焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法

摘要

本发明提供了一种焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法，属于移动焊接机器人技术领域。本发明充分结合结构光视觉传感器检测区域超前于电弧实现焊接区前方接缝焊接坡口检测且电弧传感器实时获取焊炬位姿的优势，基于焊道等距逼近思想实现机器人本体轨迹在线动态规划与焊道跟踪的协同解耦控制。本发明能够提高移动焊接机器人在大型构件复杂轨迹焊缝焊接过程中的焊接速度稳定性与焊道跟踪精度，改善接缝轨迹局部大曲率和折角区域的焊缝成形质量，可应用于船舶、能源和轨道交通等装备制造的移动机器人焊接过程中，尤其适用于大转折或大曲率曲线焊缝的焊接场合。

主权项

一种焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：1)建立移动焊接机器人系统坐标系，包括：基础笛卡尔坐标系O_xyz、机器人本体坐标系M_xyz、机载执行机构坐标系U_xyz和结构光传感器坐标系L_xyz，其中，机载执行机构坐标系U_xyz与结构光传感器坐标系L_xyz的x轴正向与机器人本体直行前进的方向一致，z轴正向与地面法线的方向一致，y轴正向由左手法则确定，机载执行机构坐标系U_xyz的原点位于机载执行机构与机器人本体的固定连接处；2)当焊接电弧以摆动、旋转或摆动‑旋转复合运动形式扫描坡口时，采用结构光传感器提取焊接区前方接缝焊接坡口特征点i的位置信息，包括焊接坡口特征点i与焊炬在结构光传感器坐标系L_xyz中y轴方向上的偏差距离E_i和焊接坡口特征点在结构光传感器坐标系L_xyz中的坐标，同时采用电弧传感器实时地采集电弧能量信号，采用积分差值法、特征谐波法或极值法提取经过信号滤波与放大处理后的电弧能量信号中的实时焊炬位姿信息，由机载执行机构根据所获取的实时焊炬位姿信息调整焊炬位姿，在机载执行机构调整焊炬位姿的同时电弧传感器开始下一周期的电弧能量信号采集，如此循环，即实现焊道跟踪；3)根据焊接坡口特征点在结构光传感器坐标系L_xyz中的坐标，进行坐标变换至基础笛卡尔坐标系O_xyz，获得焊接坡口特征点i的坐标G_i＝(x_i,y_i)；4)根据步骤2)和3)依次求解一系列焊接坡口特征点的坐标，获得一个焊接坡口特征点坐标序列{G₁,G₂,...,G_N}与一个偏差距离数组{E₁,E₂,...,E_N}，其中$N=\frac{\lambda }{{\mathrm{vT}}_{op}}+1$式中：λ为结构光传感器前置于焊炬的距离，v为焊接速度，T_op为焊接坡口特征点位置信息提取周期；5)采用样条曲线对焊接坡口特征点坐标序列进行拟合计算，得到待焊轨迹函数S(x)并进行求导，求解焊接坡口特征点坐标序列中各焊接坡口特征点在待焊轨迹函数S(x)上的切线斜率k_i,i＝1,2,...,N，得到包含N个焊接坡口特征点位姿矩阵P_i＝[x_i y_i arctan(k_i)],i＝1,2,...,N的集合；6)设定阈值σ与进行比较，并设定阈值ζ与ΔE进行比较，当或ΔE>ζ时，机器人本体执行连续路径运动轨迹规划；当或ΔE<‑ζ时，机器人本体执行绕车体中心原地转弯轨迹规划；当且‑ζ≤ΔE≤ζ时，机器人本体执行点到点直行轨迹规划；其中$\left\{\begin{array}{c}\Delta E=E_N-E_1\\ \sigma =L_m-L_s+\frac{1}{2}{L}_a,\frac{1}{2}{L}_a<L_m<L_a\\ \zeta =\frac{1}{4}{L}_a\end{array}\right.$式中：E₁和E_N分别为第1个和第N个焊接坡口特征点与焊炬在结构光传感器坐标系L_xyz中y轴方向上的的偏差距离，L_s为焊炬在机载执行机构坐标系U_xyz中的y坐标，L_a为机载执行机构在机载执行机构坐标系U_xyz中y轴方向上的最大工作行程，L_m为机载执行机构在机载执行机构坐标系U_xyz中y轴方向上的预设工作行程；7)机器人本体根据连续路径运动轨迹规划、绕车体中心原地转弯轨迹规划或点到点直行轨迹规划执行位姿调整，同时重复步骤2)～6)，进行下一次的轨迹规划，即实现焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制。