焊接過程中軌跡在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃與焊道跟蹤協(xié)同的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)（式）焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種焊接過程中軌跡在線動(dòng)態(tài) 規(guī)劃與焊道跟蹤協(xié)同的控制方法，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化焊接等方面。
【背景技術(shù)】
[0002] 在能源裝備、重型機(jī)械、船舶制造等領(lǐng)域中的大型構(gòu)件焊接場合，移動(dòng)焊接機(jī)器人 因其大范圍運(yùn)動(dòng)能力等優(yōu)勢成為解決大尺度、復(fù)雜的空間曲線焊縫自動(dòng)化焊接的有效方 法。受安裝于移動(dòng)焊接機(jī)器人的機(jī)器人本體上機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置（例如機(jī)械臂、直角坐標(biāo) 系式X-Y滑架等）的工作行程所限制，需要結(jié)合機(jī)器人本體實(shí)時(shí)調(diào)整其位置與姿態(tài)以保證 焊炬對中焊縫中心，即在機(jī)器人本體與機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制下進(jìn)行焊接作業(yè)。
[0003] 現(xiàn)有的移動(dòng)焊接機(jī)器人主要采用單一類型的焊縫跟蹤傳感器，包括電弧傳感器、 視覺傳感器二類：采用電弧傳感器的移動(dòng)焊接機(jī)器人僅檢測熔池區(qū)域并從中獲取焊接偏差 信息，機(jī)器人本體根據(jù)電弧傳感器獲取的實(shí)時(shí)焊接偏差信息或機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際糾偏行 為調(diào)整位姿，要求機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較大的有效工作行程；而且，機(jī)器人本體對焊道的跟隨 運(yùn)動(dòng)易受移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)電慣性影響導(dǎo)致控制滯后，特別是在曲線焊縫軌跡局部 大曲率區(qū)域與折角區(qū)域等需要移動(dòng)焊接機(jī)器人執(zhí)行大角度轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)以跟蹤焊縫軌跡的區(qū) 域，因難以及時(shí)調(diào)整位姿，極易產(chǎn)生偏焊缺陷，或因焊接速度變化導(dǎo)致焊縫成形不良；采用 視覺傳感器的移動(dòng)焊接機(jī)器人為了避免強(qiáng)烈弧光干擾，視覺傳感器檢測區(qū)域通常與電弧熔 池區(qū)域存在一定距離，難以實(shí)時(shí)補(bǔ)償因焊接母材受熱變形導(dǎo)致焊縫位置與尺寸的變化。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)均難以兼顧移動(dòng)焊接機(jī)器人對大尺度的復(fù)雜軌跡焊縫焊接過 程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)精度，并且難以解決機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)與機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制耦合 的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種焊接過程中軌跡在線動(dòng)態(tài)規(guī) 劃與焊道跟蹤協(xié)同的控制方法，以便實(shí)現(xiàn)大尺度復(fù)雜軌跡焊縫焊接中的焊道精確跟蹤的同 時(shí)保證焊縫成形質(zhì)量。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0007] -種焊接過程中軌跡在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃與焊道跟蹤協(xié)同的控制方法，包括以下步驟：
[0008] 1)建立移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系，包括：基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz、機(jī)器人本體坐 標(biāo)系M xyz、機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Uxyz和結(jié)構(gòu)光傳感器坐標(biāo)系L xyz，其中，機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系 Uxyz與結(jié)構(gòu)光傳感器坐標(biāo)系L xyz的X軸正向與機(jī)器人本體直行前進(jìn)的方向一致，z軸正向與 地面法線的方向一致，y軸正向由左手法則確定，機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系U xyz的原點(diǎn)位于機(jī)載 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體的固定連接處；
[0009] 2)當(dāng)焊接電弧以擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)-旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式掃描坡口時(shí)，采用結(jié)構(gòu)光 傳感器提取焊接區(qū)前方接縫焊接坡口特征點(diǎn)i的位置信息，包括焊接坡口特征點(diǎn)i與焊炬 在結(jié)構(gòu)光傳感器坐標(biāo)系Lxyz* y軸方向上的偏差距離E i和焊接坡口特征點(diǎn)在結(jié)構(gòu)光傳感器 坐標(biāo)系Lxyz中的坐標(biāo)，同時(shí)采用電弧傳感器實(shí)時(shí)地采集電弧能量信號，采用積分差值法、特 征諧波法或極值法提取經(jīng)過信號濾波與放大處理后的電弧能量信號中的實(shí)時(shí)焊炬位姿信 息，由機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)所獲取的實(shí)時(shí)焊炬位姿信息調(diào)整焊炬位姿，在機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整 焊炬位姿的同時(shí)電弧傳感器開始下一周期的電弧能量信號采集，如此循環(huán)，即實(shí)現(xiàn)焊道跟 蹤；
[0010] 3)根據(jù)焊接坡口特征點(diǎn)在結(jié)構(gòu)光傳感器坐標(biāo)系Lxyz中的坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)變換至基 礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz，獲得焊接坡口特征點(diǎn)i的坐標(biāo)G1= (X D yi);
