CN101623867A - 一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备和方法，是一种综合利用同轴视觉传感系统和焊缝位置测量传感系统来进行路径跟踪和偏差补偿的机器人加工系统和路径跟踪方法，用于激光焊接等高精度加工。将实施过程分成三个阶段；前两个阶段综合利用焊缝位置测量信息和同轴视觉测量信息计算前方焊缝位置和机器人工具中心点与焊缝之间的偏差，获得机器人工具中心点轨迹偏差的补偿数据和焊缝位置参考数据；实际焊接阶段利用焊缝位置测量信息和焊缝位置参考数据进行跟踪与补偿控制，通过位置修正装置修正机器人系统的运动，使机器人工具中心点沿着指定路径连续前进，且与指定路径的偏差小于机器人的路径重复精度。本发明可以广泛用于各种需要提高机器人运动路径精度的场合。

Description

一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备和方法

技术领域

本发明涉及跟踪补偿技术，具体地说是一种使机器人能高精度地跟踪指定路径(例如焊缝)的设备和路径跟踪补偿方法。该设备和方法可以使精度不高的机器人系统实现激光焊接等高精度工艺。

背景技术

一些先进工艺的应用希望采用工作空间大、运动柔性好的机器人，同时也对机器人的定位精度提出很高的要求。例如激光焊接有着如下显著的特点：焊接速度可达4m-15m/min以上，而传统电弧焊的焊接速度一般仅为0.5m-1.0m/min；跟踪定位精度要求高，对焊缝跟踪误差要求在±(0.05-0.1mm)以内，远低于电弧焊中要求的跟踪误差±0.5mm。现有激光焊接机器人系统普遍存在路径跟踪精度不高、成本高昂和扩展性较差等问题，仍有改进空间。

现有定位精度较高的工业机器人的基本指标如下：空间定位精度一般在1mm量级，单点重复定位精度在0.1mm量级，路径重复精度在0.2mm量级。尽管工业机器人的单点重复定位精度较好，但是空间定位精度和路径重复精度还不能满足激光焊接在高速运行时的要求，因此必须解决工业机器人高速跟踪连续路径时空间定位精度和路径重复精度不高的难题。

提高机器人定位精度的常用方法是对机器人工具中心点位置进行修正的补偿方法，根据工作特点可分成离线补偿方法和在线补偿方法。

离线补偿方法采用“示教-离线修改示教点之后再焊接”二步走的工作方式。考虑到工业机器人的空间定位精度和路径插补精度都不高，就需要指定大量示教点，并根据测量结果(如后面提及的同轴视觉系统的测量结果)对示教点进行多次微调。由于手动修改示教点效率太低，自动修正机器人示教点和其他参数一直是机器人领域的热门课题。ABB公司的一项专利(美国专利号US 7130718)提出采用迭代学习控制的方法，对机器人的运动路径规划、力矩前馈控制和摩擦力模型等进行反复的自动修正。不过这种方式目前还缺乏商业化应用，这主要是因为由摩擦力变化和减速器回差等非线性因素引起的工业机器人的工具中心点轨迹在特定位置可能发生较大幅度的快速跳变(或称为抖动)，而且路径重复精度远低于其他位置。对于这种情况通过上述方法取得的定位精度通常难以达到激光焊接的要求。

在线补偿方法采用“记忆-回放”二步走的工作方式。代表性的专利有美国United Technologies Corporation的专利(美国专利号US4922174)，该专利针对同轴视觉系统(即位于工具中心点正上方的视觉系统)在电弧焊接过程中的强光干扰下难以看清焊缝的问题，提出一种补偿方案，在空跑阶段(即不进行焊接)通过同轴视觉系统测量并记录下机器人工具中心点与指定路径的偏差数据，在实际焊接阶段对已记录的测量数据进行回放，根据这些数据对机器人位姿进行增量式修正。我国上海交通大学的周律等人的专利(中国专利号CN1600488)与上述美国United TechnologiesCorporation专利相似，但在空跑阶段视觉系统拍摄的是焊枪前方一小段焊缝，并在线计算焊缝与机器人前进方向的偏差与夹角，根据偏差与夹角在线控制机器人位姿调整增量，并将机器人位姿调整增量记录下来；在实际焊接阶段回放机器人位姿调整增量。上述两种在线补偿方法的局限性在于每次焊接前都需要进行一次空跑，故批量生产时效率低；而且空跑阶段的机器人路径和实际焊接阶段的机器人路径难免存在路径重复偏差，故该方法的定位精度也有限。顺便指出，在线补偿方法在严格意义上应称为伪在线补偿方法，因为回放的测量数据(或者机器人位姿调整增量)已不算是在实际焊接阶段在线获得。

更多的激光焊接机器人系统采用焊缝跟踪技术。焊缝跟踪技术在20世纪80年代就已经被应用，有关焊缝跟踪的专利较多，例如Caterpillar公司的专利(美国专利号US4591689)、美国Westinghouse电子公司的专利(美国专利号US4952772)等。但是这些专利和研究是针对机器人电弧焊，由于这些工艺对跟踪速度和定位精度的要求与激光焊接相去甚远，相应的焊缝跟踪系统难以应用在激光焊接当中，也未见文献分析这些焊缝跟踪系统跟踪精度不高的根本原因。

