CN113305474B - 一种基于plc的焊接机器人摆焊姿态插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，包括：示教摆动焊接路径起始点P_s和终止点P_e，得到位置和姿态信息；将所述焊接路径点姿态描述转换成四元数表示；计算起始点和终止点的四元数姿态中间变换Z_se；计算姿态中间变换Z_se的归一化常数N_const；计算姿态中间四元数变换Z_se的变换角φ；计算焊接路径P_s到P_e中间姿态插补点P_i；生成姿态插补点，判断是否为终点；结合焊接路径起始点到终止点的空间位置插补信息与姿态插补信息，焊接机器人PLC控制器将插值信息通过逆解解算模块转换成对应的关节角度信息，通过总线通讯的方式下发给机器人执行机构执行。

Description

一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人控制技术领域，特别涉及一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法。

背景技术

在实际的工程应用中，焊接机器人常用于直线、圆弧轨迹的焊接，但在焊缝比较大或为了满足特殊焊接工艺要求时，往往会用到摆动焊接(简称摆焊)。摆焊是指机器人末端焊条沿着焊缝方向行进，同时以设定的幅值与频率进行摆动，以增大焊接宽度，从而提高焊接效率和强度的一种方法。常用的摆动焊接包括三角摆焊、L型摆焊、正弦摆焊等，它有效地提升了焊缝的强度和韧性，在自动化焊接设备中得到广泛应用。

摆动焊接的轨迹规划基于机器人运动规划上层，根据用户示教的焊接路径，利用直线或其他曲线拟合焊缝的焊接路径。在一些特殊应用场合，为了满足工艺要求或避免焊接机器人与工装产生碰撞，需要机器人末端姿态在焊接过程中，也要跟着变化；尤其是进行圆弧摆焊时，需要经过示教圆弧摆焊的中间位置和姿态，以避免工装干涉。

现有的焊接机器人摆动焊接技术，大多是从平面位置、空间位置角度去研究摆焊方法，利用不同的曲线拟合焊接路径，在进行摆焊轨迹规划时，往往只考虑了位置规划，末涉及姿态规划，在摆动焊接过程中机器人易与工装产生碰撞。同时，机器人在焊接终止点姿态发生突然变化，影响焊接效果。中国专利CN105855672B提供了一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法，位姿基于旋转矩阵插补，且需要将机器人坐标系下示教点转换到圆弧所在平面下，计算过程复杂。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，包括如下步骤：

步骤S1，示教摆动焊接路径起始点P_s和终止点P_e，得到位置和姿态信息；

步骤S2，将所述焊接路径点姿态描述转转换成四元数表示；

步骤S3，计算起始点和终止点的四元数姿态中间变换Z_se；

步骤S4，计算姿态中间变换Z_se的归一化常数N_const；

步骤S5，计算姿态中间四元数变换Z_se的变换角φ；

步骤S6，计算焊接路径P_s到P_e第i次插补点P_i的姿态信息；然后首先计算插补点P_i的姿态插角

，再计算插补点P_i的姿态信息；

步骤S7，生成姿态插补点，判断是否为终点，如果是则插补结束，否则返回步骤S6；

步骤S8，结合焊接路径起始点到终止点的空间位置插补信息与步骤S7中的姿态插补信息，焊接机器人PLC控制器将插值信息通过逆解解算模块转换成对应的关节角度信息，通过总线通讯的方式下发给机器人执行机构执行。

进一步，在所述步骤S1中，示教出焊接路径的起始点P_s和终止点P_e，获取基于机器人坐标系下的位置和姿态信息P(x,y,z,α,β,γ)；机器人位姿信息由基于直角空间的位置矢量(x,y,z)和基于欧拉空间姿态矢量(α,β,γ)共同描述。

