一种基于机械臂手眼协调自主焊接控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种基于机械臂手眼协调自主焊接控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术不断发展，以及机器人取代人工的领域迅速增加，采用机器人进行 作业，降低处理难度，避免工作人员的意外发生，对提高科技整体技术水平和作业效率具有 重要意义。
[0003] 世界上已有的车载机械手型机器人包括履带式"手推车"、"超级手推车" MPR-800 型多功能智能机器人、"安德鲁斯HD-Γ机器人、"灵蜥A"和"灵蜥B"排爆机器人、"RAPT0P-E0D"中型排爆机器人等。而控制系统是机器人中至关重要的一部分，控制系统的核心是手 眼协调、逆运动算法和连续轨迹运动规划方法，其好坏程度直接影响着机器人的功能、可靠 程度及操作性能等。
[0004] 针对机器人作业环境的特殊情况，可靠性和效率是它的一个重要因素。如果机器 人的输入信息不准确，将会带来一系列问题。在6自由度的机械手焊接作业时，必须采用各 关节联动的远程遥控方式，这种方法前提是控制系统准确获取任意焊缝曲线的坐标。人工 示教的方法要求机械手根据经验记录作业轨迹，这对机械手末端手爪的定位抓取造成了极 大困难。该种方式对操作人员的训练程度要求高且造成的精神负担较大，容易疲劳而且操 作效率较低。
[0005]如果在机械手末端安装双目视觉，在作业前由双目视觉系统沿着焊缝表面的最佳 测量范围内依靠人工遥操作测试焊缝坐标，由于测量距离是范围，且焊接姿态是根据焊缝 坐标计算出来，因此可以高效的获取焊缝信息与作业姿态。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于机械臂手眼协 调自主焊接控制方法。本发明解决了现有焊接基本采用单纯人工遥操作、人工示教辅助、离 线编程等方法，增加了机械手末端焊接定位困难，造成操作人员的精神负担较大，容易疲劳 而且操作效率较低等问题。
[0007] 本发明通过下述技术方案实现：
[0008] -种基于机械臂手眼协调自主焊接控制方法，包括如下步骤：
[0009] (1)人工遥操作机械手，使得双目视觉在距离焊缝的最佳范围内沿着焊缝移动测 量焊缝的坐标，并将测量的焊缝坐标由双目视觉的测量基坐标换算到机械手的基坐标； [0010] (2)计算焊缝各点的作业位姿矩阵；
[0011] (3)调用运动学反变换法求得机械手的各关节逆解的角度序列；
[0012] (4)人工设定作业参数，完成一次性焊接。
[0013] 上述步骤（1)所述双目视觉在距离焊缝的最佳范围，是指选取焊缝作业误差允许 范围内的插补点序列坐标。
[0014] 上述步骤(2)所述计算焊缝各点的作业位姿矩阵，是根据各插补点的位置，以及插 补点所在平面的法线方向确定焊枪对插补点序列的焊枪位姿序列。
[0015] 上述步骤(3)各关节逆解的角度序列，是通过运动学逆解方法方法中的反变换法， 求得各关节在焊缝序列点的作业位置。
[0016] 上述步骤(4)人工设定作业参数，是指人工设定作业时间，各插补点的各关节速度 可求，实现焊枪一次性作业完成。
[0017] 在上述步骤（1)中，以1 〇个点为例，检测到的焊缝序列点相对机械手的基坐标为Pi (Xl，yi，Zl) · · .PlQ(Xl()，yi()，Zl())，并在各点的局部法平面上取参考点Pl2(X12，yi2，Z12) ;P23 (X23 , y23 ,Z23) . . .P91〇(x910,y910,Z91〇);
[0018] 在上述步骤(2)中，过三点的平面方程为：
[0019]
[0020]将其展开为：
[0021 ] [ (yi-yi2) (z2-zi2)-(y2-yi2) (ζι-ζ?2) ] (χ-χ?2)
[0022] +[ (Χ2-Χ12) (Ζ1_Ζ12)-(Χ1-Χ12) (Ζ2-Ζ12) ] (y-yi2)
[0023] +[ (χι_χ?2) (y2-yi2)-(X2~xi2) (yi-yi2) ] (ζ_ζ?2) ] = 0
[0028] 归一化处理得：[0029] axi = -(yi_yi2) (Z2-zi2) + (y2-yi2) (Z1-Z12)[0030] ayl = -(x2_X12) (zi-Z12) + (xi_X12) (Z2_Z12)[0031 ] azi = -(xi_xi2) (y2-yi2) + (X2~xi2) (yi-yi2)
[0024] 届部悝培占平而的法向向量为，
[0025]
[0026]
[0027]