一般来说，焊缝跟踪的精度主要取决于如下因素：(1)焊接速度和机器人路径精度；(2)焊缝位置测量传感器的采样频率和测量精度；(3)安置在激光加工头前方的焊缝位置测量传感器与机器人工具中心点的距离(也称为前视距离)；(4)机器人位置修正装置的控制周期和定位精度；(5)路径跟踪算法的鲁棒性和精度等；(6)批量焊接时焊接材料(如板材)的尺寸公差、工装夹具的重复定位精度、以及焊接过程中的热变形等。在目前的硬件条件下，前视距离的影响最大。由于激光焊接工艺的特点，在焊接过程中机器人工具中心点附近存在多种强干扰因素，因此前视距离难以做到很小。如果前视距离超过一定域值，那么即使前置的焊缝位置测量传感器能准确地识别并跟踪指定路径，机器人工具中心点和指定路径之间仍然可能存在较大偏差(称为工具中心点偏差)，大大超出激光焊接允许的范围，因此还必须进行机器人工具中心点位置补偿。因为跟踪与补偿必须同时在线进行，补偿过程可以采用前面所说的在线补偿方法。

虽然目前商业化应用的机器人激光焊接系统已意识到前视距离的重要性，并提出新的跟踪补偿方案，但各种解决方案仍有不足之处。

德国Deutsche Aerospace AG公司(现为DASA公司)较早研制用于激光焊接的机器人系统(Barthel，K.G.，Holick，E.R.，Pfefferle，R.，″SCOUT SeamFollower″，Proc.mt.Conf Lasers as Tools for Manufacturing.SPIE Vol.2062，pp.122-129，Boston，USA，1994)，他们采用一种具有5条激光结构光条纹的焊缝跟踪传感器，可以将焊缝位置的测量周期缩短4-5倍。该传感器被安装在激光加工头前方约30mm的地方，传感器系统通过专用接口板卡与机器人(关节式或直角坐标式)的控制系统交互实现对机器人轨迹的增量式修正。英国Meta公司实现了SCOUT系统的商业化，针对日本Motoman、FANUC、德国CLOOS、KUKA以及瑞典ABB等公司的机器人开发了专用接口板卡。这类系统的局限性在于只能采用个别公司的有限机器人型号，主要适合焊接速度在3m/min以下的中低速激光焊接。

德国Reis Lasertec公司研制的激光焊接机器人采用光学镜片控制系统实现机器人工具中心点(一般指激光光束聚焦形成的激光光斑)的位置修正，激光加工头前方安装有激光结构光传感器实现焊缝位置的测量，其结构光条纹与激光光斑中心距离仅1.5mm，因此即使机器人运动轨迹与焊缝偏差较大，该系统也能实现焊缝的高精度跟踪。但因为测量系统与送丝系统和保护气管通常存在空间干涉，这一设备的局限主要在于难以实现激光填丝焊接、激光复合焊接以及保护气体输送。

加拿大Servo-Robot公司的一项专利(美国专利号US6430472)提出将两个相互垂直的伺服驱动直线滑台(简称为十字滑架)安装在工业机器人末端，然后将加工工具安装在十字滑架上，并在加工工具的前方安装了焊缝跟踪传感器，该焊缝跟踪传感器采用了激光结构光传感器测量焊缝的位置，结构光与激光光斑的距离一般在8-20mm。此外该传感器的一个实施例还可以通过反射镜获得机器人工具中心点附近的二维图像。在该专利中，机器人轨迹的修正通过直线滑台的运动实现。该专利还公布了一种基于动态数据缓冲区的路径跟踪算法及基于历史数据缓冲区的补偿算法。其补偿算法包括两步，第一步为空跑，机器人按照示教轨迹运行，十字滑架固定不动，由激光结构光传感器测量得到的焊缝偏移量被保存在历史数据缓冲区。第二步为实际焊接，机器人按照示教轨迹运行，由激光结构光传感器测量得到的焊缝偏移量经过动态数据缓冲区的延时处理之后与历史数据缓冲区的对应数据进行叠加，得到十字滑架的位置设定值，十字滑架根据位置设定值运动实现位置修正。虽然该专利首次提出跟踪与补偿同步进行的思想，但是该专利关于跟踪补偿算法的阐述存在明显错误，按照该算法进行的路径跟踪误差将无法收敛。

传感器选择也是开发激光焊接机器人系统一个重要问题。现有的激光焊接机器人系统大多采用激光结构光传感器测量焊缝位置，从而获得前方焊缝的偏移量，其优点在于可靠性好，可以获得焊缝关节的三维信息，但缺点是价格昂贵，而且有时难以获得足够的分辨率，需要专门的设计才能实现。另一方面，同轴视觉系统被经常用于观测焊接点周围，实现工艺的在线监测。只有较少专利采用同轴视觉系统进行焊缝位置测量，而且主要集中在电弧焊领域。例如，美国俄亥俄州立大学的专利(美国专利号US4595820)采用同轴视觉识别焊缝位置，并实现焊缝跟踪。根据TakahashiH.等的文献(Takahashi H.et al.“Development of seam tracking control usingmonitoring system for laser welding(iL-Viewer)”，First InternationalSymposium on High-Power Laser Macroprocessing，SPIE Vol.4831，pp.154-159，2003，Isamu Miyamoto，Japan)可知，日本IHI公司的研究采用同轴视觉系统实现了激光焊接中的焊缝跟踪，但是该系统只应用于数控专机中，而未应用于机器人系统中，也没有提及对工具中心点偏差的补偿。前面提及的美国United Technologies Corporation的专利(美国专利号US4922174)与上海交通大学的专利(中国专利号CN1600488)则将同轴视觉应用于在线补偿方法。可以看出，只要进行合理的光学设计，同轴视觉系统在原理上既可以在焊缝跟踪中实现机器人工具中心点前方一小段焊缝的位置的识别，也可以在在线补偿中测量机器人工具中心点与指定路径的偏差。但是目前还没有专利和产品充分利用同轴视觉系统的特点。