进一步，在所述步骤S2中，

将焊接路径的起始点P_s和P_e的姿态矢量转换到四元数空间，则可用单位四元数描述点的姿态Z＝[Z_w Z_x Z_y Z_z]^T，且

欧拉角转换成四元数公式下所示：

进一步，在步骤S3中，计算焊接路径起始点P_s到终止点P_e中间变换，包括：

假设点P_s和P_e的姿态四元数依次为Z_s、Z_e，四元数中间变换为Z_se，则：

由单位矩阵的性质可知，单位矩阵的逆Z^-等于其共轭Z^*，则上式可进一步转换成下式：

进一步，

Z_e为：

则将上述Z_e和

代入式(3)即可得四元数中间变换Z_se：

进一步，所述计算姿态中间变换归一化常数N_const，包括如下步骤：

假设由

所求得中间变换的四元数Z_se为

则四元数的归一化常数N_const可由下式表式：

进一步，在所述步骤S4中，计算中间变换Z_se变换角φ，包括如下步骤：

机器人姿态旋转变换既可由四元数描述，也可通过轴-角关系进行描述，即将四元数表示的姿态变换表示成由一个单位向量所定义的旋转轴

旋转某一角度φ，由四元数与三维旋转之前关系可得四元数变换角：

进一步，所述计算焊接路径P_s到P_e姿态变化的中间插补点P_i，包括如下步骤：

对焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态插值可转换成对中间变换Z_se旋转角φ的插值。假设焊接路径位置的摆动插值次数为N，姿态中间插补点i为1，2，...，(N-1)；下面计算姿态中间插补点P_i的信息：

a)假设第i次插值点相对焊接起始点的姿态变化角为

则四元数姿态变换的第一个元素为：

b)结合中间变换Z_se的归一化常数，可得到中间计算变量κ：

c)中间姿态变换插补点相对圆弧起始点的姿态变化四元数Z_si可由下式表示：

则插补点的姿态四元数Z_i为：

Z_i＝Z_si·Z_s

d)将插补点P_i的姿态四元数Z_i转换成欧拉角(RPY)，假设

P_i的欧拉角为(α_i,β_i,γ_i)，则：

e)重复步骤a～d，直到计算完所有的中间插值点；最后一个插值点为摆动焊接终止点P_e

根据本发明实施例的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，基于PLC焊接机器人控制器开发，在摆动轨迹规划时，对焊接路径点的姿态进行规划，有效避免了机器人摆动焊接过程中与工装碰撞问题。同时，本发明在四元数空间对焊接机器人姿态进行规划插值，保证机器人姿态平滑性，并提升焊接质量。

1.本发明摆动轨迹规划时，对姿态进行规划插补，有效避免了机器人摆动焊接过程中与工装碰撞问题；

2.本发明在四元数空间对姿态进行规划插补，且不涉及坐标变换，算法简单高效；

3.本发明基于四元数的姿态插补法，摆焊过程中焊接机器人姿态变化顺滑平稳，提升焊接质量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明实施例的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，包括如下步骤：

步骤S1，示教摆动焊接路径起始点P_s和终止点P_e，得到位置和姿态信息。

在本步骤中，示教出焊接路径的起始点P_s和终止点P_e，获取基于机器人坐标系下的位置和姿态信息P(x,y,z,α,β,γ)；机器人位姿信息由基于直角空间的位置矢量(x,y,z)和基于欧拉空间姿态矢量(α,β,γ)共同描述。

具体的，通过焊接机器人示教器，示教出摆动焊接路径的起始点P_s和终止点P_e，获取基于机器人坐标系下的位置和姿态信息P_s(x_s,y_s,z_s,α_s,β_s,γ_s)和P_e(x_e,y_e,z_e,α_e,β_e,γ_e)。

