焊接机器人文献综述

焊接机器人文献综述关节机器人对基于视觉反馈控制的激光焊接的焊缝追踪摘要：激光焊接对于机器人轨迹精度有相当高的要求。

为了提高机器人激光焊接时的动态轨迹精度，人们基于立体视觉反馈控制的原理提出一种新的三维焊缝追踪的方法。

这种方法建立了一种可视反馈控制系统，在该系统中有两个集中于一点的相机被安装在工业机器人的后面。

人们建造了一种具有坐标系统的工具以便把机器人最终环节的位置转移到该工具上。

人们提出了一种GPI 转移方法，这种方法是利用双目望远镜可视技术和一种逐行选配的修改法则来计算激光焦点和焊缝的位置，它使得激光焦点和焊缝之间的动态轨迹错误可以计算出来。

人们最终控制机器人的移动，并且在机器人运动学的基础上尽可能减少运动轨迹的错误。

实验结果表明，这种方法能有效改善用于激光焊接的工业机器人的运动轨迹的精度。

关键词：工业机器人，视觉反馈，焊缝跟踪，轨迹精度。

1 引言目前，卖给客户的关节机器人仅仅能够保证位置精度而不能保证运动轨迹。

然而，随着制造加工业的发展，一些高速和高精度的工作，例如激光焊接和切割，对轨迹精度有十分高的要求。

此外，在严格地结构化环境下目前的工业仅能够在预定的命令下移动，这限制了他们的应用范围。

人们提出了许多研究计划来改善机器人在人们所认识的环境下的能力。

作为一个重要的测量方法，视觉对改善工业机器人在人们所认识的不同的环境下的能力起着重要作用。

参照文献［1］，人们以位置为基础建造了一种具有可视伺服系统的工业机器人，并且提出了一种运算法则，当事先知道物体一些特征点的距离时，利用这种法则就可以用一台照相机估计出物体的位置和外形。

参照文献［2］，基于eye-in-hand的可视伺服结构，物体的平面移动轨迹实现了一种eye-on-object的方法。

参照文献［3］，有这样一个问题：机器人最终环节的真实位置与人们用空间路径规划和图像基础控制的方法所预期的位置相差很远。

参照文献［4］，人们开发了一种工业火焰跟踪系统来切割视觉上的平面图形。

T.－J.小湖等人（艾德)：机械手。

焊接处。

，Intellige。

＆自动化、LNCIS 362, pp. 281–287,2007. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007在本文中，为了改善激光焊接机器人移动轨迹的准确度，在轨迹追踪的过程中利用了用于焊缝识别[5]的GPI转移方方法，并且人们提出了一种改善过的运算法则以便更加精确地重建轨迹线和激光焦点。

与此同时，人们巧妙的建立了一种工具坐标系使得工具转移位置的计算容易而又快捷。

人们在机器人运动学的基础上计算机器人的改变位置，并最终控制机器人的移动以及尽可能的减少轨迹的错误。

2 激光焦点和轨迹线的三维重建所建立的机器人视觉伺服系统的硬件如如1所示。

一个激光加工工具和两个其中，(CLXi，CLYi，CLZi)--{CL}中线段上一点的坐标系，mm（CLl ，CLm ，CLn ）--在{CL}中被检测线段的方向矢量，mm控制系统的提出是为了通过移动工业机器人来控制轨迹线上的激光焦点。

为了控制机器人的运动，轨迹线上的起始激光焦点应预先计算出来。

因为，焊接线的曲率通常很小，所以，焊接线被近似的看成是由许多直线组成的。

起始发现的问题变成计算直线中激光焦点M 的起始点N 。

构建一个覆盖点M 的平面并且与轨迹线垂直。

因此，平面与轨迹线的交点就是起始点。

其中，（CL X M ，CL Y M ，CL Z M ）--在{CL}中激光焦点的坐标系，mm通过等式（3）就可以获得{CL}中起始位置（CL XN ，CL YN ，CL ZN ）。

3 转置计算改变起始位置的坐标系，以及从{CL}到{T}的激光焦点，然后，通过{T}中的Jacobian矩阵在共同的空间中计算转化后的坐标系。

如下所示构建工具坐标系{T}（如图2所示）。

（1） 选择激光焦点OT 作为初始点，（2） 选择激光束作为ZT ，从纤维手电筒指向物体的焊接处，（3） XT 轴通过等式（4）来确定：（4） YT 轴通过等式（5）来确定：T E T E T E x z y += (5) 其中，E X CL —对{E}中X CL 的描述E X T ，E y T ，E Z T —对{E}中X T ，y T ，Z T 的描述{T}中TPMN 转换通过等式（6）来计算：()M N T T CL CL CL E E T MN -=p T （6） 在{T}中Jacobian 矩阵的计算与{E}中的相似，唯一的区别在于用n-1Bn =n-1An ETT 来代替n-1An 。

通过这种方法，工具末端的转置计算变成了机器人末端的转置计算。

这将更加容易和快捷。

（n-1An 是转置坐标系从n-1点的坐标系到最后一点的坐标系。

）当开始追踪时，保持机器人最终环节的方向不变。

用{T}中的Jacobian 矩阵在共同的空间内计算转换位置：[]()1661101⨯⨯-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡=MN T n T n T p J qn qi q (7) 其中，qi ，（i=1，2，…,n ）--机器人焊接点i 的转换点n —机器人焊接点的数目TJ —{T}中的Jacobian 矩阵4 实验与分析实验结果表明轨迹检测以及基于音响视觉的焊接机器人控制系统可以很好的用在轨迹识别，检测和自动追踪中。