综上所述，现有机器人激光焊接系统或者采用激光结构光传感器进行焊缝跟踪，或者采用同轴视觉系统进行焊缝跟踪，或者采用同轴视觉系统进行在线补偿，并没有综合利用激光结构光传感器和同轴视觉测量系统的信息进行焊缝跟踪和补偿，也未能充分利用同轴视觉系统的特点，不能从根本上解决机器人高精度地跟踪指定路径的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种硬件要求不高的跟踪指定路径的激光加工头设备，以及路径跟踪/补偿控制方法，解决工业机器人进行高精度路径跟踪时工具中心点定位精度达不到激光焊接要求的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

使机器人高精度跟踪指定路径的设备，由机器人本体、工具支架、位置修正装置，激光加工头单元和控制系统组成，其中：安装有激光加工头单元的位置修正装置位于机器人本体末端的工具支架上；激光加工头单元定位到焊接材料的焊缝上方；所述机器人本体通过大范围运动实现对指定路径的粗定位；所述位置修正装置与机器人本体组成宏-微二级结构，通过与控制系统连接，通过小范围运动实现对指定路径的精确定位；所述控制系统包括：

一焊缝位置信号处理单元，接收激光加工头单元中焊缝位置测量传感器的测量数据，并与主控制单元进行数据交换；

一同轴视觉信号处理单元，接收激光加工头单元中同轴视觉摄像机的测量数据，并与主控制单元进行数据交换；

一机器人控制单元，存有用户控制程序，控制机器人本体的运动，并与主控制单元通信；

一主控制单元，存有主控制程序，对来自焊缝位置信号处理单元和同轴视觉处理单元的测量数据进行同步处理，进而驱动位置修正装置，实现焊缝跟踪和补偿。

使机器人高精度跟踪指定路径的方法，将实施过程分成第一轮空跑、第二轮空跑、实际焊接三个阶段；在第一轮空跑阶段运行补偿算法，在第二轮空跑阶段运行补偿算法和参考值生成算法，在实际焊接阶段运行补偿算法和跟踪算法；前两个阶段综合利用焊缝位置测量信息和同轴视觉测量信息计算前方焊缝位置和机器人工具中心点与焊缝之间的偏差，获得机器人工具中心点轨迹偏差的补偿数据和焊缝位置参考数据；实际焊接阶段利用焊缝位置测量信息进行跟踪与补偿控制，通过位置修正装置修正机器人系统的运动，使机器人工具中心点沿着指定路径连续前进，且与指定路径的偏差小于机器人的路径重复精度；

在第一轮空跑阶段，补偿算法在“记忆”模式下连续运行，即通过同轴视觉摄影机观测且连续获得机器人工具中心点与实际焊缝之间的偏差，并根据机器人工具中心点速度和时间计算当前机器人工具中心点沿焊缝前进距离，沿焊缝前进距离和对应的偏差组成的数组作为一组机器人工具中心点轨迹偏差的补偿数据，保存到工具中心点轨迹偏差补偿表格中；

在第二轮空跑阶段，补偿算法在“回放”模式下连续运行，即从工具中心点轨迹偏差补偿表格中的数据进行查找和插补，生成工具中心点偏差补偿量，发送给位置修正装置，进行位置修正，实现工具中心点的在线补偿；并连续运行参考值生成算法，将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标与位置修正装置的位移量反馈值相加获得焊缝相对于机器人末端原点的绝对坐标；同时通过同轴视觉摄像机观测且连续获得机器人工具中心点与焊缝之间的偏差；将绝对坐标与偏差的数据相减得到当机器人工具中心点正好位于焊缝正上方时前视距离处的焊缝相对于机器人末端原点的参考坐标，该参考坐标与当前机器人沿焊缝前进距离组成的数组作为一组焊缝位置参考数据，保存到焊缝位置参考表格中；

在实际焊接阶段，(主控制程序)连续运行跟踪算法和补偿算法；其补偿算法在“回放”模式下连续运行，从工具中心点轨迹偏差补偿表格中的数据进行查找和插补，生成工具中心点偏差补偿量；其跟踪算法计算得到预测跟踪指令和抑振指令；再将预测跟踪指令、抑振指令以及工具中心点偏差补偿量相加，得到位置修正装置需要达到的绝对位姿；其中所述跟踪算法包括：偏差计算算法、滤波算法和预测与抑振算法；其中：

所述偏差计算算法是将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标与位置修正装置的位移量反馈值相加获得焊缝相对于机器人末端原点的绝对坐标，根据当前机器人工具中心点沿焊缝前进的距离从焊缝位置参考表格查找和插补得到参考坐标，将绝对坐标与参考坐标比较获得焊缝相对于机器人工具中心点的偏差；所述滤波算法是对偏差计算算法计算得到的偏差进行降噪处理；所述预测与抑振算法计算出预测跟踪指令和抑振指令；预测与抑振算法包括立即跟踪模式和/或延时跟踪模式，其中：