步骤S2，将焊接路径点姿态描述转换成四元数表示。

在本发明的实施例中，将焊接路径的起始点P_s和P_e的姿态矢量转换到四元数空间，则可用单位四元数描述点的姿态Z＝[Z_w Z_x Z_y Z_z]^T，且

欧拉角转换成四元数公式下所示：

通过公式(1)将摆动焊接起始点P_s和终止点P_e的姿态(α,β,γ)转换成四元数描述，则P_s和P_e对应姿态四元数依次为

步骤S3，计算起始点和终止点的四元数姿态中间变换Z_se。

在本步骤中，计算焊接路径起始点P_s到终止点P_e中间变换，包括：

假设点P_s和P_e的姿态四元数依次为Z_s、Z_e，四元数中间变换为Z_se，则：

由单位矩阵的性质可知，单位矩阵的逆Z^-等于其共轭Z^*，则上式可进一步转换成下式：

其中，

Z_e为：

则将上述Z_e和

代入式(3)即可得四元数中间变换Z_se：

步骤S4，计算姿态中间变换Z_se的归一化常数N_const。

具体的，计算姿态中间变换归一化常数N_const，包括如下步骤：

假设由式(3)所求得中间变换的四元数Z_se为

则四元数的归一化常数N_const可由下式(4)表式：

步骤S5，计算姿态中间四元数变换Z_se的变换角φ。

具体的，计算中间变换Z_se变换角φ，包括如下步骤：

机器人姿态旋转变换既可由四元数描述，也可通过轴-角关系进行描述，即将四元数表示的姿态变换表示成由一个单位向量所定义的旋转轴

旋转某一角度φ，由四元数与三维旋转之前关系，结合所求Z_se可得四元数变换角：

步骤S6，计算焊接路径P_s到P_e第i次插补点P_i姿态信息。

具体的，计算焊接路径P_s到P_e姿态变化的中间第i次插补点P_i姿态信息，包括如下步骤：

对焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态插值可转换成对中间变换Z_se旋转角φ的插值。假设焊接路径位置的摆动插值次数为N，则总的姿态插补周期数为N，姿态中间插补点i为1，2，...，(N-1)。下面计算姿态中间插补点P_i的信息：首先，计算插补点P_i的姿态插角，再计算插补点P_i的姿态信息。

a)第i次插值点相对焊接起始点的姿态变化角为：

其中，

插补点P_i的姿态插角

则可得到姿态变换的第一个元素为：

b)结合中间变换Z_se的归一化常数，可得到中间计算变量κ：

c)计算中间姿态变换插补点相对圆弧起始点的姿态变化四元数Z_si

则插补点的姿态四元数Z_i为：

Z_i＝Z_si·Z_s (9)

结合式(6)、(7)、(8)、(9)可得摆动焊接插补点i的姿态四元数为：

d)将插补点P_i的姿态四元数Z_i转换成欧拉角(α_i,β_i,γ_i)：

假设

则P_i的欧拉角可由式(10)所得：

结合子步骤c)中所求Z_i和式(10)即可得到插补点P_i的欧拉角。

其中，插补点P_i的姿态信息采用上述计算得到的欧拉角进行描述，在实际插补操作中转换成四元数进行描述，以四元数变换的旋转角进行插补。

e)重复步骤a～d,直到计算完所有的中间插值点姿态；最后一个插值点为摆动焊接终止点P_e。步骤S7，生成姿态插补点，判断是否为终点，如果是则插补结束，否则返回步骤S6。

步骤S8，结合焊接路径起始点到终止点的空间位置插补信息与步骤S7中的姿态插补信息，焊接机器人PLC控制器将插值信息通过逆解解算模块转换成对应的关节角度信息，通过总线通讯的方式下发给机器人执行机构执行。

根据本发明实施例的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，基于PLC焊接机器人控制器开发，在摆动轨迹规划时，对焊接路径点的姿态进行规划，有效避免了机器人摆动焊接过程中与工装碰撞问题。同时，本发明在四元数空间对焊接机器人姿态进行规划插值，保证机器人姿态平滑性，并提升焊接质量。

