焊接機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)研究現(xiàn)狀

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 序 言

近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在焊接產(chǎn)品的加工中，采用機(jī)器人進(jìn)行焊接在提高焊接生產(chǎn)效率、保證焊接質(zhì)量、提高焊接生產(chǎn)柔性自動化等方面顯示了無可比擬的優(yōu)勢，已逐漸取代了傳統(tǒng)的人工焊接。而機(jī)器人定位精度是影響焊接機(jī)器人性能的重要因素，因此對焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定是提高機(jī)器人定位精度、提升焊接質(zhì)量的必然要求[1]。機(jī)器人定位精度包含兩個重要指標(biāo)：一個是機(jī)器人的絕對定位精度，它是指機(jī)器人到達(dá)某空間點(diǎn)的能力；另一個是機(jī)器人的重復(fù)定位精度，它是指機(jī)器人在示教某個空間點(diǎn)以后，重復(fù)到達(dá)該點(diǎn)的能力[2]。對于采用示教再現(xiàn)方式工作的焊接機(jī)器人而言，每次進(jìn)行焊接之前，需要對焊點(diǎn)位置進(jìn)行示教，記錄當(dāng)前的焊點(diǎn)信息，此時影響機(jī)器人定位精度的主要因素變?yōu)榱藱C(jī)器人的重復(fù)定位精度。一般而言，機(jī)器人的重復(fù)定位精度較高，能達(dá)到±0.05 mm左右。有的機(jī)器人在工作前需要進(jìn)行離線編程，對于這類機(jī)器人而言，由于虛擬工作環(huán)境和真實(shí)工作環(huán)境存在偏差，因此機(jī)器人的絕對定位精度成為影響焊接機(jī)器人定位精度的主要因素，一般來說機(jī)器人的絕對定位精度很低，有的甚至可達(dá)厘米數(shù)量級誤差，在進(jìn)行正常工作之前需要進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定來提高其精度[3]。

對于焊接機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)的研究，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了大量的工作，其研究方向主要有以下幾個方面：焊接機(jī)器人本體標(biāo)定，機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定，工件坐標(biāo)系標(biāo)定以及機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的標(biāo)定[4]。文中對以上標(biāo)定技術(shù)展開綜述，從標(biāo)定原理以及詳細(xì)的標(biāo)定方法進(jìn)行介紹，通過對各種標(biāo)定方法的研究，比較各標(biāo)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能為以后焊接機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)的研究提供一些理論參考，促進(jìn)焊接機(jī)器人的智能化水平。

1 機(jī)器人本體標(biāo)定

焊接機(jī)器人離線編程技術(shù)對一些復(fù)雜焊接產(chǎn)品的加工提供了良好的解決方案，在機(jī)器人離線編程軟件中，可以事先對復(fù)雜工件三維模型進(jìn)行焊接路徑的規(guī)劃和優(yōu)化，避免碰撞的發(fā)生。但離線編程系統(tǒng)中的仿真模型和實(shí)際機(jī)器人工作環(huán)境存在一定誤差，因此需要對焊接機(jī)器人進(jìn)行本體標(biāo)定。機(jī)器人本體標(biāo)定也稱為機(jī)器人連桿參數(shù)標(biāo)定，它是通過對機(jī)器人姿態(tài)的測量，計算其誤差，利用一些特定算法對誤差進(jìn)行補(bǔ)償來提高焊接機(jī)器人本體精度的過程[5]。其標(biāo)定方法一般包括四個步驟：①運(yùn)動學(xué)建模；②數(shù)據(jù)測量；③參數(shù)辨識；④誤差補(bǔ)償。

