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Robot path planning optimization for welding complex joints
HC Fang1 amp; SK Ong1 amp; AYC Nee
Received: 26 July 2016/Accepted: 31 October 2016/Published online: 15 November 2016 # Springer-Verlag London 2016
焊接复杂接头的机器人路径规划优化
译者：马鹏程
摘要：在机器人焊接中，焊炬运动的规划和生成对于焊接复杂接头至关重要。 本文提出了一种用于焊接Y型接头的质心通道的最佳机器人路径规划的方法。定义和管理与焊接相关的相关数据，以便于机器人路径的规划和生成。通过适当选择焊枪倾斜角度和焊道分割技术，生成包含多个机器人路径的解空间以考虑功能冗余和不同的焊接机器人构造。使用束搜索算法确定最小关节移动的解决方案作为每个焊接路径的最佳机器人路径分割。对机器人轨迹规划的一个案例进行了研究。
关键词：机器人焊接；焊接路径规划；复杂的连接；机器人配置。
1.介绍
在造船厂中，自升式钻机结构通常由数百个复杂的焊接接头部件组成，称为管状TKY（字母T，K和Y配置）接头。这些复杂的关节是难以焊接，因为它们呈现（1）非均匀和不规则的焊接槽（2）需要特殊的焊接工艺技能6G焊接位置。目前用于制造这种厚且复杂的接头结构的实践主要局限于手工焊接工艺。 例如，自升式钻机的一个横管部分的焊接将需要两名焊工焊接四天才能完成。尽管商业上可用的机器人焊接系统配备有先进的焊接技术，例如，弧焊缝传感和跟踪[1]，但由于焊接凹槽不均匀和不规则的几何形状，提出针对这些类型的具有人为干涉的复合接头的自动化焊接解决方案是不可能的。对于一个给定的焊接任务，人类工作者必须使用机器人示教器来指示焊接路径和机器人焊接路径的通道[2]。
基于CAD的机器人编程范例的发展使得机器人能够生成令人满意的机器人路径并且利用关节的理想（或标称）尺寸和精确的机器人运动学来进行模拟。在复杂接头的焊接中，可以提取接头上的CAD特征以形成焊接凹槽，将其用于生成焊接通道和相关的机器人路径。这些焊接路径和相关机器人路径的合适的焊接参数可以根据标准焊接实践来确定。关于这些复合连接的类型和配置的焊接知识可以在数据库中找到。知识数据库可以提供一条基线来调整机器人路径以迎合凹槽几何形状和尺寸的变化。
本研究的重点是针对质心焊接过程的机器人运动规划和优化，该过程被定义为基于CAD计算的两个关节之间的几何相交。 基于焊接位置，根据手工焊接实践来选择焊接凹槽分割方案。焊接过程由一组参数表示，以便于焊接数据的管理和随后的机器人路径的生成。通过适当的焊枪倾斜角度，可以产生多个机器人路径来实现两种约束，即可达性和机器人路径一致性。具有最小关节移动的解决方案被确定为相关焊接路径的最佳机器人路径。这是为了确保机器人的平稳运动。采用焊接机器人的精确运动学对Y型接头进行焊接仿真，以说明所提出的机器人路径规划方法在焊接路径生成和优化中的应用。
2.相关研究
目前人们已经开发了各种机器人焊接系统配置来解决复杂接头结构的焊接问题[1]。一个这样的系统采用专门设计的轨道焊接机器人，该机器人可以围绕安装在邻近要焊接的接头的管道周围的轨道移动[3]，使得整个焊接通道可以在一次运行中完全覆盖。另一种焊接系统配有一个转台来支撑工件[4,5]，它可以将所有焊接位置旋转并平移到水平或垂直位置。在这项研究中，由于造船厂的横管结构尺寸很大，焊接机器人相对于接头是静止的，如图1所示。
Figure 1
使用图形用户界面（GUI）的离线编程在当前的工业焊接机器人系统中仍然占据主导地位[6-8] ，机器人系统提供了一个以CAD为基础的环境，在执行任务之前，可以对焊接解决方案进行规划，修改和模拟，具有精确的机器人运动学特性和理想（标称）的工件尺寸。Tsai等人 [9]开发了一种用于机器人电弧焊接的离线编程系统，其中工件和焊接通道使用分析几何表示。Shietal [4,5]开发了一种单通道机器人路径规划方案，用于焊接基于管道几何模型的相交管道。最近的研究报道了深槽机器人焊接中多层次和多道次焊接规划的研究成果;已经实现的关键的技术包括焊接坡口几何采集，焊接梁几何建模，以及多层和多道次布局和工艺规划。