1.本发明摆动轨迹规划时，对姿态进行规划插补，有效避免了机器人摆动焊接过程中与工装碰撞问题；

2.本发明在四元数空间对姿态进行规划插补，且不涉及坐标变换，算法简单高效；

3.本发明基于四元数的姿态插补法，摆焊过程中焊接机器人姿态变化顺滑平稳，提升焊接质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，示教摆动焊接路径起始点P_s和终止点P_e，得到位置和姿态信息；

步骤S2，将所述焊接路径点姿态描述转换成四元数表示；

步骤S3，计算起始点到终止点的姿态四元数变换Z_se；

在步骤S3中，计算焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态四元数变换Z_se，包括：

假设点P_s和P_e的姿态四元数依次为Z_s、Z_e，姿态四元数变换为Z_se，则：

由单位矩阵的性质可知，单位矩阵的逆Z^-等于其共轭Z^*，则上式可进一步转换成下式：

其中，

Z_e为：

则将上述Z_e和

代入式(1)即可得姿态四元数变换Z_se：

步骤S4，计算姿态四元数变换Z_se的归一化常数N_const；

步骤S5，计算姿态四元数变换Z_se的变换角φ；

步骤S6，计算焊接路径P_s到P_e第i次中间插补点P_i的姿态信息；然后首先计算中间插补点P_i的姿态变化角

再计算中间插补点P_i的姿态信息；

步骤S7，生成姿态插补点，判断是否为终点，如果是则插补结束，否则返回步骤S6；

步骤S8，结合焊接路径起始点到终止点的空间位置插补信息与步骤S7中的姿态插补信息，焊接机器人PLC控制器将中间插补点信息(x,y,z,α,β,γ)通过逆解解算模块转换成对应的关节角度信息，通过总线通讯的方式下发给机器人执行机构执行；其中，(x,y,z)为基于直角空间的位置矢量；(α,β,γ)为基于欧拉空间姿态矢量。

2.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S1中，示教出焊接路径的起始点P_s和终止点P_e，获取基于机器人坐标系下的位置和姿态信息P(x,y,z,α,β,γ)；机器人位姿信息由基于直角空间的位置矢量(x,y,z)和基于欧拉空间姿态矢量(α,β,γ)共同描述。

3.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S2中，

将焊接路径的起始点P_s和终止点P_e的姿态矢量转换到四元数空间，则可用单位四元数描述点的姿态Z＝[Z_w Z_x Z_y Z_z]^T，且

欧拉角转换成四元数公式下所示：

4.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，所述计算姿态四元数变换归一化常数N_const，包括如下步骤：

假设由

所求得姿态四元数变换Z_se为

则姿态四元数变换归一化常数N_const可由下式表式：

5.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S5中，计算姿态四元数变换Z_se变换角φ，包括如下步骤：

机器人姿态旋转变换既可由四元数描述，也可通过轴-角关系进行描述，即将四元数表示的姿态变换表示成由一个单位向量所定义的旋转轴

旋转某一角度φ，由四元数与三维旋转之间关系可得变换角：

6.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，所述计算焊接路径P_s到P_e姿态变化的中间插补点P_i，包括如下步骤：

对焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态插值可转换成对姿态四元数变换Z_se变换角φ的插值；假设焊接路径位置的摆动插值次数为N，中间插补点为P_i；下面计算中间插补点P_i的信息：

a)假设第i次插补点相对焊接起始点的姿态变化角为

则四元数姿态变换的第一个元素为：

b)结合姿态四元数变换Z_se的归一化常数，可得到中间计算变量κ：

c)中间插补点相对圆弧起始点的姿态变化四元数Z_si可由下式表示：

则中间插补点的姿态四元数Z_i为：

Z_i＝Z_si·Z_s

d)将中间插补点P_i的姿态四元数Z_i转换成欧拉角(RPY)，假设

P_i的欧拉角为(α_i,β_i,γ_i)，则：

e)重复步骤a～d，直到计算完所有的中间插补点；最后一个插补点为摆动焊接终止点P_e。

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