1.1 運(yùn)動學(xué)建模

運(yùn)動學(xué)模型是描述機(jī)器人關(guān)節(jié)位置與末端執(zhí)行器位置和方向之間的解析關(guān)系[6]。最經(jīng)典的運(yùn)動學(xué)模型是D-H模型[7]，該模型的基本思路是給機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)指定一個特定的參考坐標(biāo)系，然后通過連桿間的齊次矩陣變換聯(lián)系起來，它創(chuàng)立了對機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)建模的新方法，可用于任何的機(jī)器人構(gòu)型，但當(dāng)相鄰兩軸平行時模型存在奇異性，導(dǎo)致參數(shù)不太容易辨識。在D-H模型思想的影響下，眾多學(xué)者為了克服上述弊端，對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行了深入的研究。比較有代表性的是Stone[8]提出的S模型，他的基本思想是在標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法的基礎(chǔ)上，為了避免奇異性，他在原有DH模型前乘以相應(yīng)的矩陣分別用來表示旋轉(zhuǎn)和平移，較好的解決了D-H模型的弊端。Sheth[9]提出了一種形狀矩陣模型，該模型可以將坐標(biāo)系設(shè)定在連桿上的任意位置，容易應(yīng)用到機(jī)器人上。

1.2 數(shù)據(jù)測量

在機(jī)器人標(biāo)定的過程中，需要對機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，測量手段以及測量設(shè)備的選擇非常重要，測量設(shè)備精度的高低和使用條件的不同將直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而對焊接機(jī)器人本體標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響[10]。目前用于機(jī)器人連桿姿態(tài)測量的方式主要有兩種類型，一種是借助外部精密的設(shè)備來測量，其主要應(yīng)用設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[11-12]。

表1 測量設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)

此類測量方式的原理是通過一些位置傳感器來獲取機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿信息，圖1所示的是利用激光跟蹤儀來測量機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)信息，它利用接收由固定在機(jī)器人末端上的靶球反射過來的激光束，通過自帶的計算軟件來獲得機(jī)器人末端姿態(tài)信息。

圖1 激光跟蹤儀測量機(jī)器人精度

另一類測量方式是借助機(jī)器人本身傳感器而不需要外部設(shè)備的簡單標(biāo)定方法，此類方法可以大大節(jié)省標(biāo)定成本，使用起來比較方便，對操作者要求較低，可應(yīng)用于現(xiàn)場。比較典型的是劉振宇等人[13]提出的利用一種凹槽球面接觸裝置，來測量機(jī)器人末端連桿參數(shù)的簡易標(biāo)定方法，其測量裝置如圖2所示。圖中A和B部分的凹槽均與中間的圓球同心，且半徑均為r。將A部分固定在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，其機(jī)器人的中軸線與機(jī)器人第6軸軸線重合。操作機(jī)器人以不同的姿態(tài)讓A部分緊密地靠在置于固定位置的圓球上，分別記錄機(jī)器人此刻的位置，重復(fù)多次試驗(yàn)，就可以求出所測量的誤差。

1.3 參數(shù)辨識

參數(shù)辨識的目的是根據(jù)前面所述對機(jī)器人關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)測量值來計算機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的模型參數(shù)[14]。最小二乘法作為常見的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人連桿參數(shù)的辨識中，但這種計算方法有其不可避免的弊端，計算量會隨著未知參數(shù)的增大而成倍增大，計算起來較為困難。除此方法以外，很多學(xué)者也研究一些不同的參數(shù)辨識方法，例如Omodei等人[15]基于位姿匹配原理，采用了一種擴(kuò)展卡爾曼濾波法對5自由度的機(jī)器人幾何參數(shù)進(jìn)行了精確辨識；有些學(xué)者還對提高參數(shù)辨識的效率進(jìn)行了相關(guān)的研究，這些研究都為機(jī)器人誤差參數(shù)的辨識提供了理論基礎(chǔ)[16-17]。

圖2 機(jī)器人本體標(biāo)定簡易測量裝置

1.4 誤差補(bǔ)償

當(dāng)對機(jī)器人連桿姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量以及誤差辨識以后，接下來要做的就是誤差補(bǔ)償，它通過修正機(jī)器人關(guān)節(jié)變量來對機(jī)器人的位姿誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體標(biāo)定的目的[18]。目前對機(jī)器人誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕袃深?，一類是基于模型的方法；另一類是姿態(tài)插補(bǔ)方法。比較先進(jìn)的一種基于模型的誤差補(bǔ)償法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時誤差補(bǔ)償，它通過對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器人誤差相關(guān)的訓(xùn)練，得到機(jī)器人誤差源的作用規(guī)律，提高了誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時性[19-20]。

