使机器人高精度跟踪指定路径的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种使机器人高精度跟踪指定路径的装置，为综合利用同轴视觉传感系统和焊缝位置测量传感系统进行路径跟踪和偏差补偿的机器人加工系统。包括机器人本体、位置修正装置和控制系统等，其控制系统包括：接收激光加工头单元中焊缝位置测量传感器测量数据的焊缝位置信号处理单元；接收激光加工头单元中同轴视觉摄像机测量数据的同轴视觉信号处理单元；存有用户控制程序的机器人控制单元与主控制单元通信，控制机器人本体的运动；存有主控制程序的主控制单元对焊缝位置信号处理单元和同轴视觉处理单元的测量数据进行同步处理，进而驱动位置修正装置，实现焊缝跟踪和补偿。本实用新型专利技术可以广泛用于各种需要提高机器人运动路径精度的场合。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及跟踪补偿技术，具体地说是一种使机器人能高精度地 跟踪指定路径(例如焊缝)的设备和路径跟踪补偿方法。该装置可以使精 度不高的机器人系统实现激光焊接等高精度工艺。
技术介绍
一些先进工艺的应用希望采用工作空间大、运动柔性好的机器人，同 时也对机器人的定位精度提出很高的要求。例如激光焊接有着如下显著的特点焊接速度可达4m-15m/min以上，而传统电弧焊的焊接速度一般仅为 0.5m-1.0m/min;跟踪定位精度要求高，对焊缝跟踪误差要求在士 (0.05-0.1mm)以内，远低于电弧焊中要求的跟踪误差士0.5mm。现有激光 焊接机器人系统普遍存在路径跟踪精度不高、成本高昂和扩展性较差等问 题，仍有改进空间。现有定位精度较高的工业机器人的基本指标如下空间定位精度一般 在lmm量级，单点重复定位精度在O.lmm量级，路径重复精度在0.2mm 量级。尽管工业机器人的单点重复定位精度较好，但是空间定位精度和路 径重复精度还不能满足激光焊接在高速运行时的要求，因此必须解决工业 机器人高速跟踪连续路径时空间定位精度和路径重复精度不高的难题。提高机器人定位精度的常用方法是对机器人工具中心点位置进行修正 的补偿方法，根据工作特点可分成离线补偿方法和在线补偿方法。离线补偿方法采用"示教一离线修改示教点之后再焊接"二步走的工 作方式。考虑到工业机器人的空间定位精度和路径插补精度都不高，就需要指定大量示教点，并根据测量结果(如后面提及的同轴视觉系统的测量 结果)对示教点进行多次微调。由于手动修改示教点效率太低，自动修正 机器人示教点和其他参数一直是机器人领域的热门课题。ABB公司的一项专利(美国专利号US 7130718)提出采用迭代学习控制的方法，对机器人 的运动路径规划、力矩前馈控制和摩擦力模型等进行反复的自动修正。不 过这种方式目前还缺乏商业化应用，这主要是因为由摩擦力变化和减速器 回差等非线性因素引起的工业机器人的工具中心点轨迹在特定位置可能发 生较大幅度的快速跳变(或称为抖动)，而且路径重复精度远低于其他位置。 对于这种情况通过上述方法取得的定位精度通常难以达到激光焊接的要 求。在线补偿方法采用"记忆-回放"二步走的工作方式。代表性的专利有 美国United Technologies Corporation的专利(美国专利号US4922174),该专利针对同轴视觉系统(即位于工具中心点正上方的视觉系统)在电弧焊 接过程中的强光干扰下难以看清焊缝的问题，提出一种补偿方案，在空跑 阶段(即不进行焊接)通过同轴视觉系统测量并记录下机器人工具中心点 与指定路径的偏差数据，在实际焊接阶段对已记录的测量数据进行回放， 根据这些数据对机器人位姿进行增量式修正。我国上海交通大学的周律等 人的专利(中国专利号CN1600488)与上述美国United Technologies Corporation专利相似，但在空跑阶段视觉系统拍摄的是焊枪前方一小段焊 缝，并在线计算焊缝与机器人前进方向的偏差与夹角，根据偏差与夹角在 线控制机器人位姿调整增量，并将机器人位姿调整增量记录下来；在实际 焊接阶段回放机器人位姿调整增量。上述两种在线补偿方法的局限性在于 每次焊接前都需要进行一次空跑，故批量生产时效率低；而且空跑阶段的 机器人路径和实际焊接阶段的机器人路径难免存在路径重复偏差，故该方法的定位精度也有限。顺便指出，在线补偿方法在严格意义上应称为伪在 线补偿方法，因为回放的测量数据(或者机器人位姿调整增量)已不算是 在实际焊接阶段在线获得。更多的激光焊接机器人系统采用焊缝跟踪技术。焊缝跟踪技术在20世纪80年代就已经被应用，有关焊缝跟踪的专利较多，例如Caterpillar公司 的专利(美国专利号US4591689)、美国Westinghouse电子公司的专利(美 国专利号US4952772)等。