技术领域
[0001] 本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其涉及一种SCARA焊接机器人的手持在线焊接示教方法。
相关背景技术
[0002] 随着制造技术的发展，机器人焊接系统以其高重复精度和操作稳定性在工业中得到了广泛应用，并发挥了重要作用。机器人的示教方法通常被称为回放方式。就回放方式而言，操作者通过操作示教操作盘而以点动进给使机器人实际地移动到示教位置，并将与示教位置对应的机器人位置作为位置数据依次存储于机器人，也可以是通过由操作者手动使机器人移动到示教位置并同样地进行存储的手动指导方式来进行示教作业。
[0003] 在实际生产中，大多数焊接机器人仍然使用在线示教和回放的方式，无法满足各种产品的效率要求。为了使机器人焊接过程更容易、更有效，研究者们给出了三种常用的方式去解决问题。第一种是基于图像处理的机器人视觉，通过视觉传感器识别焊缝，帮助机器人进行弧焊；第二种是在基于虚拟CAD环境中根据计算图形仿真进行离线编程的方式；第三种是使用手腕力/扭矩传感器的遍历编程技术的方式。以上三种方法会增加成本或对操作者有更高的要求。在各种不同的机器人任务中，这是一个相当常见和关键的方面，尤其是对于中小型企业来说，目前常规采用的几种方式成本较高且费时费力，不利于焊接机器人的应用和发展。
具体实施方式
[0065] 为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。
[0066] 实施例1：
[0067] 参见图1，图1绘制了本发明的示教方法的流程示意图。如图所示，一种SCARA焊接机器人的手持在线焊接示教方法，包括以下内容：
[0068] SS1、对SCARA机器人的机械结构进行调整；
[0069] 在每个关节中的电机轴和齿轮之间增加电磁离合器，在机器人关节中采用两级减速，配备重力平衡装置；
[0070] SS11、在每个关节中的电机轴和齿轮之间增加电磁离合器；
[0071] 每个轴在法兰和推力轴承之间增加电磁离合器；设置了电磁离合器，操作员可以通过示教盒断开离合器，直接用手移动末端执行器，调整焊枪的姿势并记录关键点的位置；
[0072] SS12、在机器人关节中采用两级减速；
[0073] 为了在断开离合器的同时实现手持式焊接示教，并在笛卡尔坐标系中移动末端执行器，在前两个关节中使用两级减速方法，改善其水平面上的柔顺特性，操作者在示教时可以用很小的力移动机械手；
[0074] SS13、配备重力平衡装置；
[0075] 在垂直移动关节中添加一个重力平衡装置；螺旋弹簧固定在第二个臂的末端，另一侧通过齿轮传动与垂直轴连接；利用螺旋弹簧的弹力平衡垂直轴的重力；这种结构可以减少机械自重引起的位移，防止突然断电时焊枪碰撞损坏，同时重力平衡装置可以减少手持焊接示教过程中人手的负荷，使操作员在电磁离合器解锁的情况下轻松地在垂直位置移动焊枪。
[0076] SS2、建立从工件到机器的特征映射；
[0077] 将设计特征映射到加工特征是机器人巡航的基础，工件的每组设计特征映射以D＝{C，P，R}的形式定义；
[0078] C是连接类型的集合，P定义为P＝(接缝(x，y，z)、法线(x，y，z)、M)的形式，其中接缝(x、y、z)是按顺序排列的接缝的集合，法线(x，y，z)包含起点、终点和其它没有焊接的点；x、y和z是点在笛卡尔坐标系中的位置；M＝{Vx，V，I，L}表示焊接方法的要求，Vx是运动线速度，V是焊接电压，I是焊接电流，L是焊接次数；R表示焊接方法的要求，R＝{w，t，R}，其中w是接缝宽度，t是深度，R是材料特性。
[0079] SS3、基于矢量和遗传算法的最优空间圆弧插补；
[0080] SS31、焊接电弧的实时插补；
[0081] 为了与手持焊接示教协同工作，机器人在控制时需要采用高效的实时插补方法。假设焊接由三个姿势获得的圆弧，末端执行器有三个传递矩阵：
[0082]
[0083] 分别表示弧的起始姿势、中间姿势和最终姿势。在笛卡尔坐标系中进行实时插值的目的是获得每个关节的实时运动参数：
[0084]
[0085] SS311、得到线速度矢量v；
[0086] 本实施例提出了一种基于向量的方法来获取v，确保圆弧对应的弧度不大于π，因为理论上不确定圆弧通过三个点的唯一性，即使知道它们的顺序，如果想要得到一个完整的圆轨迹，那么，手持焊接示教必须至少有五个点；焊接位置处的圆弧插补算法如下：
[0087] SS3111、确定弧的中心
[0088]
