一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法技术

本发明专利技术公开一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其包括步骤：(a)约定TCP坐标系并手眼标定；(b)输入预设轨迹；(c)把传感器特征点坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；(d)构建参考球面；(e)通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；(f)结合焊缝类型和姿态方向向量，规划机器人姿态。本发明专利技术通过设置预设轨迹，在跟踪采样过程中分析当前采样点和预设轨迹的位置关系提前预测传感器采样点处的机械臂姿态，提供了应用于eye

【技术实现步骤摘要】
一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法


[0001]本专利技术属于机器人焊接
，尤其涉及一种基于线激光采样的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法。

技术介绍

[0002]在机器人焊接领域针对工件定位误差和焊接过程的热形变的问题多采用线激光传感器实时跟踪焊接解决，这类解决方案中普遍采用eye
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in
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hand模式即线激光传感器和激光焊接头同轴安装与机械臂末端的构形，焊接时机械臂带动传感器和激光焊接头沿着焊缝运动，同步完成采样和焊接，在这个过程中机械臂姿态必须满足传感器对焊缝的采样。因此在三维焊缝跟踪过程中，需要实时调整机器人的姿态来保证在焊接的同时对轨迹进行采样。
[0003]然而实际应用中传感器的采样位置需要前置于激光焊接头的焊接位置一段距离，这段距离称为前置距离，其存在的主要目的是为了防止弧光和火花对传感器采样的干扰，同时也为了提前采样运动轨迹方便机器人规划运动轨迹，但这导致了传感器采样和机器人运动之间存在一定的时间差，降低了系统的实时性，更重要的是这导致在三维异形焊缝的跟踪过程中，传感器和激光焊接头由于前置距离的存在会处于焊缝的不同位置，进而导致它们的运动方向不一致，因此传感器采样点处的姿态并不等价于该点处的轨迹切向量，倘若仅通过传感器进行反馈控制，由于线激光传感器仅能采样焊缝的局部特征，其获取的信息量很难满足三维跟踪过程对机器人姿态规划复杂要求，在没有先验信息的情况下很难及时调整机器人姿态，最终导致传感器在焊接过程中丢失对焊缝的采样。
[0004]此外，目前的商用工业机器人系统与外部系统的通信多以一种松耦合的方式实现，外部系统只需要提供简单的控制量即可控制机器人运动，但机器人内部的运动规划对外部系统来说是封闭的，这导致外部系统无法掌握发送指令的执行状态，因此对外部系统来说指令的输出和执行存在不确定性和滞后性，进一步降低了整个系统的实时性。
[0005]一篇申请号为202110366806.2的专利技术专利公开了一种基于视觉测量的智能控制焊接系统，该系统的动作执行模块包括用于携带焊枪移动和焊接操作的机器人，以及用于承载焊件的变位机；单目立体视觉测量模块包括第一工业相机、用于设置在焊件上以标识焊缝的标记发光条；所述线激光视觉传感器模块包括用于向焊件的焊接位点发射激光条纹的线激光发射器、摄像焦点正对激光条纹所照射焊接位点的第二工业相机；第一工业相机、第二工业相机、线激光发射器均安装在机器人的执行末端上；该系统的控制单元控制执行单元。该专利技术提出了基于模型和单目双工位立体视觉的两种焊缝粗定位方法，并采用预设轨迹进行焊缝跟踪，但是其需要采用双机位的方式进行焊缝跟踪，其中一个相机负责采样粗轨迹货期预设轨迹和另一台相机使线激光传感器，负责采样精细轨迹进行焊缝跟踪，但没有考虑前置距离对姿态的影响，无法解决前置距离带来的姿态规问题，因而无法实现精确跟踪。

