一种方舱大板骨架焊接路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种方舱大板骨架焊接路径规划方法，包括：根据大视场视觉相机识别骨架全局焊缝位置，使用K

【技术实现步骤摘要】
一种方舱大板骨架焊接路径规划方法


[0001]本专利技术属于大型方舱骨架智能焊接
，特别涉及一种方舱大板骨架焊接路径规划方法。

技术介绍

[0002]在方舱的生产过程中，骨架焊接速度对方舱制造进度起着重要作用。现有方舱骨架都是由工人手工焊接完成，存在焊接任务繁重、人工成本高、效率低、劳动环境差等一系列问题。此外，由于方舱骨架尺寸较大（最小6m
×
2m），人工焊接大多采用多人分工、分段焊接的方式，容易出现拼接出错、拼接效率低等问题。因而，在方舱大型骨架的焊接过程中使用机器人是必然趋势。
[0003]现有焊接机器人大多采用人工示教的方式，缺乏智能化和柔性化，不能实现骨架的全自动焊接；由于方舱骨架构成大多不同，因而针对每个骨架都需进行示教操作，大大降低焊接效率。
[0004]所以，需要一种方舱大板骨架焊接路径规划算法，控制焊接机器人实现方舱大板骨架高智能化、高柔性、高效率和高安全性全自动焊接。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术提供一种方舱大板骨架焊接路径规划方法，解决了大小视场相机和焊接机器人协同配合焊接方舱大尺寸骨架的问题，实现小视场相机拍照路径最短、焊接机器人移动路径最优和避免焊接机器人与骨架碰撞。
[0006]本专利技术主要由焊缝K
‑
Means聚类分组和改进遗传算法路径规划两大子模块组成，其包含以下步骤：步骤1，大视场相机对由矩形钢管拼接而成的骨架局部进行多次拍照，根据大视场图像拼接算法（Parallax
‑
tolerant Image Stitching），实现对大尺寸骨架整体成像；然后通过焊缝识别算法得到骨架上表面焊缝的分布信息，通过计算机整理得到骨架上表面焊缝的物理坐标信息集；步骤2，将骨架上表面焊缝的物理坐标信息集转化为计算机可识别的焊缝信息集，并对焊缝类型进行分析，完成K
‑
Means算法所需焊缝信息的数字初始化，得到焊缝信息矩阵；步骤3，根据焊缝信息矩阵，采用肘方法，画出误差平方和
‑
簇中心个数SSE
‑
K图，根据拐点选取出当前方舱大板骨架的聚类个数K；步骤4，采用K
‑
Means算法，将大尺寸骨架焊缝聚态分类成K个簇，所述K个簇即焊缝组；步骤5，根据步骤4的聚类结果，焊接机器人携带小视场相机至某一簇处，小视场相机对焊缝平面位置进行精提取，并生成相关焊缝信息集；步骤6，对机器人方舱骨架焊接路径进行描述和分析，构建焊接路径适应度函数
和遗传算法边界条件；步骤7，使用实数编码构造焊接机器人焊接路径，生成初始种群；步骤8，根据所述适应度函数、遗传算法边界条件和遗传算法得到满足焊接工艺要求的最优焊接路径，焊接机器人按照最优焊接路径完成簇内焊缝组焊接；步骤9，焊接机器人携带小视场相机至下一簇处，重复步骤6~步骤8，直至完成所有焊缝焊接。
[0007]步骤2包括：步骤2
‑
1，使用图像处理算法，提取出骨架上表面焊缝的始点坐标和末点坐标，并将其存储到二维数组P1中；步骤2
‑
2，根据经验和现场试验，只需焊接三条边就能满足焊接强度，因此只需要使用上表面焊缝的起始点坐标，作为K
‑
Means算法使用的焊缝数据集，即能够表征骨架相交处两根矩形管焊接信息；所述三条边是指骨架上表面的焊缝，以及上表面焊缝起始点对应的两条侧边；步骤2
‑
3，分别将上表面焊缝起始点对应的两条侧边的起始点坐标定义为上表面焊缝的始末点坐标、，终点坐标动态定义为簇中心坐标，将所有焊缝信息顺序存储到二维数组P2中，所有焊缝信息包括上表面焊缝起始点坐标、两侧边焊缝起始点坐标和簇中心坐标。
[0008]步骤3包括：步骤3
‑
1，根据经验值计算得出聚类个数K的取值范围，其中N为焊缝数量；步骤3
‑
2，分别将K取进行聚类，计算出各自K值对应的误差平方和SSE：，其中为第i个簇中焊缝数量，为第i个簇中第j个焊缝至中心距离，为第i个簇中所有焊缝至中心点距离均值，并绘制对应的SSE
‑
k曲线；步骤3
‑
3，根据SSE
‑
k曲线，选取SSE
‑
k曲线拐点对应的值作为k值。
[0009]步骤4包括：步骤4
‑
1，根据给定的焊缝数据集，随机生成k个数据对象作为初始聚类中心，并作为小视场相机视野中心；步骤4
‑
2，根据小视场相机视野大小300
×
300，确定K
‑
Means算法的边界限制条件：；其中表示第i个聚类中心的边界限制条件；
步骤4
‑
3，计算所有焊缝至k个初始聚类中心的欧氏距离：，焊缝根据欧氏距离远近分配给最近的初始聚类中心，生成k簇；步骤4
‑
4，计算每个簇中焊缝坐标的均值，作为新的聚类中心；步骤4
‑
5，根据新的聚类中心计算所有簇的SSE，如果当前一代SSE值与上一代SSE值相同，则完成聚态分类、输出聚类结果；否则重复步骤4
‑
2~步骤4
‑
3，直至SSE值不再变化。
[0010]步骤6包括：步骤6
‑
1，由小视场相机对簇内骨架进行拍照，然后通过焊缝识别与检测算法得到簇内骨架上表面焊缝长度，两条侧边焊缝长度由矩形管宽度确定，焊缝组焊缝长度定义如下：；步骤6
‑
2，焊接机器人焊接完一个焊缝组r后移动至同一簇其他焊缝组s，移动中消耗的路径长度定义如下：
[0011]其中，为第i个簇中第r焊缝组至第s焊缝组的路径长度，表示是否从第r焊缝组移动至第s焊缝组进行焊接，定义如下：，其中是焊缝信息矩阵路径规划出来的路径集合；步骤6
‑
3，建立如下碰撞惩罚因子：，其中为机器人位置，为矩形管位置集合；当机器人和矩形管交集为空，表示不发生碰撞，此时惩罚因子置为1，否则置为0；步骤6
‑
4，构建焊接路径适应度函数；步骤6
‑
5，为保证每条焊缝有且只被焊接一次，定义遗传算法边界条件。
[0012]步骤6
‑
4中，构建如下焊接路径适应度函数：
，其中为第r焊缝组的长度，为两个权重。
[0013]步骤6
‑
5中，将遗传算法边界条件定义为：。
[0014]步骤7包括：步骤7
‑
1，给小视场相机视野范围内的焊缝按照实数集编上序号；步骤7
‑
