淺談具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

詹岑

摘 要：具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人將視覺傳感器引入到機(jī)器人控制系統(tǒng)，并基于視覺信息完成機(jī)器人的智能控制和規(guī)劃，可以增加機(jī)器人對周圍環(huán)境和操作對象的自適應(yīng)性，拓寬機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。本文以智能切割機(jī)器人為例，通過對機(jī)器人的編程和控制，實(shí)現(xiàn)切割、焊接的規(guī)劃和自動(dòng)執(zhí)行，顯著提高了切割、焊接的速度和效率，機(jī)器人切割、焊接系統(tǒng)成為金屬板材，以及其他特殊新材料精密加工的必然發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；智能焊接/切割；視覺

焊接和切割機(jī)器人是目前制造業(yè)中應(yīng)用最多的機(jī)器人系統(tǒng)之一，目前的技術(shù)特點(diǎn)是以示教為主，軌跡、路徑等主要是靠示教方式進(jìn)行，對于復(fù)雜的零部件而言，眾多的示教點(diǎn)給操作人員帶來的額外的工作量。隨著步入“工業(yè)4.0”時(shí)代，個(gè)性化定制的需求越來越強(qiáng)烈，這些決定了在機(jī)器人的控制和規(guī)劃中，引入智能化手段，如視覺反饋等，越來越緊迫。將視覺傳感器引入到機(jī)器人控制系統(tǒng)，并基于視覺信息完成機(jī)器人的智能控制和規(guī)劃，可以增加機(jī)器人對周圍環(huán)境和操作對象的自適應(yīng)性，拓寬機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)視覺伺服是機(jī)器人視覺反饋的主要目的之一，視覺伺服方法可分為基于位置的和基于圖像的視覺伺服以及2.5D結(jié)構(gòu)控制。但是，這些方法的實(shí)現(xiàn)都需要精確的標(biāo)定攝像機(jī)模型和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可在實(shí)際中，不可能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確標(biāo)定，這一缺陷大大限制了視覺伺服在實(shí)際工程中的應(yīng)用?，F(xiàn)有的一些無標(biāo)定視覺伺服技術(shù)或者是針對靜態(tài)系統(tǒng)提出的，或者是針對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，但無法消除動(dòng)態(tài)殘差項(xiàng)的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)會出現(xiàn)無法跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的現(xiàn)象。而且，也沒有成熟的針對眼在手上結(jié)構(gòu)的無標(biāo)定視覺伺服算法。鑒于此，一種與機(jī)器人和攝像機(jī)類型以及攝像機(jī)位置都無關(guān)，即不需要標(biāo)定系統(tǒng)模型的無標(biāo)定視覺伺服成為學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。

1 具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用研究內(nèi)容

新型高精度智能焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)總體布局、配套加持機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)；新型結(jié)構(gòu)及控制方案仿真驗(yàn)證與優(yōu)化，包括仿真環(huán)境的構(gòu)建、結(jié)構(gòu)建模、控制系統(tǒng)建模、傳感器系統(tǒng)建模等；基于機(jī)器人系統(tǒng)的三維異形零件焊接/切割高精度加工的控制方法研究及加工工藝研究，包括影響精度的因素的研究，以及相應(yīng)的控制方法的研究；基于三維虛擬環(huán)境的高精度機(jī)器人焊接/切割過程軌跡規(guī)劃、人機(jī)交互和自動(dòng)化焊接/切割方法研究及軟件系統(tǒng)研發(fā)。

2 具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用研究實(shí)例

2.1 技術(shù)路線

高精度機(jī)器人三維激光焊接/切割系統(tǒng)由機(jī)器人及其控制器、激光器及其控制器、隨動(dòng)控制模塊、上位機(jī)控制軟件子系統(tǒng)（包括視覺反饋信息處理）、以及基于三維虛擬環(huán)境的焊接/切割工藝規(guī)劃子系統(tǒng)構(gòu)成，如下圖所示。通過對激光器、機(jī)器人等的離線建模，實(shí)現(xiàn)對不同焊接/切割對象輸入的工藝規(guī)劃和仿真驗(yàn)證，并將最終的結(jié)果下達(dá)給上位機(jī)子系統(tǒng)，上位機(jī)根據(jù)規(guī)劃結(jié)果自動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接/切割過程。