[0011] 4)根據(jù)步驟2)和3)依次求解一系列焊接坡口特征點(diǎn)的坐標(biāo)，獲得一個(gè)焊接坡口 特征點(diǎn)坐標(biāo)序列（G1, G2,. . .，GJ與一個(gè)偏差距離數(shù)組（E1, E2,. . .，EJ，其中
[0013] 式中：λ為結(jié)構(gòu)光傳感器前置于焊炬的距離，V為焊接速度，Tcip為焊接坡口特征點(diǎn) 位置信息提取周期；
[0014] 5)采用樣條曲線對焊接坡口特征點(diǎn)坐標(biāo)序列進(jìn)行擬合計(jì)算，得到待焊軌跡函 數(shù)S(X)并進(jìn)行求導(dǎo)，求解焊接坡口特征點(diǎn)坐標(biāo)序列中各焊接坡口特征點(diǎn)在待焊軌跡函數(shù) S(X)上的切線斜率h，i = 1，2, ...，Ν，得到包含N個(gè)焊接坡口特征點(diǎn)位姿矩陣P1= [X i yi arctan 00 ]，i = 1，2, · · ·，N 的集合；
[0015] 6)設(shè)定閾值σ與
進(jìn)行比較，并設(shè)定閾值ζ與ΔΕ進(jìn)行比較，當(dāng) 或ΔΕ> ζ時(shí)，機(jī)器人本體執(zhí)行連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃：
，或ΑΕ〈_ζ時(shí)，機(jī)器
人本體執(zhí)行繞車體中心原地轉(zhuǎn)彎軌跡規(guī)劃； 器人本體執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)直行軌跡規(guī)劃，其中：
[0017] 式中：EJP En*別為第1個(gè)和第N個(gè)焊接坡口特征點(diǎn)與焊炬在結(jié)構(gòu)光傳感器坐標(biāo) 系Lxyz中y軸方向上的的偏差距離，L sS焊炬在機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Uxyz中的y坐標(biāo)，LaS 機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Uxyz* y軸方向上的最大工作行程，Lni為機(jī)載執(zhí)行機(jī) 構(gòu)在機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Uxyz中y軸方向上的預(yù)設(shè)工作行程；
[0018] 7)機(jī)器人本體根據(jù)連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、繞車體中心原地轉(zhuǎn)彎軌跡規(guī)劃或點(diǎn)到 點(diǎn)直行軌跡規(guī)劃執(zhí)行位姿調(diào)整，同時(shí)重復(fù)步驟2)~6)，進(jìn)行下一次的軌跡規(guī)劃，即實(shí)現(xiàn)焊 接過程中軌跡在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃與焊道跟蹤協(xié)同的控制。
[0019] 上述技術(shù)方案中，步驟6)中所述連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，采用的方法是：
[0020] 根據(jù)步驟5)中所述焊接坡口特征點(diǎn)位姿矩陣的集合，采用下式：
[0022] 計(jì)算機(jī)器人本體在機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軌跡上第i點(diǎn)的位姿矩陣： 1:1^|^，7 |^，9|：)丄（1 = 1，2，...，吣，其中：5匕）為在待焊軌跡函數(shù)5(1)上第;[點(diǎn)的函數(shù) 值，xpi，y pi分別為機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軌跡上第i點(diǎn)在基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz中的坐標(biāo)，θ ρι為 機(jī)器人本體在機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軌跡上第i點(diǎn)的方位角，采用樣條曲線對機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軌 跡上全部點(diǎn)的坐標(biāo)（x pi, ypi)，i = 1，2, ...，N進(jìn)行插值計(jì)算，生成連續(xù)和平滑的機(jī)器人本體 運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0023] 上述技術(shù)方案中，步驟6)中所述繞車體中心原地轉(zhuǎn)彎軌跡規(guī)劃，采用的方法是：
[0024] 控制機(jī)器人本體左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪速度大小相等，方向相反，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 本體繞車體中心原地轉(zhuǎn)彎，機(jī)器人本體轉(zhuǎn)彎角度θ κ采用下式計(jì)算：
[0026] 上述技術(shù)方案中，步驟6)中所述點(diǎn)到點(diǎn)直行軌跡規(guī)劃，采用的方法是：
[0027] 保持機(jī)器人本體左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪速度穩(wěn)定，使機(jī)器人本體沿當(dāng)前方向移動(dòng)距離長 度為λ，移動(dòng)速度大小保持不變。
[0028] 本發(fā)明所述焊炬采用磁控旋轉(zhuǎn)式焊炬、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式焊炬、電控?cái)[動(dòng)式焊炬或機(jī)械 擺動(dòng)式焊炬的一種。
[0029] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：充分結(jié)合結(jié)構(gòu)光視覺傳感器檢測區(qū)域 超前于電弧實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)前方接縫焊接坡口檢測且電弧傳感器實(shí)時(shí)獲取焊炬位姿的優(yōu)勢通 過對機(jī)器人本體與機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)同解耦控制，能夠有效解決移動(dòng)焊接機(jī)器人對大尺度 的復(fù)雜空間曲線焊縫焊接過程中因機(jī)電慣性導(dǎo)致跟蹤控制滯后、難以兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)與靜態(tài) 精度等技術(shù)問題；提高了移動(dòng)焊接機(jī)器人的焊接速度穩(wěn)定性和焊接軌跡平滑度，特別是能 夠改善曲線焊縫軌跡局部大曲率區(qū)域與折線焊縫折角區(qū)域的焊縫成形質(zhì)量。該方法在對大 型構(gòu)件復(fù)雜軌跡焊縫自動(dòng)焊中較傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可廣 泛應(yīng)用于船舶、重型機(jī)械、能源和軌道交通等裝備制造的移動(dòng)機(jī)器人焊接過程中，尤其適用 于大型筒體環(huán)焊縫、龍門起重機(jī)大梁側(cè)邊焊縫、斗輪堆取料機(jī)斗輪焊縫、機(jī)車中梁與側(cè)構(gòu)弦 梁焊縫等大轉(zhuǎn)折或大曲率曲線焊縫的焊接場合。