2，根据遗传算法边界条件，使用Random随机函数将实数集C里的实数，随机生成一条随机路径，并存储在一维数组PATH1中；步骤7
‑
3，根据初始种群数量POP，生成POP条随机路径，组成初始种群，并存储在二维数组PATH2中。
[0015]步骤8包括：步骤8
‑
1，计算适应度函数f(x)，使用so本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种方舱大板骨架焊接路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，大视场相机对由矩形钢管拼接而成的骨架局部进行拍照，根据大视场图像拼接算法，实现对大尺寸骨架整体成像；然后通过焊缝识别算法得到骨架上表面焊缝的分布信息，整理得到骨架上表面焊缝的物理坐标信息集；步骤2，将骨架上表面焊缝的物理坐标信息集转化为计算机可识别的焊缝信息集，并对焊缝类型进行分析，完成K
‑
Means算法所需焊缝信息的数字初始化，得到焊缝信息矩阵；步骤3，根据焊缝信息矩阵，采用肘方法，画出误差平方和
‑
簇中心个数SSE
‑
k图，根据拐点选取出当前方舱大板骨架的聚类个数K；步骤4，采用K
‑
Means算法，将大尺寸骨架焊缝聚态分类成K个簇，所述K个簇即焊缝组；步骤5，根据步骤4的聚类结果，焊接机器人携带小视场相机至一簇处，小视场相机对焊缝平面位置进行精提取，并生成相关焊缝信息集；步骤6，对机器人方舱骨架焊接路径进行描述和分析，构建焊接路径适应度函数和遗传算法边界条件；步骤7，使用实数编码构造焊接机器人焊接路径，生成初始种群；步骤8，根据所述适应度函数、遗传算法边界条件和遗传算法得到满足焊接工艺要求的最优焊接路径，焊接机器人按照最优焊接路径完成簇内焊缝组焊接；步骤9，焊接机器人携带小视场相机至下一簇处，重复步骤6~步骤8，直至完成所有焊缝焊接。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2
‑
1，使用图像处理算法，提取出骨架上表面焊缝的始点坐标和末点坐标，并将其存储到二维数组P1中；步骤2
‑
2，使用上表面焊缝的起始点坐标，作为K
‑
Means算法使用的焊缝数据集；步骤2
‑
3，分别将上表面焊缝起始点对应的两条侧边的起始点坐标定义为上表面焊缝的始末点坐标、，终点坐标动态定义为簇中心坐标，将所有焊缝信息顺序存储到二维数组P2中，所有焊缝信息包括上表面焊缝起始点坐标、两侧边焊缝起始点坐标和簇中心坐标。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3
‑
1，根据经验值计算得出聚类个数K的取值范围，其中N为焊缝数量；步骤3
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2，分别将K取进行聚类，计算出各自K值对应的误差平方和SSE：，其中为第i个簇中焊缝数量，为第i个簇中第j个焊缝至中心距离，为第i个簇中所有焊缝至中心点距离均值，并绘制对应的SSE
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k曲线；步骤3
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3，根据SSE
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k曲线，选取SSE
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k曲线拐点对应的值作为k值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4包括：步骤4
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1，根据给定的焊缝数据集，随机生成k个数据对象作为初始聚类中心，并作为小视场相机视野中心；步骤4
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2，根据小视场相机视野大小300
×
300，确定K
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Means算法的边界限制条件：；其中表示第i个聚类中心的边界限制条件；步骤4
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3，计算所有焊缝至k个初始聚类中心的欧氏距离：，焊缝根据欧氏距离远近分配给最近的初始聚类中心，生成k簇；步骤4
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4，计算每个簇中焊缝坐标的均值，作为新的聚类中心；步骤4
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5，根据新的聚类中心计算所有簇的SSE，如果当前一代SSE值与上一代SSE值相同，则完成聚态分类、输出聚类结果；否则重复步骤4
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2~步骤4
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3，直至SSE值不再变化。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6包括：步骤6
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1，由小视场相机对簇内骨架进行拍照，然后通过焊缝识别与检测算法得到簇内骨架上表面焊缝长度，两条侧边焊缝长度由矩形管宽度确定，焊缝组焊缝长度定义如下：；步骤6
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝，方磊，杨青龙，王腾，许自力，方思伟，田阳，石小富，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：