专利名称：机器人接触寻找焊缝的方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人接触寻找焊缝的方法，属于机械自动控制技术领域。
背景技术：
当前工业焊接生产中机器人焊接正在占据越来越大的比例。现在机器人焊接已经 向批量更大，精度更高，结构更复杂方向发展。机器人的轨迹规划目前主要通过示教或者三 维模型导入等手段完成，但是在实际生产中由于工件个体和夹具公差以及安装误差导致机 器人的规划轨迹与工件实际位置存在偏差。为了减小此类偏差，提高机器人焊接的质量和 精度，机器人需要一种方法完成焊缝的定位和偏差纠正。目前机器人主要用机器视觉系统 进行定位和偏差纠正，但是在大型结构件或者复杂空间区域内，机器视觉系统的安装比较 困难，特征提取难度比较高，对机器人运动和系统布局也有很高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机器人接触寻找焊缝的方法，通过该方法 可解决大批量工件焊接时焊缝偏移问题，并且无须安装其他设备。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种机器人接触寻找焊缝的方法，其中，待寻找的焊缝在各自工件上的位置相同， 该寻找方法包括以下步骤步骤一、首先建立一个三维坐标系，选定一基准焊接工件，该基准焊接工件上的焊 缝位置为基准焊缝位置，在该基准焊接工件上的任意平面Fl内任意找至少3个不共线的特 征点PP1、PP2和PP3，再在基准焊接工件上寻找与Fl垂直的任意平面F2，在平面F2上任意 找至少2个特征点PP4和PP5，在基准焊接工件寻找与平面F1、平面F2均垂直的平面F3，在 其上任意找至少1个特征点PP6，记下这六个特征点的三维坐标，通过这六个特征点的三维 坐标来标定所述的基准焊接工件在三维坐标系中的空间位置；步骤二、在当前待焊接的工件上，按照与所述的步骤一中寻找特征点PP1、PP2、 PP3、PP4、PP5和PP6相同的方法寻找六个实际特征点PPl，、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、PP6， 以及对应的平面Fl’、F2’、F3’，记下该六个实际特征点的实际三维坐标，将其与所述的步骤 一中寻找到的六个特征点PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三维坐标进行比较，计算得出当 前待焊接工件相对于所述的步骤一中的基准焊接工件在三维坐标系中的偏移距离以及旋 转角度，该偏移距离和旋转角度也是当前待焊工件上的焊缝相对于所述的基准焊缝的偏移 距离和旋转角度，根据所述的步骤一中的基准焊缝位置与所述的偏移距离和旋转角度即可 得寻找到当前待焊接工件上的焊缝位置；上述的所述的步骤一和步骤二中寻找所述的特征点ΡΡΓ、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、 PP6，、PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的方法按照如下步骤进行步骤a、准备工作在焊丝与工件之间接入电压，确保当焊枪上的焊丝与工件接触 时能形成电流回路，将焊丝与工件回路间的接触器Kl触点接入机器人I/O端口，编写程序使当Kl闭合时，机器人能停止运动并记录当前工件与焊丝相接触的点的坐标位置；
