[实用新型]使机器人高精度跟踪指定路径的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及跟踪补偿技术，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。该装置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。