圖1 技術(shù)路線（以智能切割機(jī)器人系統(tǒng)為例）

2.2 采用的試驗(yàn)方法

基于視覺反饋的高精度機(jī)器人焊接/切割系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

通過該方面的研究，從而解決：焊接/切割精度和質(zhì)量受工藝的影響較大，依靠人工經(jīng)驗(yàn)來制定規(guī)劃工藝，如路徑、焊接/切割頭方向等，難以保證對不同形狀零件焊接/切割質(zhì)量的一致性，精度在受限于機(jī)器人本體的精度，以及工裝夾具的定位精度，系統(tǒng)整體布局對效率，特別是對批量或復(fù)雜形狀零件的加工的效率具有重要的影響等問題。通過引入視覺反饋，實(shí)現(xiàn)高效、智能化的機(jī)器人焊接/切割。

3 具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展趨勢

基于視覺反饋的工業(yè)機(jī)器人高效控制和規(guī)劃方法研究方面要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題包括：無標(biāo)定視覺伺服系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤問題；精度高，速度快，魯棒性強(qiáng)的圖像處理技術(shù)；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位移估計(jì)方法；高效、輕質(zhì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)；無標(biāo)定伺服系統(tǒng)與機(jī)器人的集成技術(shù)。

圖2 基于視覺反饋的高精度機(jī)器人焊接/切割流程

具有感知和規(guī)劃能力的智能焊接/切割機(jī)器人系統(tǒng)方面的擬解決的關(guān)鍵問題包括：精度和質(zhì)量受工藝的影響較大，依靠人工經(jīng)驗(yàn)來制定規(guī)劃工藝，如路徑、焊接/切割頭方向等，難以保證對不同形狀零件焊接/切割質(zhì)量的一致性；精度在受限于機(jī)器人本體的精度，以及工裝夾具的定位精度；系統(tǒng)整體布局對效率，特別是對批量或復(fù)雜形狀零件的加工的效率具有重要的影響。

針對以上關(guān)鍵問題，提出以下三個(gè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢：基于“眼在手上”結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)無標(biāo)定視覺伺服控制算法，通過對圖像Jacobin矩陣的變化量作出估計(jì)，解決現(xiàn)有算法因缺乏對Jacobin矩陣隨時(shí)間增量的變化估計(jì)，導(dǎo)致機(jī)器人無法跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的問題；針對現(xiàn)有算法忽略動(dòng)態(tài)殘差項(xiàng)對系統(tǒng)跟蹤性能的影響，應(yīng)用無標(biāo)定視覺伺服算法的動(dòng)態(tài)殘差項(xiàng)估計(jì)方法，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高無標(biāo)定視覺伺服控制算法的魯棒性。提出基于視覺信息反饋的焊接/切割機(jī)器人閉環(huán)控制策略，通過在線視覺檢測和實(shí)時(shí)反饋，來保證焊接/切割的精度，以及對焊接/切割過程誤差的修正。提出離線焊接/切割工藝建模、規(guī)劃與仿真驗(yàn)證，在線執(zhí)行和修正的“虛”“實(shí)”結(jié)合的方法，以及基于三維環(huán)境的系統(tǒng)人機(jī)交互方法，保證了工藝規(guī)劃的可靠性、對焊接/切割對象的適應(yīng)性，避免示教工藝規(guī)劃對操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，同時(shí)提高焊接/切割精度和操作的方便性。

4 結(jié)語

從應(yīng)用角度來看，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人和切割、焊接等技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢，通過對機(jī)器人的編程和控制，實(shí)現(xiàn)切割、焊接的規(guī)劃和自動(dòng)執(zhí)行，顯著提高了切割、焊接的速度和效率，機(jī)器人切割、焊接系統(tǒng)成為金屬板材，以及其他特殊新材料精密加工的必然發(fā)展趨勢。在汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，是板材加工、關(guān)鍵零部件加工的主要手段，具有精度高、速度快等特點(diǎn)，通過引入視覺反饋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的規(guī)劃和控制，可有效提高系統(tǒng)的智能化水平、大幅提高效率。

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