-立即跟踪模式，将经滤波算法降噪处理后的焊缝相对于机器人工具中心点的偏差作为抑振指令，根据偏差的变化趋势计算预测指令；

-延时跟踪模式，将经滤波算法降噪处理后的焊缝相对于机器人工具中心点的偏差作为当前偏差，进行延时之后得到预测指令，将当前偏差与先前偏差的差值与用户指定域值相比较获得抑振指令；

立即跟踪模式与延时跟踪模式采用先后运用方式，或综合运用于跟踪同一指定路径方式。

本发明具有如下优点：

1.本发明在焊缝位置测量传感器与机器人工具中心点之间的前视距离较大的情况下也能良好工作，因此焊缝测量传感器的成本可以降低；

2.采用本发明可以在激光加工头和焊缝测量传感器之间安装激光填丝焊等工艺所需的送丝枪等配件，而不干涉焊缝测量传感器的正常运行；

3.路径跟踪精度高，其激光加工头工具中心点相对于焊缝的定位精度小于机器人的路径重复精度，达到激光焊接的工艺要求；

4.操作简单，只需启动机器人示教程序，使激光加工头沿焊缝运动多次，本发明所述主控制单元即可同时得到焊缝位置参考表格和工具中心点轨迹补偿表格。即无需人工手动调节安装在机器人末端的各硬件单元的位置；

5.可以方便的修改工具中心点轨迹的偏差补偿表格，实现用户自定义的定位要求。这是因为在进行轨迹跟踪时，本发明位置修正装置与机器人的运动相互独立，而机器人的示教路径是固定的，不需进行动态调整；

6.本发明所述跟踪补偿算法适用于各种指定路径的跟踪，指定路径可以是直线、平面曲线，平面折线，也可以是空间曲线和空间折线。

附图说明

图1为机器人激光焊接系统中机器人运动部分的三维视图；

图2为带位置修正装置的激光加工头单元的局部视图；

图3为机器人系统的控制系统接口与连线示意图；

图4为机器人控制单元内部用户控制程序的基本流程；

图5为主控制单元内部主控制程序的基本流程；

图6为未采用在线补偿时激光加工头相对于一条曲线焊缝的定位偏差的效果示意图；

图7为补偿算法的数据处理过程图；

图8为采用在线补偿时激光加工头与相对于一条曲线焊缝的定位偏差的效果示意图；

图9为焊缝偏移量参考值生成算法的数据处理过程图；

图10为跟踪算法和补偿算法同时运行的数据处理过程图；

图11-1为机器人抖动导致跟踪偏差的基本过程(机器人工具中心点实际轨迹与焊缝偏移量补偿曲线)；

图11-2为机器人抖动导致跟踪偏差的基本过程(机器人工具中心点实际轨迹与焊缝偏移量补偿曲线叠加后的跟踪偏差曲线)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

实施例1

如图1所示，一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备主要由机器人本体1、工具支架2、位置修正装置3和激光加工头单元4组成。其中激光加工头单元4安装在位置修正装置3上，位置修正装置3安装在工具支架2上，而工具支架2安装在机器人本体1末端。机器人将激光加工头单元初步定位到焊接材料6的焊缝5上方。

如图1、图2所示，为了方便本发明的阐述，定义焊缝前进方向为X轴正方向，激光加工头的轴心线为Z轴方向，Y轴方向根据右手法则定义。

如图2所示，激光加工头单元4主要包括大功率激光光纤接入连接器10、同轴视觉摄像机11、激光加工头12、焊缝位置测量传感器13和机器人工具中心点15。焊缝位置测量传感器13可以采用激光结构光传感器或立体视觉系统等形式，本实施例采用激光结构光传感器的形式，其发射的激光形成一个光平面14，该光平面与物体相交得到一条激光条纹，根据激光条纹成像在内部视觉传感元件上的位置可以获得焊缝位置信息。当激光光束的离焦量为零时，机器人工具中心点15也正是激光加工头激光光斑的位置。

如图2所示，本实施例中的位置修正装置3采用十字滑架形式，主要包括安装在Y轴滑台18上的Y轴驱动电机16、安装在Z轴滑台19上的Z轴驱动电机17。激光加工头单元4固定安装在Z轴滑台19上，Z轴滑台19固定安装在Y轴滑台18上，而Y轴滑台18固定安装在工具支架2上。Y轴滑台18在Y轴驱动电机16的驱动下可带动激光加工头单元4作相对于焊缝的横向运动。Z轴滑台19在Z轴驱动电机17可带动激光加工头单元4作相对于焊缝的纵向运动。根据工艺的位姿控制要求，位置修正装置3也可以用单个滑台或更多自由度的串联、并联或串并联的运动机构代替。

如图3所示，控制系统主要包括主控制单元20、焊缝位置信号处理单元21、同轴视觉信号处理单元22和机器人控制单元23。主控制单元通过驱动线缆和通信线缆与位置修正装置3的驱动电机16、17相连。焊缝位置测量传感器13通过通信线缆连接焊缝位置信号处理单元21，焊缝位置信号处理单元21通过内部总线或外部通信线缆与主控制单元20进行数据交换。同轴视觉摄像机11通过线缆连接同轴视觉信号处理单元22，同轴视觉信号处理单元22通过内部总线或外部通信线缆与主控制单元20进行数据交换。机器人控制单元23通过驱动电缆和通信线缆与机器人关节驱动电机相连。同时机器人控制单元23通过I/O连线和通信线缆与主控制单元20连接。主控制单元20的硬件主要包括CPU、内存、存储器、系统总线、与焊缝位置信号处理单元21的通信接口、与同轴视觉信号处理单元22的通信接口、与机器人控制单元23的I/O接口和通信接口、位置修正装置3的运动控制器和电机驱动器。由于主控制单元采用的是通用工业控制计算机结构，在此不再对其内部硬件的具体连接方法作进一步图解和说明。

