[發明專利]一種使機器人高精度跟蹤指定路徑的設備和方法

無效

• 申請號: 200810012274.7
• 申請日: 2008-07-11
• 公開（公告）號: CN101623867A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 羅振軍;王琛元;賀云;姜春英;鄒媛媛;田永利
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J9/22;B25J19/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及跟蹤補償技術，具體地說是一種使機器人能高精度地跟蹤指定路徑(例如焊縫)的設備和路徑跟蹤補償方法。該設備和方法可以使精度不高的機器人系統實現激光焊接等高精度工藝。

背景技術

一些先進工藝的應用希望采用工作空間大、運動柔性好的機器人，同時也對機器人的定位精度提出很高的要求。例如激光焊接有著如下顯著的特點：焊接速度可達4m-15m/min以上，而傳統電弧焊的焊接速度一般僅為0.5m-1.0m/min；跟蹤定位精度要求高，對焊縫跟蹤誤差要求在±(0.05-0.1mm)以內，遠低于電弧焊中要求的跟蹤誤差±0.5mm。現有激光焊接機器人系統普遍存在路徑跟蹤精度不高、成本高昂和擴展性較差等問題，仍有改進空間。

現有定位精度較高的工業機器人的基本指標如下：空間定位精度一般在1mm量級，單點重復定位精度在0.1mm量級，路徑重復精度在0.2mm量級。盡管工業機器人的單點重復定位精度較好，但是空間定位精度和路徑重復精度還不能滿足激光焊接在高速運行時的要求，因此必須解決工業機器人高速跟蹤連續路徑時空間定位精度和路徑重復精度不高的難題。

提高機器人定位精度的常用方法是對機器人工具中心點位置進行修正的補償方法，根據工作特點可分成離線補償方法和在線補償方法。

離線補償方法采用“示教-離線修改示教點之后再焊接”二步走的工作方式。考慮到工業機器人的空間定位精度和路徑插補精度都不高，就需要指定大量示教點，并根據測量結果(如后面提及的同軸視覺系統的測量結果)對示教點進行多次微調。由于手動修改示教點效率太低，自動修正機器人示教點和其他參數一直是機器人領域的熱門課題。ABB公司的一項專利(美國專利號US?7130718)提出采用迭代學習控制的方法，對機器人的運動路徑規劃、力矩前饋控制和摩擦力模型等進行反復的自動修正。不過這種方式目前還缺乏商業化應用，這主要是因為由摩擦力變化和減速器回差等非線性因素引起的工業機器人的工具中心點軌跡在特定位置可能發生較大幅度的快速跳變(或稱為抖動)，而且路徑重復精度遠低于其他位置。對于這種情況通過上述方法取得的定位精度通常難以達到激光焊接的要求。

在線補償方法采用“記憶-回放”二步走的工作方式。代表性的專利有美國United?Technologies?Corporation的專利(美國專利號US4922174)，該專利針對同軸視覺系統(即位于工具中心點正上方的視覺系統)在電弧焊接過程中的強光干擾下難以看清焊縫的問題，提出一種補償方案，在空跑階段(即不進行焊接)通過同軸視覺系統測量并記錄下機器人工具中心點與指定路徑的偏差數據，在實際焊接階段對已記錄的測量數據進行回放，根據這些數據對機器人位姿進行增量式修正。我國上海交通大學的周律等人的專利(中國專利號CN1600488)與上述美國United?TechnologiesCorporation專利相似，但在空跑階段視覺系統拍攝的是焊槍前方一小段焊縫，并在線計算焊縫與機器人前進方向的偏差與夾角，根據偏差與夾角在線控制機器人位姿調整增量，并將機器人位姿調整增量記錄下來；在實際焊接階段回放機器人位姿調整增量。上述兩種在線補償方法的局限性在于每次焊接前都需要進行一次空跑，故批量生產時效率低；而且空跑階段的機器人路徑和實際焊接階段的機器人路徑難免存在路徑重復偏差，故該方法的定位精度也有限。順便指出，在線補償方法在嚴格意義上應稱為偽在線補償方法，因為回放的測量數據(或者機器人位姿調整增量)已不算是在實際焊接階段在線獲得。

更多的激光焊接機器人系統采用焊縫跟蹤技術。焊縫跟蹤技術在20世紀80年代就已經被應用，有關焊縫跟蹤的專利較多，例如Caterpillar公司的專利(美國專利號US4591689)、美國Westinghouse電子公司的專利(美國專利號US4952772)等。但是這些專利和研究是針對機器人電弧焊，由于這些工藝對跟蹤速度和定位精度的要求與激光焊接相去甚遠，相應的焊縫跟蹤系統難以應用在激光焊接當中，也未見文獻分析這些焊縫跟蹤系統跟蹤精度不高的根本原因。