即时追踪的错误少于0.5mm 。

例如，两块钢板紧紧地撞在一起而没有产生沟槽，机器人末端的追踪速度是20mm/s 。

焊缝（轨迹线）的位置和方向不能 预先知道。

图3a 是追踪前所拍摄的图像。

在图像中有两条短的白色平行线，它们是用来搜索的照相机的镜头下部的边界；长的白色直线是通过GPI 转移方式所探测到的轨迹线，白色的圆点是激光焦点，黑色的方形点是激光焦点和通过音响视觉运算法则在3维空间中所计算出来的轨迹线的起点。

图3b 所展示的是追踪结果的图像，其中激光焦点已经沿着焊接线移动到了其起点的位置。

（a ）追踪前的图像 （b ）追踪后的图像图4.左侧照相机追踪前后的图像 X,Y ,Z 轴上的错误和追踪到的空间距离上的错误如图4所示。

实验结果表明X,Y ,Z 轴上的错误的误差小于0.3mm ，空间距离上的错误的误差小于0.4mm 。

系统不仅能够自动的识别焊缝，并且在即时的轨迹追踪和控制中满足焊接的要求。

5 总结在这篇文章中，人们提出了让用于激光焊接的关节机器人进行3维焊缝追踪的方法，其基础是音响视觉反馈控制。

在例如激光焊接和切割的精密材料加工过程中，这种方法可以改善关节机器人动态轨迹的精确度。

通过人们所提出的这种运算法则，轨迹线和激光焦点可以以三维视觉的方式重建。

通过一个适当的工具坐标系，所需要的代替工具可以容易而又快捷的计算出来。

在机器人运动学的基础上，人们控制机器人的最终运动，并尽可能的减少轨迹的错误。

试验结果表明这种方法可以有效的提高激光焊接机器人的轨迹精度，并且应用这种方法的系统可以满足高精度轨迹追踪的要求。

鸣谢这项研究受到中国国家自然科学基金会（编号：50275083），以及用于高等教育博士计划的研究基金（编号：20020003053）的支持。

参考文献[1].Mana Saedan,Marcelo H.以3维视觉为基础的工业机器人的控制[A].Proc ofIASTED Intel on Robotics and Applications[C]. 福罗里达州，美国。

11月，2001;152-157[2].王建华，赵晓光，谭明.5-DOF可视伺服机器人追踪控制的研究[J].机器人.2005,27(3):215-219(中国)[3].Mezouar Y,Chaumette F.用于图像基础控制的计划[J].关于机器人学和自动化的IEEE Trans,2002,18(4):534549.[4].徐阚烈，费仁清，王晓刚等.关于2维线段追踪系统的研究[J].上海大学学报.1999,5(4):348-352(中国)[5].张文曾，陈强，杜洪等.Gray Projecting Integral Method for Line Dectection[J].清华大学学报（科技）.2005,45(11);1446-1449(中国)管道焊接机器人的可视焊缝追踪系统袁立,德旭，严志国，和闵谭1.综合系统和智能科学重点实验室，自动化协会，中国科学院2.北京中国科学院研究生学院，100080P.R.中国（徐德，李园，谭）@/********************,ac,cn摘要：人们提出了一种以产生可视光线为基础的焊缝追踪系统，这种系统被应用于管道焊接机器人中。

首先，在对焊接表面激光反射和照相机的位置，激光所在的平面以及焊接后激光条纹图像的效果进行分析的基础上，设计出了视觉传感器。

为了防止在焊缝图像中出现严重的反射扰乱，人们开发了图像处理和特征抽取的运算法则。

为了对管道焊接进行焊缝追踪，人们采取了一种图像视觉控制系统。

人们通过控制管道焊接机器人的焊缝追踪实验来证实这个系统的性能。

1 引言在涉及机器人焊接的相关问题中，焊缝追踪是其中的一个重要的问题，它也是进行高质量的自动化焊接的基础。

工业上的焊接机器人大部分用于教学，并且机器人重复这个路径以满足焊接中光束的位置要求。

在焊接机器人的这种工作模式中存在一些问题，例如焊接位置的不精确性，由热量扩散而导致焊接处的变形与扭曲。

这些问题导致光束偏离其理论上的焊接路径，所以在焊接的过程中控制光束的焊缝轨迹是必要的[1]。

其次，管道焊接机器人不能预先对焊缝进行定义，因为当管道改变方向时，焊缝可能偏离管道内部的位置。

焊缝的轨迹可以随着轴线方向上管子的移动而改变。

在这种情况下，这种模式就不适合进行管道的焊接，并且焊接机器人需要修正光束和即时焊接时焊缝之间偏移。

为了避免在移动管道时出现焊缝的偏离，Prestion-Eastin Inc.提出了一种程序来控制轴线方向上管子的移动[2]。

Ref[3]参与讨论了当管道方向改变时管子在轴线方向上移动的原理。

解决问题的办法是用三自由度多机械手来升降管子，调整管子的位置，并摆正管子的方向。

这两种方法仅和管子的移动有关。

事实上，当管子改变方向时，焊缝将偏离其原来的位置。

然后，在进行高质量的焊接时就需要焊缝追踪系统。

T.-J. Tarn et al. (Eds.):机器人.焊接.，智能和自动化，LNCIS 362，pp.391-399，2007 Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007有一些种类的焊缝追踪系统通过不同种类的传感器开发出来。

这种以激光作为光线的可视传感器被广泛的应用，因为焊缝具有可靠性以及大量的信息，并且用于焊缝追踪系统的可视传感器被看做为自动焊接中前景很好的一种传感方法[4]。