以下结合用户控制程序和主控制程序一并说明本发明使机器人高精度跟踪指定路径的方法。

如图4所示，机器人控制单元23内部用户控制程序的基本流程是：启动机器人控制操作，当机器人运动到示教路径起点时判断主控制单元是否准备就绪，如准备就绪则执行机器人示教程序，通知主控制单元机器人示教程序已启动，在达到示教路径终点时通知主控制单元机器人示教程序已完成，复位且返回示教路径起点；如准备没有就绪，判断在焊接完成否，焊接未完成模式下返回判断主控制单元是否准备就绪。

如图5所示为主控制单元20内部主控制程序的基本流程。主控制单元20内部主控制程序可分成三个阶段：第一轮空跑阶段27、第二轮空跑阶段28、以及实际焊接阶段29。在不同阶段主控制单元20内部主控制程序运行的算法不同：在第一轮空跑阶段27运行补偿算法41(参见图7)，在第二轮空跑阶段28运行补偿算法41和参考值生成算法43(参见图9)，在实际焊接阶段运行补偿算法和跟踪算法44(参见图10)。

在三个阶段中，主控制单元20内部主控制程序与机器人控制单元23内部用户控制程序进行“握手”交互。三个阶段的“握手”交互过程基本相同，基本过程是：当主控制单元20准备好时通知机器人控制单元23可以开始运行机器人示教程序，机器人控制单元23运行机器人示教程序，当机器人控制单元23启动机器人示教程序时，通过I/O信号通知主控制单元20；主控制单元20内部主控制程序立即运行当前阶段对应的算法，对焊缝位置信号处理单元21的信号、同轴视觉信号处理单元22的信号以及其他信号进行处理，并根据处理结果对驱动电机16、17进行控制；当机器人完成机器人示教程序时，机器人控制单元23通过I/O信号通知主控制单元20进入下一个阶段。

以下结合每个阶段的算法对主控制单元20内部主控制程序的三个阶段以进行详细说明。

在图6-11中，为了简化叙述，以Y轴方向的跟踪和补偿为例说明本发明的跟踪和补偿算法。Z轴方向的跟踪和补偿与此基本相同，而且两轴的跟踪和补偿可以同步进行。

如图6所示为在第一轮空跑阶段，未采用在线补偿时激光加工头相对于一条曲线焊缝的定位偏差的效果示意图。在本阶段，机器人运行机器人示教程序，且位置修正装置3固定在零位。具体说明如下：当位置修正装置3完成回零位程序之后，使驱动电机保持在零位不动，启动机器人示教程序进行空跑，通过同轴视觉摄像机11可记录实际焊缝相对于机器人工具中心点15的偏差。本图以平面曲线为例，实线为实际焊缝31，虚线为某次运行的机器人工具中心点的实际轨迹32。机器人示教程序中的示教点位置和理想情况下的示教轨迹在此并不重要，因此省略未画。需注意的是，机器人的运行存在路径重复偏差，因此每次运行的机器人实际轨迹会略有不同。虚线框表示同轴视觉摄像机11的视场范围33。一般而言，机器人工具中心点15在视场范围中的位置是固定的，例如位于视场范围的中心点。另一方面根据视觉处理算法可以获得实际焊缝31在视场范围中的位置，因此可以方便的计算出焊缝31相对于工具中心点15的偏差34。

如图7所示，补偿算法41采用“记忆-回放”的工作方式，补偿算法41根据“记忆/回放”标记的取值而工作阶段在“记忆”模式或者“回放”模式。当机器人示教程序启动时，主控制单元开始计时。补偿算法41外部的焊接长度积分模块40根据当前计时t和当前机器人工具中心点速度V积分计算工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt。一般而言，机器人工具中心点速度V可以通过轮询机器人的工具中心点坐标值并参照时间间隔来计算，还可以采用外部仪器测量等方法获得，如果焊接速度是固定值，还可以取机器人示教程序中的设定值。工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt也可以通过轮询机器人的工具中心点坐标值获得(例如ABB公司提供Webware选项用于实现此功能)，但轮询一般存在不确定的时延。在“记忆”模式时，驱动电机保持在零位不动，同轴视觉摄像机11获得焊缝相对于机器人工具中心点的偏差34(用Y_T表示)，并与对应的工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt组成数组<Xt，Y_T>保存在工具中心点轨迹补偿表42中。工具中心点轨迹补偿表42中第一列X_TCP表示工具中心点沿焊缝路径前进的距离，第二列Y_TC表示工具中心点偏差补偿量。在“回放”模式时，补偿算法从工具中心点轨迹补偿表42中查找和插补得到在工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt处需要的位置补偿量。考虑到Y轴驱动电机16到达位置设定值需要一定的响应时间，所以采用加提前量的方法，即取前方一小段距离ΔX处对应的工具中心点偏差补偿量Y_TC，作为Y轴驱动电机16的运动指令Y_Motor。