[0032] 归一化处理
[0033] a是手爪坐板. _______
[0034] 焊枪的移动方向〇,就是相邻两个焊点的连线，即？1和内连线的方向平行，注意:方 向始终是焊枪行走方向，也就是从前一个点指向后一个点，也就是手爪坐标的y方向；
[0035] 〇 = (X2-xi,y2~yi,Ζ2~ζι)
[0036] 〇χ=Χ2~χι
[0037] oy = y2-yi
[0038] 〇ζ = Ζ2~ζι
[0039] 焊枪的摆动方向n垂直于焊枪移动方向o与焊枪接近向量a，方向是有定义方向的， 因为是上下往复摆动；
[0040] Π - Ο X ￡1 - ( Oyclz_Ozcly j Ozclx_Oxclz j Oxcly_Oyclx)
[0041] Πχ - Oyclz _Ozcly
[0042] tly - Ozclx_Oxclz
[0043] Πζ - Oxcly-OyBx
[0044] 焊接某焊点作业姿态相对于机械手基坐标的矩阵T表达式：
[0045]
[0046] 因此，每个焊点的坐标和焊枪姿态可求;依此类推，可求10个焊枪作业点的位姿矩 阵；
[0047] 在上述步骤(3)中，对于具有封闭解结构的机械手采用工业机器人运动逆解析法 求得各焊点作业时的关节序列角，,031......(0^,02", θ3η,θ4η,θ5η, θ6η)〇
[0048] 在上述步骤(4)中，人工设定作业时间，可求各插补区间的速度，实际作业过程中， 各关节依据各插补区间的角度和速度按照序列执行，焊枪一次性完成作业。
[0049] 上述步骤(3)的逆解式如下：由于焊枪的长度dt已知，因此，当某焊点的焊枪作业
姿态确定，机械手的最末关节的姿态和位置也得以确定，即
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 令 k4i = ciC23ax+siC23ay_S23az; k42 = _ciS23ax_siS23ay_C23az; k43 = _siax+ciay;
[0058] ,
[0059] 本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
[0060] 本发明提出的基于机械臂手眼协调自主焊接控制方法，采用具备双目视觉定位功 能可遥操作的6自由度焊接机器人，取代人工示教辅助，运用离线编程方法，减少了机械手 末端焊接定位困难，减轻了操作人员的精神负担较大提高了工作效率。
【附图说明】
[0061 ]图1为本机械手示意图；图中：1为第1关节、2为第2关节、3为第3关节、4为第4关节、 5为第5关节、6为第6关节、8为双目摄像头;双目摄像头安装在第5关节或第6关节上。各关节 的旋转方向中用正负号表示。
[0062]图2为图1机械手各关节坐标与双目视觉基坐标关系简化图；图中：xe，ye，ze分别 为双目摄像头光心相对于第5关节、第6关节交点的坐标，dt是焊枪的长度在z6方向长度之 和。
【具体实施方式】
[0063]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0064] 实施例
[0065] 如图1、2所示。本发明公开了一种基于机械臂手眼协调自主焊接控制方法，可通过 如下步骤实现：
[0066] (1)人工遥操作机械手，使得双目视觉在距离焊缝的最佳范围内沿着焊缝移动测 量焊缝的坐标，并将测量的焊缝坐标由双目视觉的测量基坐标换算到机械手的基坐标；
[0067] (2)计算焊缝各点的作业位姿矩阵；
[0068] (3)调用运动学反变换法求得机械手的各关节逆解的角度序列；
[0069] (4)人工设定作业参数，完成一次性焊接。
[0070] 上述步骤（1)所述双目视觉在距离焊缝的最佳范围，是指选取焊缝作业误差允许 范围内的插补点序列坐标。具体可根据自身参数和试验确定，人工遥操作机械手末端的双 目装置，在距离焊缝最佳测量范围内移动，选取焊缝作业误差允许范围内的插补点序列坐 标，由于双目视觉的测量基坐标原点，相对于机械臂的基坐标根据空间坐标转换的方法计 算出来，因此，焊缝的插补点序列相对于机械手的基坐标位置可以求得；
[0071] 上述步骤(2)所述计算焊缝各点的作业位姿矩阵，是根据各插补点的位置，以及插 补点所在平面的法线方向确定焊枪对插补点序列的焊枪位姿序列。
[0072] 上述步骤(3)各关节逆解的角度序列，是通过运动学逆解方法方法中的反变换法 (代数法），求得各关节在焊缝序列点的作业位置。
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