guān)節(jié)上。各關(guān)節(jié) 的旋轉(zhuǎn)方向中用正負(fù)號表示。
[0062]圖2為圖1機(jī)械手各關(guān)節(jié)坐標(biāo)與雙目視覺基坐標(biāo)關(guān)系簡化圖；圖中：xe，ye，ze分別 為雙目攝像頭光心相對于第5關(guān)節(jié)、第6關(guān)節(jié)交點的坐標(biāo)，dt是焊槍的長度在z6方向長度之 和。
【具體實施方式】
[0063]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0064] 實施例
[0065] 如圖1、2所示。本發(fā)明公開了一種基于機(jī)械臂手眼協(xié)調(diào)自主焊接控制方法，可通過 如下步驟實現(xiàn)：
[0066] (1)人工遙操作機(jī)械手，使得雙目視覺在距離焊縫的最佳范圍內(nèi)沿著焊縫移動測 量焊縫的坐標(biāo)，并將測量的焊縫坐標(biāo)由雙目視覺的測量基坐標(biāo)換算到機(jī)械手的基坐標(biāo)；
[0067] (2)計算焊縫各點的作業(yè)位姿矩陣；
[0068] (3)調(diào)用運(yùn)動學(xué)反變換法求得機(jī)械手的各關(guān)節(jié)逆解的角度序列；
[0069] (4)人工設(shè)定作業(yè)參數(shù)，完成一次性焊接。
[0070] 上述步驟（1)所述雙目視覺在距離焊縫的最佳范圍，是指選取焊縫作業(yè)誤差允許 范圍內(nèi)的插補(bǔ)點序列坐標(biāo)。具體可根據(jù)自身參數(shù)和試驗確定，人工遙操作機(jī)械手末端的雙 目裝置，在距離焊縫最佳測量范圍內(nèi)移動，選取焊縫作業(yè)誤差允許范圍內(nèi)的插補(bǔ)點序列坐 標(biāo)，由于雙目視覺的測量基坐標(biāo)原點，相對于機(jī)械臂的基坐標(biāo)根據(jù)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法計 算出來，因此，焊縫的插補(bǔ)點序列相對于機(jī)械手的基坐標(biāo)位置可以求得；
[0071] 上述步驟(2)所述計算焊縫各點的作業(yè)位姿矩陣，是根據(jù)各插補(bǔ)點的位置，以及插 補(bǔ)點所在平面的法線方向確定焊槍對插補(bǔ)點序列的焊槍位姿序列。
[0072] 上述步驟(3)各關(guān)節(jié)逆解的角度序列，是通過運(yùn)動學(xué)逆解方法方法中的反變換法 (代數(shù)法），求得各關(guān)節(jié)在焊縫序列點的作業(yè)位置。
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