淺談具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人的應用與發展趨勢

詹岑

摘 要：具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人將視覺傳感器引入到機器人控制系統，并基于視覺信息完成機器人的智能控制和規劃，可以增加機器人對周圍環境和操作對象的自適應性，拓寬機器人的應用領域。本文以智能切割機器人為例，通過對機器人的編程和控制，實現切割、焊接的規劃和自動執行，顯著提高了切割、焊接的速度和效率，機器人切割、焊接系統成為金屬板材，以及其他特殊新材料精密加工的必然發展趨勢。

關鍵詞：機器人；智能焊接/切割；視覺

焊接和切割機器人是目前制造業中應用最多的機器人系統之一，目前的技術特點是以示教為主，軌跡、路徑等主要是靠示教方式進行，對于復雜的零部件而言，眾多的示教點給操作人員帶來的額外的工作量。隨著步入“工業4.0”時代，個性化定制的需求越來越強烈，這些決定了在機器人的控制和規劃中，引入智能化手段，如視覺反饋等，越來越緊迫。將視覺傳感器引入到機器人控制系統，并基于視覺信息完成機器人的智能控制和規劃，可以增加機器人對周圍環境和操作對象的自適應性，拓寬機器人的應用領域。當前，實現視覺伺服是機器人視覺反饋的主要目的之一，視覺伺服方法可分為基于位置的和基于圖像的視覺伺服以及2.5D結構控制。但是，這些方法的實現都需要精確的標定攝像機模型和機器人運動學模型，可在實際中，不可能實現對系統的精確標定，這一缺陷大大限制了視覺伺服在實際工程中的應用。現有的一些無標定視覺伺服技術或者是針對靜態系統提出的，或者是針對動態系統，但無法消除動態殘差項的干擾，導致系統會出現無法跟蹤運動目標的現象。而且，也沒有成熟的針對眼在手上結構的無標定視覺伺服算法。鑒于此，一種與機器人和攝像機類型以及攝像機位置都無關，即不需要標定系統模型的無標定視覺伺服成為學術界研究的重點。

1 具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人系統應用研究內容

新型高精度智能焊接/切割機器人系統結構設計，包括系統總體布局、配套加持機構、隨動機構等的設計；新型結構及控制方案仿真驗證與優化，包括仿真環境的構建、結構建模、控制系統建模、傳感器系統建模等；基于機器人系統的三維異形零件焊接/切割高精度加工的控制方法研究及加工工藝研究，包括影響精度的因素的研究，以及相應的控制方法的研究；基于三維虛擬環境的高精度機器人焊接/切割過程軌跡規劃、人機交互和自動化焊接/切割方法研究及軟件系統研發。

2 具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人系統應用研究實例

2.1 技術路線

高精度機器人三維激光焊接/切割系統由機器人及其控制器、激光器及其控制器、隨動控制模塊、上位機控制軟件子系統（包括視覺反饋信息處理）、以及基于三維虛擬環境的焊接/切割工藝規劃子系統構成，如下圖所示。通過對激光器、機器人等的離線建模，實現對不同焊接/切割對象輸入的工藝規劃和仿真驗證，并將最終的結果下達給上位機子系統，上位機根據規劃結果自動實現焊接/切割過程。

圖1 技術路線（以智能切割機器人系統為例）

2.2 采用的試驗方法

基于視覺反饋的高精度機器人焊接/切割系統的工作流程如圖2所示。

通過該方面的研究，從而解決：焊接/切割精度和質量受工藝的影響較大，依靠人工經驗來制定規劃工藝，如路徑、焊接/切割頭方向等，難以保證對不同形狀零件焊接/切割質量的一致性，精度在受限于機器人本體的精度，以及工裝夾具的定位精度，系統整體布局對效率，特別是對批量或復雜形狀零件的加工的效率具有重要的影響等問題。通過引入視覺反饋，實現高效、智能化的機器人焊接/切割。

3 具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人系統發展趨勢

基于視覺反饋的工業機器人高效控制和規劃方法研究方面要重點解決的關鍵問題包括：無標定視覺伺服系統對動態目標的穩定跟蹤問題；精度高，速度快，魯棒性強的圖像處理技術；運動目標的位移估計方法；高效、輕質機器人本體結構；無標定伺服系統與機器人的集成技術。

圖2 基于視覺反饋的高精度機器人焊接/切割流程

具有感知和規劃能力的智能焊接/切割機器人系統方面的擬解決的關鍵問題包括：精度和質量受工藝的影響較大，依靠人工經驗來制定規劃工藝，如路徑、焊接/切割頭方向等，難以保證對不同形狀零件焊接/切割質量的一致性；精度在受限于機器人本體的精度，以及工裝夾具的定位精度；系統整體布局對效率，特別是對批量或復雜形狀零件的加工的效率具有重要的影響。

針對以上關鍵問題，提出以下三個創新發展趨勢：基于“眼在手上”結構的動態無標定視覺伺服控制算法，通過對圖像Jacobin矩陣的變化量作出估計，解決現有算法因缺乏對Jacobin矩陣隨時間增量的變化估計，導致機器人無法跟蹤運動目標的問題；針對現有算法忽略動態殘差項對系統跟蹤性能的影響，應用無標定視覺伺服算法的動態殘差項估計方法，改善系統的動態特性，提高無標定視覺伺服控制算法的魯棒性。提出基于視覺信息反饋的焊接/切割機器人閉環控制策略，通過在線視覺檢測和實時反饋，來保證焊接/切割的精度，以及對焊接/切割過程誤差的修正。提出離線焊接/切割工藝建模、規劃與仿真驗證，在線執行和修正的“虛”“實”結合的方法，以及基于三維環境的系統人機交互方法，保證了工藝規劃的可靠性、對焊接/切割對象的適應性，避免示教工藝規劃對操作人員經驗的依賴，同時提高焊接/切割精度和操作的方便性。

4 結語

從應用角度來看，隨著機器人技術的發展，機器人和切割、焊接等技術的結合成為必然趨勢，通過對機器人的編程和控制，實現切割、焊接的規劃和自動執行，顯著提高了切割、焊接的速度和效率，機器人切割、焊接系統成為金屬板材，以及其他特殊新材料精密加工的必然發展趨勢。在汽車、航空航天、船舶等領域具有重要的應用前景，是板材加工、關鍵零部件加工的主要手段，具有精度高、速度快等特點，通過引入視覺反饋，實現自動的規劃和控制，可有效提高系統的智能化水平、大幅提高效率。

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