技术实现思路

[0006]在下文中给出了关于本专利技术实施例的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0007]为解决上述技术问题，本申请研发一种通过预先输入轨迹信息的三维焊缝跟踪的前馈姿态规划方法，实现对多种三维焊缝跟踪过程的姿态规划，并消除焊缝跟踪过程中检测位置与实际焊接位置之间的前置距离对其的影响，从而实现精确跟踪。
[0008]根据本申请的一个方面，提供一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，包括：
[0009]设置激光焊接头和传感器以eye
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hand的模式固定于机器人的末端；所述传感器优选为线激光传感器，且传感器已经完成内外参数标定可直接输出线结构光上空间点在传感器坐标系中的坐标；在焊接过程中激光焊接头和传感器保持刚性的空间关系，且激光焊接头的焊接焦点与传感器的采样区域相差一定距离，该一定距离为前置距离；
[0010]机器人的始端底面处建立有机器人世界坐标系，机器人的末端建立有TCP坐标系，并对机器人进行手眼标定；
[0011]输入预设轨迹；所述预设轨迹是系统的前馈模型的参数，由线段和圆弧段根据焊接轨迹的预期焊接顺序首尾相连顺序排列组成，该预设轨迹近似拟合焊接轨迹；
[0012]跟踪时同步规划传感器采样点位置的机器人姿态：
[0013]把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；其中，传感器特征点就是传感器的采样点，也就是焊缝的特征点；实际运用时，根据轮廓线的具体形状来判断焊接的位置，假设焊缝内角接的，那轮廓是V形的，则可以把这个V形的最低点作为焊缝的特征点；
[0014]构建参考球面：以传感器采样到的特征点为圆心，前置距离为半径构建一个参考球面；
[0015]通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；
[0016]结合焊缝类型和最佳姿态方向向量，规划机器人姿态。
[0017]其中，机器人姿态指TCP坐标系(即机器人末端执行器坐标系)在机器人世界坐标系下的表示矩阵中[x y z]部分；姿态方向向量特指激光焊接头焦点指向传感器采样区域中心点的方向向量；前置距离特指激光焊接头距离传感器的距离。
[0018]传感器坐标系是具体指传感器采样区域的坐标系，其相对于相机是固定的。本专利技术是基于线激光传感器的，这种传感器是通过线机构光进行采样的，它会先向工件投射激光光幕，激光光幕会和工件表面相交形成一条交线，这条交线的形状相当于工件截面轮廓，传感器会读取这条交线图像并转换成物理坐标，这个物理坐标所在的坐标系就是传感器坐标系。
[0019]进一步的，对机器人进行手眼标定包括以下步骤：
[0020](a1)设置机械臂TCP坐标系的原点为焊接焦点，X轴方向由焊接焦点指向传感器采
样中心点，Z轴方向与激光出光方向同向，Y轴方向向量为y＝z
×
x。
[0021](a2)在机器人空间中指定一固定参考点，示教机器人姿态使传感器采样所述固定参考点，并分别记录该固定参考点在机器人TCP坐标系下和传感器坐标系下的坐标，重复示教不同姿态n(n≥4)次，则该固定参考点在TCP坐标系下的坐标集合为Q＝{q1，q2，...，q
n
}，对应的传感器坐标系坐标集合为P＝{p1，p2，...，p
n
}，通过奇异值分解确定表示eye
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hand手眼关系的齐次变换仿射矩阵
[0022]进一步的，输入预设轨迹具体包括以下步骤：
[0023](b1)从系统外部通过示教或文件导入的方式输入预设轨迹；
[0024](b2)由于预设轨迹可能会存在死角(例如间距较小的平行焊缝)，需要通过模拟跟踪对预设轨迹进行初校验，判断此预设轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：包括：步骤(a)：设置激光焊接头和传感器以eye
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hand的模式固定于机器人的末端；所述传感器已经完成内外参数标定可直接输出线结构光上空间点在传感器坐标系中的坐标；在焊接过程中所述激光焊接头和所述传感器保持刚性的空间关系，且所述激光焊接头的焊接焦点与所述传感器的采样区域相差一定距离；机器人的始端底面处建立有机器人世界坐标系，机器人的末端建立有TCP坐标系，并对机器人进行手眼标定；步骤(b)：输入预设轨迹；所述预设轨迹是系统的前馈模型的参数，由线段和圆弧段根据焊接轨迹的预期焊接顺序首尾相连顺序排列组成，该预设轨迹近似拟合焊接轨迹；跟踪时同步规划传感器采样点位置的机器人姿态：步骤(c)：把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中；步骤(d)：构建参考球面：以传感器采样到的特征点为圆心、前置距离为半径构建一个参考球面；所述前置距离为激光焊接头距离传感器的距离；步骤(e)：通过双指针遍历预设轨迹的方式求解参考球面和预设轨迹的交点，以获取焊缝特征点处机器人最佳姿态方向向量；步骤(f)：结合焊缝类型和最佳姿态方向向量，规划机器人姿态；其中，机器人姿态指TCP坐标系在机器人世界坐标系下的表示矩阵中[x y z]部分；姿态方向向量指激光焊接头焦点指向传感器采样区域中心点的方向向量。2.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(a)中对机器人进行手眼标定包括以下步骤：(a1)设置机械臂TCP坐标系的原点为焊接焦点，X轴方向由焊接焦点指向传感器采样中心点，Z轴方向与激光出光方向同向，Y轴方向向量为y＝z
×
x；(a2)在机器人空间中指定一固定参考点，示教机器人姿态使传感器采样所述固定参考点，并分别记录该固定参考点在机器人TCP坐标系下和传感器坐标系下的坐标，重复示教不同姿态n(n≥4)次，则该固定参考点在TCP坐标系下的坐标集合为Q＝{q1，q2，...，q
n
}，对应的传感器坐标系坐标集合为P＝{p1，p2，...p
n
}，通过奇异值分解确定表示eye
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hand手眼关系的齐次变换仿射矩阵3.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(b)中输入预设轨迹具体包括以下步骤：(b1)从系统外部通过示教或文件导入的方式输入预设轨迹；(b2)通过模拟跟踪对预设轨迹进行初校验，判断此预设轨迹所代表的焊缝能否在焊接过程中在满足机器人姿态的约束条件，实现传感器对焊缝所有位置的顺序遍历；(b3)根据模拟跟踪的结果，对焊缝进行分段焊接。4.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(b2)中所述的约束条件指焊接过程中传感器方向向量与预期采样点处的预设轨迹切向量夹角不大于90
°
，其中传感器方向向量特指传感器的运动方向。5.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述的步骤(b2)中模拟跟踪指通过对预设轨迹离散化，以离散点为虚拟的采样点代入步骤(d)
到(f)中模拟跟踪，同时把不满足约束条件的虚拟采样点记录为分割点的过程。6.根据权利要求3所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述的步骤(b3)中对焊接过程进行分段是以(b2)所求分割点所在轨迹段的起点为断点对预设轨迹进行分割，每一段分割出的预设轨迹设为独立的焊接预设轨迹，在实际的焊接流程中以断点为参考对轨迹进行分段焊接。7.根据权利要求1所述的三维轨迹激光焊接焊缝跟踪姿态规划方法，其特征在于：所述步骤(c)中把传感器特征点的坐标由传感器坐标系转换到机器人世界坐标系中具体包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳娟，褚兆琪，刘向荣，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：