在第一轮空跑阶段，补偿算法41在“记忆”模式下运行。考虑到机器人路径重复精度不高，最好补偿算法41在“记忆”模式下运行多次，根据多次测量的平均值生成工具中心点轨迹补偿表42。此外操作人员还可以手动调整工具中心点轨迹补偿表42中的数值，弥补由于各种不确定因素(如位置修正装置3与机器人的相对运动引起的动力学耦合、位置修正装置3反应速度较慢、跟踪算法的系统偏差等)造成不能完全补偿的残留偏差。

如图8所示为在第二轮空跑阶段，采用在线补偿时激光加工头相对于一条曲线焊缝的定位偏差的效果示意图。在本阶段，补偿算法41在“回放”模式下运行。具体说明如下：当机器人到达示教轨迹起点之后，启动机器人示教程序进行空跑，启动运行位置修正装置3，并设置补偿算法41的模式为“回放”模式。实线为实际焊缝31，虚线为某次运行的机器人工具中心点的实际轨迹32’，机器人工具中心点15与焊缝位置测量传感器13的光平面14(或测量区域)之间的距离定义为前视距离36(英文简称为LAD)。可以看到进行工具中心点位置补偿后，焊缝相对于机器人工具中心点的偏差34’比图6中的偏差34大为缩小。由于机器人工具中心点轨迹在个别位置的路径重复精度较差，因此单纯采用补偿算法还不能达到激光焊接工艺的要求。在本次运行中，前方焊缝位置测量传感器获得焊缝与传感器坐标原点的相对位置35(在参考值生成算法43与跟踪算法44中，用焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标标记Y_L表示)。

如图9所示，参考值生成算法43用于生成焊缝位置参考表45。尽管本算法在补偿算法41处于“记忆”模式时也可以进行，但第二轮空跑阶段最好是在补偿算法41处于“回放”模式时进行。其基本思想为：将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标Y_L与Y轴滑台的位移量反馈值Y_E相加获得焊缝相对于工具支架2原点的绝对坐标Y_Abs。考虑到机器人路径精度较低等因素，不能保证此时机器人工具中心点正好处于焊缝正上方，换句话说，此时同轴视觉摄像机11获得焊缝相对于机器人工具中心点的偏差34(用Y_T表示)通常不为零。基于这一认识，将绝对坐标Y_Abs与偏差Y_T相加得到参考坐标Y_Ref。可以看出，参考坐标Y_Ref相当于当给定机器人末端原点位置、并调节位置移动装置3将机器人工具中心点移动至焊缝正上方时，前视距离36处的焊缝相对于机器人末端原点的绝对坐标。上述Y轴滑台的位移量可以采用编码器、步进电机脉冲计数器等常规位移测量方式获得。将参考坐标Y_Ref与对应的工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt组成数组<Xt，Y_Ref>保存在焊缝位置参考表45中。

如图10所示，实际焊接阶段为跟踪算法和补偿算法同时运行的数据处理过程。在获得工具中心点轨迹补偿表42和焊缝位置参考表45之后，而且位置修正装置3完成回零位操作，启动机器人示教程序，并同时运行跟踪算法44与补偿算法41(在“记忆”模式下进行)。根据焊接长度积分模块40计算得到工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt，跟踪算法44首先将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标Y_L与Y轴滑台的位移量反馈值Y_E相加获得焊缝相对于工具支架2原点的绝对坐标Y_Abs，将绝对坐标Y_Abs与查焊缝位置参考表45并插补得到的焊缝位置参考坐标Y_Ref进行比较，如果不相等，则两者之差为焊缝位置ΔY_S，并将获得的焊缝位置ΔY_S保存到数据缓冲区46中。滤波算法47对数据缓冲区46中的数据进行降噪处理，将滤波结果ΔY_F传递给预测与抑振算法48。滤波算法47可以采用平均值法、卡尔曼滤波法、小波滤波法等方法。预测与抑振算法48计算出预测跟踪指令ΔY_P和抑振指令ΔY_D，将预测跟踪指令ΔY_P、抑振指令ΔY_D、以及补偿算法41计算得到的工具中心点偏差补偿量Y_TC相加，得到Y轴驱动电机16的运动指令Y_Motor。

预测与抑振算法48包括两种工作模式：立即跟踪模式和/或延时跟踪模式。下面分别进行具体的介绍。

采用立即跟踪模式时，默认当前时刻计算得到的焊缝位置ΔY_S等于机器人工具中心点与焊缝之间的偏差34(即Y_T)，因此一种简单的算法是令当前的预测跟踪指令ΔY_P等于零，而抑振指令ΔY_D等于ΔY_F。上述的简单算法对机器人抖动的抑制效果良好，特别适合焊缝曲率不大的情况。但是由于存在前视距离36，不能保证焊缝位置的滤波结果ΔY_F正好等于机器人工具中心点与焊缝的偏差34，因此可能出现较大的工具中心点偏差。例如在批量生产时，板材的重复定位偏差分成整体平移偏差和整体倾斜偏差，对于整体倾斜偏差较大的情况，如果不预测前方倾斜的趋势，立即跟踪模式将产生较大的工具中心点偏差。在一个实例中，预测与抑振算法48计算ΔY_F相对于工具中心点沿焊缝路径前进的距离Xt的平均斜率k，将前视距离36与平均斜率k相乘，得到当前的预测跟踪指令ΔY_P。