步骤b、实际寻找首先设定机器人寻找特征点时的起始点的三维坐标，给机器人 设定寻找特征点的寻找方向以及最大寻找距离，焊枪按照所述的寻找方向和最大寻找距离 寻找特征点，如果机器人沿着所述的寻找方向上运行小于等于最大寻找距离时，Ki触点闭 合，即焊丝与工件接触，则焊丝与工件的接触点即为要寻找的特征点，机器人记录下当前特 征点的三维坐标；如果机器人沿着所述的寻找方向上运行超过最大寻找距离，Kl触点还未 闭合，即焊丝未与工件接触，则寻找特征点失败，重新设定寻找方向和最大寻找距离按照上 述方法继续寻找特征点。优选地，在步骤b中，给机器人设定寻找特征点的寻找方向以及最大寻找距离之 前，先在选定辅助点，从所述的起始点到所述的辅助点的连线即为所述的寻找方向，所述的 最大寻找距离大于所述的起始点到所述的辅助点的直线距离。优选地，所述的步骤a中，在焊丝与工件之间接入的电压为安全电压。优选地，所述的安全电压选用12-30V的交流电。优选地，在寻找所述的特征点过程中，所述的焊枪的枪管所在的中心线与平面F1、 平面F2、平面F3、平面F1’、平面F2’、平面F3’之间均呈20-70度的夹角。通过上述技术方案，本发明所达到的有益效果本发明无需在机器人末端安装机 械或者电子传感器，简化了机器人末端结构和体积，扩大了机器人的可达性和灵活性；该方 法操作简单，不依靠外部设备；机器人使用该方法可以确定焊缝在三维空间内的位置，精度 高，简单易用。
附图1是本发明中接触回路的电气接线示意图；附图2是本发明中机器人寻找特征点示教方法示意图；附图3是本发明中机器人单特征点的寻找流程图。附图4是本发明中机器人特征点的示意图。其中1、焊丝。
具体实施例方式下面结合对图对本发明作进一步的说明。图1是本发明中机器人接触回路的电气接线示意图。将焊丝1(可以直接接在送 丝机上，也可接在焊枪末端)与工件之间接入电压，确保焊丝1与工件接触时能形成电流回 路。该电压必须为安全电压，防止人员触电，一般选择12-30V的交流电。选择交流电的原 因是为了防止接触回路导通时的电火花。图2是本发明中机器人寻找特征点示教方法示意图。起始点Ml和辅助点W是需 要手工示教的，并且起始点Mi和辅助点m必须在相同的坐标系下示教。辅助点m到接触 点ο的距离由操作者自己估值，但是必须小于最大寻找距离，接触点ο不需要示教。在发明 举例中采用的是焊丝接触工件的方式，焊丝比较容易因为碰撞发生形变导致后续的寻找发 生误差，所以在起始点和辅助点的示教时，建议将焊枪与工件的接触面之间倾斜接触，以减 小因为焊丝形变产生的误差。
图3是本发明中机器人单特征点的寻找流程图。该流程仅用于说明本发明的机器 人最基本操作流程，对应不同机器人或者不同的应用环境，可能需要增加相应的操作以满 足要求。本发明的寻找焊缝的方法尤其适应于大批量工件焊接，大批量工件焊接时，每一 个工件上的焊缝位置均固定。该寻找焊缝的方法能解决由于工件加载时位置偏移而产生的 焊缝偏移问题，下面列举在机器人寻找一个待焊接工件上的焊缝的方法步骤一、准备工作如图1所示，在焊丝1与工件(包括下述提到的基准焊接工件 和待焊接的工件)之间接入电压(对人体安全的电压)，确保当焊丝1与工件接触时能形成 电流回路，将焊丝1与工件回路间的接触器Kl触点接入机器人I/O端口，编写程序使当Kl 闭合时，机器人能停止运动并记录当前工件与焊丝1相接触的点的坐标位置；步骤二、确定基准焊接工件的空间位置首先建立三维坐标系(包括设定该坐标 系中的原点)，选定一基准焊接工件，在该基准焊接工件上首先任意寻找一个平面Fl，在该 平面Fl内任意寻找3个共面但不共线的特征点PP1、PP2和PP3，再在基准焊接工件上寻找 与Fl垂直的任意平面F2，在平面F2上任意找至少2个特征点PP4和PP5，再在基准焊接工 件寻找与Fl、F2均垂直的平面F3，在平面F3上任意找至少1个特征点PP6，记下这六个特 征点的三维坐标，通过这六个特征点的三维坐标来标定该基准焊接工件在三维坐标系中的 空间位置。下面详细介绍一下寻找特征点PPl的过程，如图2所示，首先设定机器人在该基准 焊接工件上寻找第一个特征点Pl时的起始点M1，记下该起始点Ml的三维坐标，在起始点与 该基准焊接工件上任意确定一个辅助点m，并记录下辅助点m的三维坐标，以从MI点指向 Nl点的方向为寻找第一特征点Pl的寻找方向，以大于Ml到m两点间的直线距离为最大寻 找距离L (如Ml到m的距离为5cm，则可以将最大寻找距离示教为8cm)，焊枪在机器人的 示教下按照该寻找方向和最大寻找距离寻找特征点P1，如果机器人沿着该寻找方向上运行 小于等于最大寻找距离L时(如最大寻找距离示教为8cm，实际运行时为7cm)，Kl触点闭 合，即焊丝与工件接触，则焊丝与工件的接触点即为待寻找的特征点P1，机器人记录下当前 特征点Pl的三维坐标；此时，如果机器人沿着寻找方向上运行超过最大寻找距离，Kl触点 还未闭合，即焊丝未与工件接触，则寻找特征点Pl失败，此时需要人为重新设定寻找方向 和最大寻找距离按照上述方法继续寻找特征点Pl。