王飛，盛仲曦，陳弈，陳華斌

(1.上海交通大學 材料科學與工程學院,上海,200240；2.東方電氣集團科學技術研究院有限公司,四川,610000)

0 序言

隨著科技的不斷發(fā)展，機器人在各個領域得到越來越廣泛地應用，尤其是焊接領域，機器人的離線編程技術已成為機器人焊接自動化、智能化的重要標志[1-3].機器人仿真技術和路徑規(guī)劃作為離線編程重要組成部分，一方面需要輕量化的、通用的仿真軟件來為機器人提供運動仿真；另一方面需要更加精確的路徑規(guī)劃方法.

目前，大部分成熟的仿真軟件大都是基于商業(yè)軟件的二次開發(fā)[4-5]，如RobWorks、RobotMaster等，這類軟件價格昂貴，開放性低，不利于用作學術研究.而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，網(wǎng)頁應用的優(yōu)勢不斷凸顯，WebGL 作為一種新興的3D 繪圖標準，無需任何瀏覽器插件支持，用戶只需要打開網(wǎng)頁就能體驗到Web3D[6]，因此，在Web 上開發(fā)虛擬仿真的需求不斷提高，國內(nèi)外逐步有研究人員將WebGL 應用到工業(yè)機器人仿真中.Li 等人[7]利用WebGL 實現(xiàn)了對四軸SCARA 機器人的運動仿真，對機器人進行了展示以及最基礎的運動，沒有進行更深層次的仿真.翟敬梅等人[8]開發(fā)了一款基于B/S 模式的雙機器人運動仿真實驗系統(tǒng)，可完成單機器人運動規(guī)劃、雙機器人協(xié)作運動及機器人避障軌跡規(guī)劃等仿真任務.

機器人路徑規(guī)劃作為機器人離線編程中的另一個重要內(nèi)容，特別是在機器人焊接應用中.針對弧焊機器人的路徑規(guī)劃，焊槍TCP 點的位置、姿態(tài)是其規(guī)劃的重點，焊槍位姿的準確性是規(guī)劃結(jié)果能否應用到實際焊接的前提條件.隨著激光視覺傳感技術在焊接領域內(nèi)的應用[9-10]越來越廣泛，國內(nèi)外研究人員利用該技術對路徑規(guī)劃做了大量研究.Yang 等人[11]提出了一種基于視覺傳感器的厚板多道路徑規(guī)劃系統(tǒng)，通過提取幾何特征，利用特征信息可以實現(xiàn)路徑規(guī)劃.曹守啟等人[12]通過激光視覺傳感器獲得焊接圖像，提取出焊縫特征后對焊縫坐標點進行直線擬合，將相鄰的擬合直線交點作為焊縫的節(jié)點，完成軌跡規(guī)劃.Njaastad 等人[13]提出了一種基于三維計算機視覺的焊接路徑規(guī)劃方法，利用低成本深度相機獲取工件數(shù)據(jù)，結(jié)合CAD 數(shù)據(jù)模型，研究兩者在不同位姿下的關系來對一系列焊接軌跡進行離線規(guī)劃編程.Yan 等人[14]提出了一種基于激光結(jié)構(gòu)光掃描的搭接焊接路徑自動生成和自適應填充集成方法，通過激光掃描工件點云數(shù)據(jù)，重構(gòu)搭接接頭的焊接-焊縫模型，提取焊接路徑的關鍵特征點，最終計算和優(yōu)化相應的姿態(tài).Geng 等人[15]提出了一種基于點云的鋼筋網(wǎng)格焊接路徑自動規(guī)劃方法，利用三維視覺結(jié)構(gòu)光相機獲取鋼網(wǎng)的點云模型，然后利用相關的點云處理算法計算鋼網(wǎng)的焊接路徑，獲得焊接路徑的三維信息，簡化了焊接路徑規(guī)劃中復雜的教學和編程工作.

綜上所述，由于焊接工藝的復雜性，焊接機器人路徑規(guī)劃困難等問題，尚未將WebGL 技術與焊接相結(jié)合.開發(fā)了基于WebGL 的焊接機器人離線編程系統(tǒng)并提出了基于激光視覺傳感的多層多道路徑規(guī)劃策略，以V 形坡口工件為仿真對象，進行了多層多道路徑規(guī)劃，最終完成了焊接實驗，驗證了該離線編程系統(tǒng)的可行性.

1 機器人MAG 焊接系統(tǒng)

機器人MAG 焊接系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，主要包括四大部分，一是機器人執(zhí)行模塊，包含機器人本體、控制器、焊槍以及焊接電源等，通過獲得軌跡坐標來執(zhí)行相應的運動和焊接作業(yè)；二是視覺模塊，包含相機以及數(shù)據(jù)采集部分，通過相機拍攝來獲取需要的點云數(shù)據(jù)從而進行下一步工作；三是數(shù)據(jù)處理模塊，包含點云預處理、點云信息提取等部分，通過對點云數(shù)據(jù)的處理獲得相應的焊縫特征信息，然后利用這些信息對機器人的姿態(tài)，焊接的路徑進行規(guī)劃；四是機器人離線編程模塊，包含工件建模、路徑規(guī)劃、機器人仿真部分，主要是對焊接進行路徑預規(guī)劃，然后利用點云數(shù)據(jù)得到的信息修正規(guī)劃，對規(guī)劃結(jié)果進行仿真，最后將規(guī)劃軌跡點傳輸給機器人來執(zhí)行焊接操作.