但是这些专利和研究是针对机器人电弧焊，由 于这些工艺对跟踪速度和定位精度的要求与激光焊接相去甚远，相应的焊 缝跟踪系统难以应用在激光焊接当中，也未见文献分析这些焊缝跟踪系统 跟踪精度不高的根本原因。一般来说，焊缝跟踪的精度主要取决于如下因素(1)焊接速度和机 器人路径精度；(2)焊缝位置测量传感器的采样频率和测量精度；(3)安 置在激光加工头前方的焊缝位置测量传感器与机器人工具中心点的距离 (也称为前视距离)；(4)机器人位置修正装置的控制周期和定位精度；(5) 路径跟踪算法的鲁棒性和精度等；(6)批量焊接时焊接材料(如板材)的 尺寸公差、工装夹具的重复定位精度、以及焊接过程中的热变形等。在目 前的硬件条件下，前视距离的影响最大。由于激光焊接工艺的特点，在焊 接过程中机器人工具中心点附近存在多种强干扰因素，因此前视距离难以 做到很小。如果前视距离超过一定域值，那么即使前置的焊缝位置测量传 感器能准确地识别并跟踪指定路径，机器人工具中心点和指定路径之间仍 然可能存在较大偏差(称为工具中心点偏差)，大大超出激光焊接允许的范 围，因此还必须进行机器人工具中心点位置补偿。因为跟踪与补偿必须同 时在线进行，补偿过程可以采用前面所说的在线补偿方法。虽然目前商业化应用的机器人激光焊接系统已意识到前视距离的重要性，并提出新的跟踪补偿方案，但各种解决方案仍有不足之处。德国Deutsche Aerospace AG公司(现为DASA公司)较早研制用于激 光焊接的机器人系统(Barthel， K.G.， Holick， E.R.， Pfefferle， R.， "SCOUT Seam Follower", Proc. mt. Conf Lasers as Tools for Manufacturing. SP正Vol.2062， pp.122-129， Boston, USA， 1994)，他们采用一种具有5 条激光结构光条纹的焊缝跟踪传感器，可以将焊缝位置的测量周期縮短4-5 倍。该传感器被安装在激光加工头前方约30mm的地方，传感器系统通过 专用接口板卡与机器人(关节式或直角坐标式)的控制系统交互实现对机 器人轨迹的增量式修正。英国Meta公司实现了 SCOUT系统的商业化，针 对日本Motoman、 FANUC、德国CLOOS、 KUKA以及瑞典ABB等公司的 机器人开发了专用接口板卡。这类系统的局限性在于只能采用个别公司的 有限机器人型号，主要适合焊接速度在3m/min以下的中低速激光焊接。德国Reis Lasertec公司研制的激光焊接机器人采用光学镜片控制系统 实现机器人工具中心点(一般指激光光束聚焦形成的激光光斑)的位置修 正，激光加工头前方安装有激光结构光传感器实现焊缝位置的测量，其结 构光条纹与激光光斑中心距离仅1.5mm，因此即使机器人运动轨迹与焊缝 偏差较大，该系统也能实现焊缝的高精度跟踪。但因为测量系统与送丝系 统和保护气管通常存在空间干涉，这一设备的局限主要在于难以实现激光 填丝焊接、激光复合焊接以及保护气体输送。加拿大Servo-Robot公司的一项专利(美国专利号US6430472)提出将 两个相互垂直的伺服驱动直线滑台(简称为十字滑架)安装在工业机器人 末端，然后将加工工具安装在十字滑架上，并在加工工具的前方安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使机器人高精度跟踪指定路径的装置，由机器人本体（１）、工具支架（２）、位置修正装置（３），激光加工头单元（４）和控制系统组成，其中：安装有激光加工头单元（４）的位置修正装置（３）位于机器人本体（１）末端的工具支架（２）上；激光加工头单元（４）定位到焊接材料（６）的焊缝（５）上方；所述机器人本体（１）通过大范围运动实现对指定路径的粗定位；所述位置修正装置（３）与机器人本体（１）组成宏－微二级结构，通过与控制系统连接，通过小范围运动实现对指定路径的精确定位；其特征在于所述控制系统包括：　一焊缝位置信号处理单元（２１），接收激光加工头单元（４）中焊缝位置测量传感器（１３）的测量数据，并与主控制单元（２０）进行数据交换；　一同轴视觉信号处理单元（２２），接收激光加工头单元（４）中同轴视觉摄像机（１１）的测量数据，并与主控制单元（２０）进行数据交换；　一机器人控制单元（２３），存有用户控制程序，控制机器人本体（１）的运动，并与主控制单元（２０）通信；　一主控制单元（２０），存有主控制程序，对来自焊缝位置信号处理单元（２１）和同轴视觉处理单元（２２）的测量数据进行同步处理，进而驱动位置修正装置（３），实现焊缝跟踪和补偿。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗振军，王琛元，贺云，姜春英，邹媛媛，田永利，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]