杨等人[10]报道了一种基于视觉的方法来获取双面双弧焊接工件的凹槽信息。基于视觉的方法也被应用于几何建模，例如基于视觉计算[11]，立体视觉[12]和视觉紧张模型[13]。分析方法已被报道用于模拟焊缝横截面积[10,14]。研究人员并未考虑焊接分割计划以确保焊炬完全达到焊接区域，因为它们的重点在于使用焊接定位器[4,5]或通过线性凹槽模型的规划[10,14]来达到目的。已经报道了许多关于焊道几何建模的研究，例如人工神经网络与田口方法或回归技术的集成[15,16]，以解决焊接参数对焊道形成的非线性影响。在本文中，焊接凹槽分为多个部分，使得每个部分都可以通过一致的机器人运动和合适的机器人配置进行访问。陈等人。[17]采用梯形或平行四边形珠形等面积填充算法进行多遍布局规划。[18]根据可用的焊接参数，开发了多道次规划算法以满足深沟槽要求的通道数量。在这些研究中，工件具有规则和均匀的凹槽几何形状，并呈现单个焊接位置，其处于平坦位置或垂直位置。艾哈迈德等人[19]开发了焊接分支到弦连接的解耦路径规划方法，包括规划焊接路径的机器人路径和两次连续路径之间的无碰撞中间机器人路径。
使用普通工业焊接机器人的电弧焊接呈现功能冗余;这种冗余是指对对称轴旋转的焊炬的冗余，它对火炬的倾斜角度没有影响。功能冗余可能导致不同的接头配置，以在保持相同焊接行程和工作角度的同时保持定向焊炬;这可能会影响机器人运动的一致性。Hand and Baron [20,21]提出了一种考虑机器人关节限制和奇异规避的可行机器人焊接路径的数值方法。在本文中，通过解决机器人配置和功能冗余问题来规划给定焊接路径的机器人路径。
Ogbemhe和Mpofu [22]回顾了一般机器人轨迹规划和轨迹跟踪方法，这些方法可以应用于机器人的焊接任务规划中。Yahşi和Ozgouml;ren[23]开发了一种数值方法，通过最小化当前关节位置与机器人原位之间的关节距离来优化关节运动。在本文中，采用波束搜索算法来优化机器人运动，从而实现最小的关节积累运动，这取决于焊接任务要求和机器人的运动能力，即机器人可达性和机器人运动的一致性。
3. 用于焊接复杂接头的机器人路径规划
图1示出了用于焊接Y型接头结构的小型机器人工作单元的设置，该Y型接头结构包括分支管道和主管道。图2中所示的槽道模型通过使用内置的软件提取和离散Y接头的CAD模型的边并通过SolidWorks中的功能来构建。沿等分线方向将凹槽的横截面分成两个对称部分，并且垂直于沿根部通道的切线方向，这对应于第一次焊道。
必须有多个符合手工焊接实践的焊接段，以减少焊接区域可能发生的扭曲。用于识别焊接段的标准可根据所使用的机器人系统的可达性，焊接位置，连接角度等确定。如图2b所示，以红色箭头表示的焊接区段根据机器人的可达性被确定为四个象限，并且基于包括水平位置（区段5和6）的焊接位置来确定黑色箭头所指示的区段，垂直向上位置（分段1和2）和高架位置（分段3和4）。
3.1焊接展示
在多层和多道次焊接中，需要确定多个不同的参数以在生成关联的机器人路径之前表示特定的焊接路径。参数可分为三种类型，即焊接指标，机器人路径生成所需的参数，以及与焊接工艺有关的参数，如表1所示。
一个焊接过程可以通过它的合格指数，层次指数和分段指数来确定。在确定焊接电流和电弧电压的焊接工艺参数时，焊接电流和电弧电压超出了本文的范围。其他焊接参数和相关的机器人轨迹规划描述如下：
通过方向焊接通道可以是逆时针方向（也可以是上坡或下坡）。如图2a所示，这些方向具有相反的焊炬位置顺序和沿通道相反的切线方向。
焊接位置，包括平面，水平，垂直和头顶位置。 需要为不同的焊接位置选择合适的机器人配置。
焊道协调框架（Os）被定义为通过的航路点;通切线代表X轴，等分线方向代表Z轴，Y轴是根据右手定则获得的，如图3所示。行程方向和工作角度需要 要根据这个坐标系来定义。
焊接位置（Ps）可以近似由焊接轴线表示。对于给定的焊接通道，通过对质心通道应用平移偏移并将其转换为机器人坐标系来获得（图3）。
行进方向（alpha;）定义了在焊接过程中使用的推动（负行进角度）或阻力（正行进角度）焊接技术。行程角度定义为焊接通道坐标系中电极和Z轴之间的角度。这个角度应该根据焊接位置来选择[24]。
焊接工作角度（beta;）是电极与参考平面或凹槽模型内表面形成的角度; 它垂直于焊缝的轴线。该角度在焊接坐标系中定义。