立即跟踪模式不太适合强非线性的曲折线焊缝(例如焊缝曲率较大)，而且板材的尺寸公差也较大的情况。对于这种情况，采用延时跟踪模式更为可靠。

采用延时跟踪模式时，在一种简单的算法中，当前时刻计算得到的焊缝位置滤波结果ΔY_F将在延时Δt之后输出，其中Δt通常等于前视距离36除以当前机器人工具中心点速度V。换句话说，当前时刻的预测跟踪指令ΔY_P等于Δt之前的滤波结果ΔY_F。上述简单算法可以较好的适应强非线性的曲折线焊缝，而且板材的尺寸公差也较大的情况，但是对机器人抖动的抑制效果较差。图11-1表示采用延时跟踪模式时由于机器人抖动导致跟踪偏差的基本过程。以直线焊缝为例，并假设机器人的姿态始终保持水平方向，即没有姿态抖动。图中实线为实际焊缝31，短划虚线为机器人工具中心点实际轨迹32，工具中心点轨迹中有一处较大幅度的波动。因为焊缝为直线且机器人的姿态始终保持水平方向，因此推导出焊缝位置参考表中的Y_Ref均为零，故焊缝偏移量ΔY_S等于为焊缝偏移绝对值Y_Abs，采用长划虚线表示测量得到的焊缝偏移量曲线37。由于机器人工具中心点并未严格按照水平方向前进，而是伴有横向移动甚至抖动，如果只根据焊缝偏移曲线进行修正，则机器人工具中心点与焊缝之间的偏差34为机器人工具中心点实际轨迹32与焊缝偏移量曲线37的叠加，连续变化的偏差34即为偏差曲线38(参见图11-2)，采用点划线表示。在一个实例中，预测与抑振算法48采用如下方法对机器人抖动进行抑振，将在当前的ΔY_F减去前一时刻获得的ΔY_F，如果差值大于某一阈值，则认为这是机器人抖动造成，令抑振指令ΔY_D等于该差值。同时将焊缝位置滤波结果ΔY_F减去该差值ΔY_D，并将在延时Δt之后作为ΔY_P输出。

需要指出的是预测与抑振算法48的实现并不局限于上述的基本实例，可以进行方便的扩展。例如可以在一条焊缝的不同区段先后采用立即跟踪模式与延时跟踪模式，也可以将立即跟踪模式的计算结果与延时跟踪模式的计算结果进行综合，还可以采用更复杂的算法预测机器人轨迹的抖动趋势，提前进行振动抑制等等。

最后指出，在实际焊接阶段29也可以先择不输出激光进行焊接，而是通过同轴视觉摄像机11观测采用跟踪算法与补偿算法时的工具中心点定位效果，并将测量得到的机器人工具中心点与焊缝之间的偏差累计到工具中心点轨迹补偿表42中，使工具中心点轨迹补偿表42的数据进一步优化。

综上所述，本发明具有如下特点：

1.采用安装在激光加工头前部的焊缝位置测量传感器来测量焊缝位置。不要求焊缝位置测量传感器与机器人工具中心点之间的前视距离特别小，因此焊缝测量传感器的设计难度和成本都可以降低，同时方便在激光加工头和焊缝测量传感器之间安装各种辅助件，如激光填丝焊的送丝枪等。焊缝位置测量传感器可以采用一体式的激光结构光传感器(即激光结构光发射器与视觉传感部件均内置在传感器中)，也可以是分离式式的激光结构光传感器(例如前置部分是激光结构光发射器，而视觉感应部件采用同轴视觉传感器)，还可以是立体视觉传感器等。

2.激光加工头安装在位置修正装置上。本发明的实施例中位置修正装置为十字滑架。而位置修正装置安装在机器人(包括关节式机器人和直角坐标式机器人)的末端。位置修正装置与机器人系统组成宏-微二级结构。机器人负责大范围运动和对指定路径的粗定位，位置修正装置实现小范围运动和对指定路径的精确定位，位置修正装置与机器人的运动相互独立。机器人系统的主控制单元根据焊缝位置测量传感器的测量值控制位置修正装置的运动，因此不必针对各种机器人开发专用板卡接口。

3.在商业化激光加工头自带的同轴光路上安装同轴视觉系统，通过图像处理获得工具中心点与焊缝之间的偏差量。因此不必设计类似Servo-Robot公司专利(美国专利号US6430472)中提出的特殊焊缝测量传感器。

4.在空跑阶段，综合利用焊缝位置测量传感器和同轴视觉测量系统的信息进行前方焊缝位置和工具中心点偏差的计算，获得工具中心点空间轨迹与焊缝之间的偏差补偿数据和焊缝位置参考数据。

5.在实际焊接阶段，主控制单元内置的跟踪算法和补偿算法根据焊缝位置测量传感器的测量值和焊缝位置参考数据计算位置修正装置的运动指令，驱动位置修正装置实现焊缝跟踪和补偿。

本发明主要适用于二维平面或三维空间中沿着直线、曲线和折线轨迹进行移动的激光焊接和激光切割。采用本发明能纠正各种非线性因素引起的机器人跟踪偏差，获得更高的加工精度，并可以方便的安装送丝枪等辅助装置。本发明可以广泛用于各种需要提高机器人运动路径精度的场合。

Claims (11)

1.一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备，由机器人本体(1)、工具支架(2)、位置修正装置(3)，激光加工头单元(4)和控制系统组成，其中：安装有激光加工头单元(4)的位置修正装置(3)位于机器人本体(1)末端的工具支架(2)上；激光加工头单元(4)定位到焊接材料(6)的焊缝(5)上方；所述机器人本体(1)通过大范围运动实现对指定路径的粗定位；所述位置修正装置(3)与机器人本体(1)组成宏-微二级结构，通过与控制系统连接，通过小范围运动实现对指定路径的精确定位；其特征在于所述控制系统包括：