继续按照相同的方法寻找另五个特征点PP2、PP3、PP4、PP5和PP6，并记录下这五 个特征点PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三维坐标位置。上述步骤完成后，即可确定了基准焊接工件在三维坐标系中的空间位置，由于每条焊缝在对应工件上的位置都是相同的，这样该基准焊接工件上的焊缝位置也能够确定， 此焊缝位置为基准焊缝位置，存储在机器人内作为后续实际寻找焊缝的比较基准。步骤三、在当前待焊接的工件上，按照与上述寻找特征点PP1、PP2、PP3、PP4、PP5 和PP6相同的方法寻找六个实际特征点ΡΡΓ、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、PP6，以及所对应的 平面Fl’、F2’、F3’，记下该六个实际特征点的实际坐标位置，将其与六个特征点PP1、PP2、 PP3、PP4、PP5和PP6进行比较，计算得出当前待焊接工件相对于上述的基准焊接工件在三 维空间中的偏移距离以及旋转角度。如附图4所示，具体的求解步骤如下
1. PP1 (Xl, Z1), PP2 (χ2, y2, ζ2), PP3 (χ3, Y3, ζ3)确定平面方程 AlX+Biy+ClZ = D1 (平 面法向向量为ζ )。由原理图可知 = ±(梗><萌),根据条件K力>4 > 0唯一确定€。由点 法式确定平面方程AlX+Biy+ClZ = D1。2·ΡΡ4(χ4，y4, z4)，PP5 (x5，y5, z5)，ζ确定平面方程 A2x+B2y+C2z = D2 (平面法向 向量为;ζ)。由原理图可知，如果咫咫"ζ，则此时方程无唯一的确定解。否则有平面 A2x+B2y+C2z = D2的法向向量〒=±{PP,PP, x )，根据条件〒2 0唯一确定f。由点 法式确定平面方程A2x+B2y+C2z = D2。3. ΡΡ6(χ6,76，ζ6) 确定平面方程A3x+B3y+C3z = D3(平面法向向量为f)。由原 理图可知，i = χζ (右手关系)。由点法式确定平面方程A3x+B3y+C3z = D3。
J1X + Β γ + C1Z = D14.方程组+ + =马的解即为T。bj坐标系原点在Base坐标系下的描述
<formula>formula see original document page 6</formula>5.确定1^坐标系在Base坐标系下的描述为^3其中<formula>formula see original document page 6</formula>
niz」3X3，nix，niy' niz 分别为\，ny, \单位化后的列向量。6.同样可以求出偏移后T'。bj坐标系在Base'坐标系下的描述为T'7.确定 Base 偏移量Δ5似e = T7'.T0-1由于每条焊缝在对应的工件上的位置都是相同的，因此步骤三中得出的当前待焊 接的工件相对于基准焊接工件在三维空间中的偏移距离以及旋转角度，也就是该当前待焊 接工件上的焊缝相对于基准焊接工件上的基准焊缝位置的偏移距离以及旋转角度，由于在 机器人中已存储了基准工件上的基准焊缝位置，所以根据这个偏移距离和旋转角度即可得 到当前待焊接工件上的焊缝位置。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