触头尖端到工作距离（CTWD，d）是从触头末端到板或工件的距离;它由图3中的Otcp和Os之间的距离给出。由于在焊接过程中自动控制，所以很难估计电极的长度;相反，保持恒定的CTWD更方便。 通过将该CTWD值作为焊接位置的偏移应用，可以相应地定义焊接机器人的工具中心点（Otcp）。
焊炬方向（gamma;）是焊炬轴线对齐的归一化矢量。它是在机器人的坐标系中定义的。行进角度和工作角度的变化将导致焊炬方向的变化。
3.2机器人路径生成的限制
一个可行的焊接机器人路径将意味着关节空间中的解决方案在关节范围内，机器人运动的结果在机器人配置和避免奇异性方面是一致的，并且机器人和工件之间没有干涉。特别是，由于电极装在机器人的前臂上，因此在焊接过程中电缆不应与机器人手臂缠绕在一起。
一般的手腕分区6R串行机器人（例如ABB IRB 2600机器人）可以具有八种不同的机器人配置。在笛卡尔空间中，这些机器人配置可以根据机器人相对于三种类型的奇点（即肘，肩和手腕奇点）的位置来区分[25]。在关节空间中，机器人配置指数cfx可以基于三个关节的值来确定，这三个关节分别是表2中给出的关节2，关节3和关节5。在本文中，焊炬姿态的联合解决方案可定义为q = [theta;1，theta;2...theta;ndof] T，其中，ndof表示焊接机器人的自由度（DOF）。等式（1）定义每个关节角度的配置象限。它由一个floor函数给出，它将实数映射到它以前的最大整数。使用等式（2）来计算手腕中心相对于轴1的相对位置，如图4b所示，其示出了手腕中心位于轴1前方的配置。
3.3焊道的机器人路径生成
一个一致的机器人焊道通路将表示该路径的联合解决方案具有相同的机器人配置。在任何沿着焊接路径的点上，只有旋转轴（末端执行器（EE）轴）由焊炬方向（焊炬倾斜角）限定，相对于传感器的旋转角（phi;）没有限定。可以通过求解数值逆运动学[20,21]。为了简化机器人路径规划，当考虑实际任务约束来选择用户定义的旋转角度时（例如避免焊炬和工件之间可能的碰撞），可以将所得到的机器人路径规划减少为选择适合的机器人配置。或者，可以用用户定义的时间间隔对所有可能的旋转角度进行采样。焊枪可以相对于其轴线旋转360°。因此，采样旋转角度可以由方程（3）确定，其中Ns是沿焊道每个航点的样本EE姿态总数。
图5显示了为给定的焊接路径生成可行的机器人路径的过程。对于通过的任何路点，通过应用相关的偏离中心通道可以获得焊炬的位置信息，并且可以根据基于预定义的焊炬倾斜角和采用等式1定义的采样旋转角来确定焊炬的旋转信息（3）。可以通过在给定航点的所有冗余EE姿态上应用分析逆运动学（IK）求解器来确定联合解。EE构件如果不在焊接机器人的范围内将被移除。可达的EE姿势和相关的联合解决方案被获取并管理沿途所有路点的解决方案。所有的解决方案都根据相关的机器人配置指数（cfx）来进行排列和排序，如图6所示。如果机器人配置索引存在，如果沿途的所有航点都存在可达的联合解决方案，则可以成功生成与此配置关联的一致机器人路径。 如果不存在这种机器人配置，则需要调整该通道的焊接倾斜角度，以便重新规划焊接通道。
如图6所示，对给定焊接路径的总体解决方案空间可以进行排列和排序，以便进行解决方案管理。该解决方案空间由子解决方案空间组成，其中每个解决方案空间都包含相关单个航点的可达联合解决方案。在这项研究中，这个组合的解空间被进一步分类为子解空间，并考虑到了个人机器人配置索引，以促进机器人路径优化。这是为了确保机器人路径始终被限制在一个单独的机器人配置中，以避免失效。对于给定的机器人配置，可能存在空的子解空间。例如，对于一个给定的子解决方案空间，如果存在一个途经点，其中存在与所有采样的EE姿势无关的但具有相关机器人配置的联合解决方案，则它将不得不使用简单的路径注释来利用该特定的机器人配置生成给定的焊接过程。因此，在机器人路径优化中必须相应地排除该子解空间。
4机器人焊接路径优化
对于机器人电弧焊任务，功能冗余和多个固有机器人配置的存在为我们提供了可行的解决方案空间，其中机器人焊接路径需要被优化。 机器人沿着焊道运动的速度是连续的并且相对较慢;动作轮廓应该是一致平滑的，并且关节运动最小。优化过程可以分为两个步骤，即在焊接开始和结束点选择机器人姿态，沿着焊接路径优化机器人运动。
正如3.3节所讨论的那样，只有装备有焊枪的机器人可以接近的可行解决方案才能存储在解决方案空间中。考虑到焊接过程中焊接点的数
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