一焊缝位置信号处理单元(21)，接收激光加工头单元(4)中焊缝位置测量传感器(13)的测量数据，并与主控制单元(20)进行数据交换；

一同轴视觉信号处理单元(22)，接收激光加工头单元(4)中同轴视觉摄像机(11)的测量数据，并与主控制单元(20)进行数据交换；

一机器人控制单元(23)，存有用户控制程序，控制机器人本体(1)的运动，并与主控制单元(20)通信；

一主控制单元(20)，存有主控制程序，对来自焊缝位置信号处理单元(21)和同轴视觉处理单元(22)的测量数据进行同步处理，进而驱动位置修正装置(3)，实现焊缝跟踪和补偿。

2.按权利要求1所述使机器人高精度跟踪指定路径的设备，其特征在于：所述焊缝位置测量传感器(13)采用一体式的激光结构光传感器，或分离式的激光结构光传感器，或立体视觉传感器。

3.按权利要求1所述使机器人高精度跟踪指定路径的设备，其特征在于：所述位置修正装置(3)采用单个滑台、或十字滑架、或更多自由度的串联、并联或串并联的运动机构。

4.一种应用权利要求1所述设备使机器人高精度跟踪指定路径的方法，其特征在于：实施过程分成第一轮空跑、第二轮空跑、实际焊接三个阶段；在第一轮空跑阶段运行补偿算法，在第二轮空跑阶段运行补偿算法和参考值生成算法，在实际焊接阶段运行补偿算法和跟踪算法；前两个阶段综合利用焊缝位置测量信息和同轴视觉测量信息计算前方焊缝位置和机器人工具中心点与焊缝之间的偏差，获得机器人工具中心点轨迹偏差的补偿数据和焊缝位置参考数据；实际焊接阶段利用焊缝位置测量信息和焊缝位置参考数据进行跟踪与补偿控制，通过位置修正装置修正机器人系统的运动，使机器人工具中心点沿着指定路径连续前进，且与指定路径的偏差小于机器人的路径重复精度。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于：在第一轮空跑阶段，补偿算法在“记忆”模式下连续运行，即通过同轴视觉摄像机观测连续获得机器人工具中心点与实际焊缝之间的偏差，并根据机器人工具中心点速度和时间计算当前机器人工具中心点沿焊缝前进距离，沿焊缝前进距离和对应的偏差组成的数组作为一组机器人工具中心点轨迹偏差的补偿数据，保存到工具中心点轨迹偏差补偿表格中。

6.按权利要求4所述的方法，其特征在于：在第二轮空跑阶段，补偿算法在“回放”模式下连续运行，即从工具中心点轨迹偏差补偿表格中的数据进行查找和插补，生成工具中心点偏差补偿量，发送给位置修正装置进行位置修正，实现工具中心点的在线补偿；并连续运行参考值生成算法，将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标与位置修正装置的位移量反馈值相加获得焊缝相对于机器人末端原点的绝对坐标；同时通过同轴视觉摄像机观测获得机器人工具中心点与焊缝之间的偏差；将绝对坐标与偏差的数据相减得到当机器人工具中心点正好位于焊缝正上方时前视距离处的焊缝相对于机器人末端原点的参考坐标，该参考坐标与当前机器人沿焊缝前进距离组成的数组作为一组焊缝位置参考数据，保存到焊缝位置参考表格中。

7.按权利要求4所述的方法，其特征在于：在实际焊接阶段，(主控制程序)连续运行跟踪算法和补偿算法；其补偿算法在“回放”模式下连续运行，从工具中心点轨迹偏差补偿表格中的数据进行查找和插补，生成工具中心点偏差补偿量；其跟踪算法计算得到预测跟踪指令和抑振指令；再将预测跟踪指令、抑振指令以及工具中心点偏差补偿量相加，得到位置修正装置需要达到的绝对位姿；其中所述跟踪算法包括：偏差计算算法、滤波算法和预测与抑振算法。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于：所述偏差计算算法是将焊缝相对于焊缝位置测量传感器的局部坐标与位置修正装置的位移量反馈值相加获得焊缝相对于机器人末端原点的绝对坐标，根据当前机器人工具中心点沿焊缝前进的距离从焊缝位置参考表格查找和插补得到参考坐标，将绝对坐标与参考坐标比较获得焊缝相对于机器人工具中心点的偏差。

9.按权利要求7所述的方法，其特征在于：所述滤波算法是对偏差计算算法计算得到的偏差进行降噪处理。

10.按权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预测与抑振算法计算出预测跟踪指令和抑振指令；预测与抑振算法包括立即跟踪模式和/或延时跟踪模式，其中：

-立即跟踪模式，将经滤波算法降噪处理后的焊缝相对于机器人工具中心点的偏差作为抑振指令，根据偏差的变化趋势计算预测指令；

-延时跟踪模式，将经滤波算法降噪处理后的焊缝相对于机器人工具中心点的偏差作为当前偏差，进行延时之后得到预测指令，将当前偏差与先前偏差的差值与用户指定域值相比较获得抑振指令。

11.按权利要求10所述的方法，其特征在于：立即跟踪模式与延时跟踪模式采用先后运用方式，或综合运用于跟踪同一指定路径方式。

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