一种机器人接触寻找焊缝的方法，其中，待寻找的焊缝在各自工件上的位置相同，其特征在于，该寻找方法包括以下步骤步骤一、首先建立一个三维坐标系，选定一基准焊接工件，该基准焊接工件上的焊缝位置为基准焊缝位置，在该基准焊接工件上的任意平面F1内任意找至少3个不共线的特征点PP1、PP2和PP3，再在基准焊接工件上寻找与F1垂直的任意平面F2，在平面F2上任意找至少2个特征点PP4和PP5，在基准焊接工件寻找与平面F1、平面F2均垂直的平面F3，在其上任意找至少1个特征点PP6，记下这六个特征点的三维坐标，通过这六个特征点的三维坐标来标定所述的基准焊接工件在三维坐标系中的空间位置；步骤二、在当前待焊接的工件上，按照与所述的步骤一中寻找特征点PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6相同的方法寻找六个实际特征点PP1’、PP2’、PP3’、PP4’、PP5’、PP6’以及对应的平面F1’、F2’、F3’，记下该六个实际特征点的实际三维坐标，将其与所述的步骤一中寻找到的六个特征点PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三维坐标进行比较，计算得出当前待焊接工件相对于所述的步骤一中的基准焊接工件在三维坐标系中的偏移距离以及旋转角度，该偏移距离和旋转角度也是当前待焊工件上的焊缝相对于所述的基准焊缝的偏移距离和旋转角度，根据所述的步骤一中的基准焊缝位置与所述的偏移距离和旋转角度即可得寻找到当前待焊接工件上的焊缝位置；上述的所述的步骤一和步骤二中寻找所述的特征点PP1’、PP2’、PP3’、PP4’、PP5’、PP6’、PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的方法按照如下步骤进行步骤a、准备工作在焊丝与工件之间接入电压，确保当焊枪上的焊丝与工件接触时能形成电流回路，将焊丝与工件回路间的接触器K1触点接入机器人I/O端口，编写程序使当K1闭合时，机器人能停止运动并记录当前工件与焊丝相接触的点的坐标位置；步骤b、实际寻找首先设定机器人寻找特征点时的起始点的三维坐标，给机器人设定寻找特征点的寻找方向以及最大寻找距离，焊枪按照所述的寻找方向和最大寻找距离寻找特征点，如果机器人沿着所述的寻找方向上运行小于等于最大寻找距离时，K1触点闭合，即焊丝与工件接触，则焊丝与工件的接触点即为要寻找的特征点，机器人记录下当前特征点的三维坐标；如果机器人沿着所述的寻找方向上运行超过最大寻找距离，K1触点还未闭合，即焊丝未与工件接触，则寻找特征点失败，重新设定寻找方向和最大寻找距离按照上述方法继续寻找特征点。
2.根据权利要求1所述的机器人接触寻找焊缝的方法，其特征在于在步骤b中，给机 器人设定寻找特征点的寻找方向以及最大寻找距离之前，先在选定辅助点，从所述的起始 点到所述的辅助点的连线即为所述的寻找方向，所述的最大寻找距离大于所述的起始点到 所述的辅助点的直线距离。
3.根据权利要求1或2所述的机器人接触寻找焊缝的方法，其特征在于所述的步骤a 中，在焊丝与工件之间接入的电压为安全电压。
4.根据权利要求3所述的机器人接触寻找焊缝的方法，其特征在于所述的安全电压 选用12-30V的交流电。
5.根据权利要求1所述的机器人接触寻找焊缝的方法，其特征在于在寻找所述的特 征点过程中，所述的焊枪的枪管所在的中心线与平面F1、平面F2、平面F3、平面F1’、平面 2’、平面？3’之间均呈20-70度的夹角。
全文摘要
本发明涉及一种机器人接触寻找焊缝的方法，其中，待寻找的焊缝在各自工件上的位置相同，包括以下步骤一、首先建立一个三维坐标系，寻找6个特征点，二、在待焊接的工件上，寻找六个实际特征点，寻找方法如下a、确保当焊枪上的焊丝与工件接触时能形成电流回路，b、实际寻找设定起始点的三维坐标，设定寻找特征点寻找方向以及最大寻找距离，焊枪按照所述的寻找方向和最大寻找距离寻找特征点。本发明简化了机器人末端结构和体积，扩大了机器人的可达性和灵活性；该方法操作简单，精度高，简单易用。
文档编号B23K9/127GK101804498SQ20101012861
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者张弢 申请人:昆山工研院工业机器人研究所有限公司