2 工具坐標(biāo)系標(biāo)定

焊接機(jī)器人在進(jìn)行焊接任務(wù)之前，需要在機(jī)器人末端法蘭盤上安裝不同規(guī)格的焊槍，因此需要對工具坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，然后將焊槍坐標(biāo)信息輸送到機(jī)器人控制柜中，才能準(zhǔn)確的控制焊槍的運(yùn)動。機(jī)器人坐標(biāo)系關(guān)系如圖3所示，圖3中{G}為焊接機(jī)器人基坐標(biāo)系；{E}為機(jī)器人末端法蘭中心坐標(biāo)系；{T}為焊槍坐標(biāo)系。

(1)

圖3 工具坐標(biāo)系標(biāo)定關(guān)系

目前常用的工具標(biāo)定方法主要有兩種：一種是外部基準(zhǔn)法，如ABB弧焊機(jī)器人利用BullEyes系統(tǒng)進(jìn)行工具坐標(biāo)系的自動標(biāo)定。宋月娥等人[21]利用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定塊實(shí)現(xiàn)了工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，該方法首先需要列出工具坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的位姿矩陣，然后通過示教機(jī)器人到標(biāo)準(zhǔn)塊上的點(diǎn)列出等式，從而得到工具參數(shù)；另一種是多點(diǎn)標(biāo)定法，比如四點(diǎn)標(biāo)定法、五點(diǎn)標(biāo)定法以及六點(diǎn)標(biāo)定法等，其主要思想是操作機(jī)器人使其工具中心點(diǎn)以多種不同的姿態(tài)去接觸標(biāo)定桿的頂點(diǎn)，通過機(jī)器人示教器讀取相關(guān)參數(shù)，利用相關(guān)的軟件平臺如CODESYS進(jìn)行計算，從而實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系的標(biāo)定。如圖4所示的采用六點(diǎn)標(biāo)點(diǎn)法的工具坐標(biāo)系標(biāo)定過程。在工作臺上豎直放置一端帶有尖點(diǎn)的標(biāo)定桿，手動操縱機(jī)器人分別用四種不同的姿態(tài)使焊槍靠上標(biāo)定桿的頂點(diǎn)并在示教器中記錄下每個姿態(tài)的信息。操縱機(jī)器人使焊槍以姿態(tài)4的形式從固定點(diǎn)沿標(biāo)定桿的+X方向移動一段距離到達(dá)姿態(tài)5，用示教器記錄下姿態(tài)5的位置信息，然后操縱機(jī)器人先回到姿態(tài)4(即焊槍垂直靠上標(biāo)定桿的位置)，再從固定點(diǎn)沿標(biāo)定桿的+Z方向移動一段距離到達(dá)姿態(tài)6，記錄此時的位置，標(biāo)定完成。