[0089] a00＝X0‑X1,a01＝Y0‑Y1,a02＝Z0‑Z1,a10＝X1‑X2
[0090] a11＝Y1‑Y2,a12＝Z1‑Z2,a20＝a02(a02a11‑a01a12)
[0091] a21＝a02(a00a12‑a02a10)
[0092] a22＝‑[a00(a02a11‑a01a12)+a01(a00a12‑a02a10)]
[0093]
[0094] 求出圆心OC(XC,YC,ZC)后，半径R可以很容易地计算出来；当平面上的圆形OCP0P2平行于坐标平面OXY、OXZ或OYZ时，在这种情况下，A的秩＝2，可以简化为圆插值的平面问题；
[0095] SS3112、获取平面的圆心角、法向量和插值点的位置Pi(Xi,Yi,Zi)和Pi+1(Xi+1,Yi+1,Zi+1)；
[0096] 平面圆弧的法向量是：
[0097] 点Pi的切向矢量为：
[0098] 假设机器人末端执行器速度为V，插值周期为Δt；间隔角度可以很容易地通过方程计算：
[0099] 通过几何关系，可以得到方程：
[0100]
[0101] 则，通过实时循环迭代得到插值点：Pi+1(xi+1,yi+1,zi+1)；
[0102] SS3113、获取线速度矢量v；
[0103]
[0104] 基于遗传算法的离线最优运动轨迹；
[0105] 为了获得连续的加速度和限位，需要做大量的运动生成或轨迹规划工作；在运动学和动力学约束下，机器人应回放设定点或具有规划运动曲线的几何路径，规划运动曲线包括位置、速度、加速度和刚性时间；在实际焊接应用中，机器人必须避开预先设置的障碍物，满足高效固定的工作节拍。
[0106] 本实施例采用三次多项式样条和遗传算法来实现非焊接轨迹规划：
[0107] 1、首先需得到时间最优轨迹规划的公式，由n个点构成的n‑1个轨迹构造一个三次多项式，递推公式可以表示如下：
[0108] qj(t)＝aj+bj(t‑tj)+cj(t‑tj)2+dj(t‑tj)3
[0109] 这里，t∈[tj,tj+1+,j＝0,1,......,n‑2，设两个预设点之间的时间间隔为：hj＝tj+1‑tj，同时，需要在每个点添加限制函数：
[0110]
[0111] 利用以上条件，可以得到qj、 和时间间隔hj之间的关系：
[0112]
[0113] 同时，在起点和终点的速度和加速度应为零；因此，存在以下固定边界约束：
[0114]
[0115] 2、但是传统的三次样条插值不能保证起点和终点的速度和加速度同时为零，为了适应这一点，可以在起点之后和终点之前插入两个虚拟结点，或者重建q0(t)和qn‑2(t)。这里，使用四次多项式来重建q0(t)和qn‑2(t)：
[0116] q0(t)＝a0+b0t+c0t2+d0t3+e0t4
[0117] qn‑2(t)＝an‑2+bn‑2(t‑tn‑2)+cn‑2(t‑tn‑2)2+dn‑2(t‑tn‑2)3+en‑2(t‑tn‑2)4[0118] 方程用对角线形式表示为：
[0119]
[0120] 求解上述n‑1方程，可以得到运动轨迹的表达式。
[0121] 3、最优运动解问题可以用如下公式表达：
[0122]
[0123] 为了得到时间间隔，将hi作为遗传算法的设计变量。
[0124] 机器人可以在空间中快速移动和调整焊炬姿态，遗传算法可以优化动作时间，加快工作节奏；对于三个连续轨迹，初始时间可以从3s优化到大约2.5s。
[0125] 本发明通过对焊接机器人机械结构的调整，操作员可以通过断开离合器直接手动移动末端执行器；通过矢量和遗传算法的最优空间圆弧插补算法实现焊接机器人高效的实时运动控制。
[0126] 本实施例中，
[0127] 1、电弧启动设置
[0128] 参见图2～4，为了实现完美的电弧操作，使用五次样条在笛卡尔空间中规划轨迹电弧；图2、图3和图4说明了SCARA焊接机器人从姿态T1到T2的一块板连接焊接的模拟过程。
[0129]
[0130] 在300毫米/分钟的速度下，焊接过程大约需要283秒。图2、图3和图4分别说明了笛卡尔空间中电弧过程的速度、关节角速度和关节角加速度。
[0131] 2、焊接过程
[0132] 选择一个工件，使用手持焊接示教功能记录关键点并设置工作参数，然后生成工作路径；手持焊接示教的整个加工过程对于工件的成本可以参见下表，包含关键点数量、耗时和按钮点击次数：
[0133]
[0134] 以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
