基于视觉特征检测的空间曲线焊接机器人协调控制策略研究

The robotic collaborative planning control based on off-line programming is widely used in the field of complex space curve welding, however, several existing problems are needed to be resolved which includes: autual error can not be eliminated by simulation model, robot singularity is difficult to be avoided through planning model, and lack of weld deviation compensation in the welding process. Thus, it is the current research focus of the curve welding field. Based on the structural characteristics of the curve weld, it is proposed to solve the above problems by using structural light vision servo and redundancy performance optimization method in this project. The main research includes: 1) Analyze the structural characteristics of the curve weld, study the feature extraction method, and propose the structural modeling scheme based on the feature extraction method. 2) Analyze the constraint relationship between the weld model and the kinematic chain of the robot system under the the ship welding condition, and study the comprehensive motion performance optimization function, and establish the multi-objective fusion collaborative planning model; 3) Analyze the constraint relationship between the weld deviation and the robot differential motion, study the constraint model of the weld image feature and the robot joint limitation, and construct the deviation correction control law based on the constructed planning model under these constraint condition. Finally, the correctness of the coordinated control strategy of the robot based on the visual servo is verified by the combination of the off-line programming and the visual servo control. The solution of the above problems provides important theoretical support for the development of automatic tracking technology of the space curve welding.

基于离线编程的机器人协同规划控制在复杂空间曲线焊接领域应用广泛，但其存在的仿真模型无法消除实际误差、规划模式难以避免奇异位形、焊接过程缺少焊缝偏差补偿等问题急需解决，是当前曲线焊接领域的研究热点，本项目从曲线焊缝结构特征出发，拟采用结构光视觉伺服和机器人冗余度运动性能优化方法来解决上述问题。主要研究内容包括：1）分析曲线焊缝的结构特征，研究特征提取方法，提出基于特征检测的结构建模方案；2）分析船形焊条件下焊缝模型与机器人系统运动链的约束关系，研究系统综合运动性能的优化函数，建立多目标融合的协同规划模型；3）分析焊缝偏差与系统微分运动的约束关系，研究焊缝图像特征和机器人关节限位的约束模型，构建约束条件下基于规划模型的偏差修正控制律。最后，以离线编程和视觉伺服控制相结合的实验手段，验证基于视觉伺服的机器人协调控制策略的正确性。上述问题的解决对空间曲线焊接自动跟踪技术的发展提供了重要的理论支撑。

针对当今工业产品多样化和柔性化发展对复杂空间曲线焊接自动化的需求，本项目以机器人空间曲线焊接技术为研究对象，从空间曲线焊缝结构特征出发，综合应用线结构光视觉检测和机器人运动规划优化方法，结合机器人VTK可视化仿真技术，研究空间曲线焊缝特征参数提取与结构建模、机器人空间曲线焊接轨迹规划、曲线焊接视觉伺服控制等问题，并开展相关焊接实验研究。. 首先，以机器人曲线焊接结构光视觉检测平台为依托，以线结构光视觉检测技术为手段，对空间曲线焊缝特征参数提取与建模进行研究。基于结构光条纹斜率变化分析，提出了空间曲线焊缝结构特征提取方法；通过机器人焊接系统的位姿变换和Bspline曲线拟合，建立焊缝曲线及其两侧曲面变化特征模型；通过焊缝控制点离散化，形成空间曲线焊缝视觉形态特征的结构模型，所构建结构模型具备反映焊接位置和姿态的整体表征性。.其次，应用旋量运动学建模和微分运动矢量变换方法，对机器人空间曲线焊接轨迹规划进行研究。基于曲线焊缝结构特征模型建立焊缝离散点位姿微分运动矢量变换关系；基于旋量运动学建模构建典型焊接机器人系统逆解结构和解算模型。依据构建的微分矢量变换和逆解模型，通过主从机器人闭环运动链形成满足船型焊工艺要求的双机器人协同焊接规划方法，通过VTK仿真技术实现了空间曲线焊接规划的可视化。. 再次，以焊缝结构建模和焊接规划为基础，对机器人视觉伺服控制进行研究。设计了相机-激光器多自由度运动控制系统，通过动态视觉检测形成焊缝偏差，依据焊缝规划模型，建立焊缝偏差与机器人位姿变换的微分运动关系，形成基于位置反馈的机器人焊接伺服控制方法。通过基于距离误差理论的机器人运动学参数标定和基于球面均匀分布的机器人TCP标定，提高焊缝检测与焊接控制精度。. 综上，本项目通过机器人在空间曲线焊接领域建模、规划和控制等问题的研究，形成的理论方法对实现空间曲线自动焊接技术的实用化具有一定的应用价值和现实意义。