圖4 六點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定過程

3 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

在焊接機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確、快速完成一批工件的焊接任務(wù)，需要對工件坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定[22]。目前常見的標(biāo)定方法主要有兩種，一種是借助一些昂貴的設(shè)備如激光跟蹤儀、坐標(biāo)測量儀等進(jìn)行準(zhǔn)確的測定，但費(fèi)用較高，操作繁瑣；另一種方法是不需借助昂貴設(shè)備的快速標(biāo)定法，主要有幾下幾種：清華大學(xué)的張文增等人[23]提出了一種借助機(jī)器人自身編碼器數(shù)據(jù)和坐標(biāo)變換關(guān)系的快速標(biāo)定工件坐標(biāo)系的方法，該方法只需要通過示教不共線的三個點(diǎn)，通過所對應(yīng)的機(jī)器人自身編碼器的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的求解，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工件坐標(biāo)系的快速標(biāo)定。其標(biāo)定步驟如圖5所示，操縱機(jī)器人使工具末端點(diǎn)分別接觸M1,M2以及M3點(diǎn)，記錄下機(jī)器人在到達(dá)這三點(diǎn)時的各軸脈沖數(shù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算完成標(biāo)定。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋月娥等人[24]提出了一種正交平面工件標(biāo)定法，其主要思想是通過測量三個正交平面上的六個點(diǎn)實(shí)現(xiàn)工件的調(diào)整，對于具有圓形定位基準(zhǔn)的工件，她提出了一種圓形基準(zhǔn)工件四點(diǎn)標(biāo)定法，通過標(biāo)定四個點(diǎn)，其中三點(diǎn)為基準(zhǔn)圓上的任意三點(diǎn)，另外一點(diǎn)為工件上任意一個明顯特征點(diǎn)，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系的標(biāo)定。劉永等人[25]在工件坐標(biāo)系內(nèi)采用多個位置傳感器來獲取定位點(diǎn)的位置信息，通過建立坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系成功的進(jìn)行了工件坐標(biāo)系的標(biāo)定。

圖5 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

4 機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)標(biāo)定

一些復(fù)雜零部件的焊接加工，單單依靠一個機(jī)器人進(jìn)行焊接，往往達(dá)不到焊接工藝的要求，尋求一種滿足這種復(fù)雜工件焊接要求的智能化焊接系統(tǒng)至關(guān)重要。近年來機(jī)器人協(xié)作智能化焊接系統(tǒng)的概念逐漸出現(xiàn)在大家的視野之中，為上述問題提供了良好的解決方案。常見的機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)有機(jī)器人與攝像機(jī)形成的機(jī)器人手眼系統(tǒng)、多個焊接機(jī)器人形成的多機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接系統(tǒng)以及機(jī)器人與變位機(jī)形成的多自由度協(xié)作焊接系統(tǒng)。這些機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)進(jìn)行正常工作之前仍然需要對他們進(jìn)行標(biāo)定，才能達(dá)到良好的焊接效果，獲得較好的焊接質(zhì)量以及帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 焊接機(jī)器人視覺系統(tǒng)標(biāo)定

機(jī)器人視覺系統(tǒng)在焊縫識別與自主路徑規(guī)劃方面具有良好的應(yīng)用，機(jī)器人手眼標(biāo)定的準(zhǔn)確性直接影響焊接的質(zhì)量。根據(jù)攝像機(jī)安裝方式的不同，手眼系統(tǒng)可分為手眼分離系統(tǒng)和手眼一體系統(tǒng)。前者攝像機(jī)與機(jī)器人分離，攝像機(jī)固定安裝在某一位置；后者攝像機(jī)固定在機(jī)器人末端手臂上，隨著機(jī)器人一起運(yùn)動[26]。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法需要借助標(biāo)定板來獲取機(jī)器人、攝像機(jī)、焊槍以及標(biāo)定板坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，其坐標(biāo)關(guān)系如圖6所示。

圖6 手眼關(guān)系標(biāo)定

(2)

(3)

4.2 多機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接系統(tǒng)標(biāo)定

圖7 三點(diǎn)握手法標(biāo)定

(4)

對于機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)作焊接系統(tǒng)的標(biāo)定，其標(biāo)定思路與多機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定類似，文中不再進(jìn)行介紹[32-33]。

圖8 公共靶標(biāo)法標(biāo)定

5 結(jié) 論

(1)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的標(biāo)定是進(jìn)行焊接生產(chǎn)的前提工作，標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響焊接質(zhì)量以及焊接效率。

(2)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的標(biāo)定得到了很大的發(fā)展，一些簡單標(biāo)定方法的提出大大節(jié)省了標(biāo)定時間，但標(biāo)定精度需要進(jìn)一步提高。

(3)一些先進(jìn)的算法和先進(jìn)的測量設(shè)備在機(jī)器人焊接系統(tǒng)的標(biāo)定中得到了應(yīng)用，提高了標(biāo)定的精度，但怎樣降低標(biāo)定成本，仍需要進(jìn)行深入的研究。

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