圖1 機器人焊接系統(tǒng)Fig.1 Robot welding system

2 離線編程系統(tǒng)

結(jié)合現(xiàn)有的基于商業(yè)軟件二次開發(fā)的機器人離線編程系統(tǒng)，開發(fā)了一種基于WebGL 的焊接機器人離線編程，該系統(tǒng)是在B/S 模式下開發(fā)的，在服務器端存放機器人的STL 模型用于被調(diào)用，瀏覽器端利用HTML、CSS 來編寫人機交互頁面以及相應的功能按鈕，JavaScrit 實現(xiàn)機器人的運動控制及瀏覽器事件響應，利用WebGL 繪圖協(xié)議和Three.js庫來對實驗環(huán)境和機器人三維模型進行繪制和渲染，從而模擬真實的焊接機器人作業(yè)環(huán)境.焊接機器人離線編程系統(tǒng)包含三個模塊，分別是參數(shù)化建模、離線排道和機器人仿真模塊.

2.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模模塊如圖2 所示，該模塊主要是對工件進行建模，分為三部分.一是工件截面圖，以V 形坡口為例，可以顯示其截面圖，包括其高度、坡口角度等信息；二是工件尺寸部分，用來描述工件的具體尺寸，如長度、寬度等信息，也可以根據(jù)視覺傳感器獲得的工件實際信息進行尺寸修改；三是模型顯示部分，可以用來顯示繪制的工件三維模型.

圖2 參數(shù)化建模頁面圖Fig.2 Parametric modeling page

2.2 離線排道

離線排道模塊如圖3 所示，該模塊用于針對之前所建立的工件模型進行多層多道離線規(guī)劃，分為四部分.一是離線排道結(jié)果顯示部分，用于顯示基于填充策略所規(guī)劃出來的結(jié)果，也可以對其結(jié)果進行手動修改；二是基本功能部分，主要包括對機器人機當前位姿進行計算、對碰撞進行檢測、根據(jù)激光視覺傳感所獲取的信息對規(guī)劃進行修正以及用于坐標系間轉(zhuǎn)換坐標的坐標轉(zhuǎn)換等功能，最終可以將規(guī)劃后的結(jié)果傳遞給機器人形成相應的路徑點，完成仿真；三是規(guī)劃結(jié)果截面圖顯示部分，用于顯示yoz 平面下的焊道規(guī)劃結(jié)果；四是三維顯示部分，用于展示包括工件，焊槍模型，可以仿真焊槍的運動過程，顯示規(guī)劃后的軌跡線.圖3 中所展示的是在等高型填充策略下對V 形坡口進行的多層多道路徑規(guī)劃結(jié)果.

圖3 離線排道頁面圖Fig.3 Offline Lane layout page

2.3 機器人仿真

機器人仿真模塊通過對實際場景的搭建，結(jié)合離線排道的結(jié)果對機器人焊接運動進行仿真，分為五部分.一是運動仿真模塊，利用Three.js 搭建三維場景，加載機器人、工件等模型，實時展示機器人的運動狀態(tài)；二是運動狀態(tài)顯示模塊，可以實時更新機器人各關節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度以及機器人末端位姿，同時也可以記錄當前機器人的運動狀態(tài)作為參考點；三是機器人運動控制模塊，可以控制機器人在不同坐標系下進行運動，軸系坐標下相當于機器人在世界坐標系下的運動，用戶坐標系也就是工件坐標系是以工件為參考平面，這是為了將離線排道所規(guī)劃出來的坐標與世界坐標之間進行轉(zhuǎn)化，即乘上它們之間對應的轉(zhuǎn)換矩陣，還有就是工具坐標系，以機器人末端法蘭為參考的坐標系，可用于切換不同工具，在本系統(tǒng)中，大都在用戶坐標系下進行規(guī)劃；四是工件模塊，主要用于根據(jù)參數(shù)化建模的信息生成工件，可以進行移動；五是仿真指令模塊，包含常見的直線、曲線運動，仿真起止指令等.

3 多層多道路徑規(guī)劃

3.1 激光視覺傳感系統(tǒng)

文中所采用的激光傳感系統(tǒng)主要包括相機、激光發(fā)射器等.激光視覺傳感器通過定制的工裝固接在機器人末端法蘭上，隨著機器人的運動而運動，通過網(wǎng)線與工控機相連，利用相應的程序控制相機的工作狀態(tài).該視覺傳感器采用的是面結(jié)構(gòu)光，成像原理是光柵投影法，可以通過向物體發(fā)射面結(jié)構(gòu)光來獲取光面下物體的三維點云數(shù)據(jù).

對于一個焊接機器人使用的激光視覺傳感系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)由圖像目標點到實際物體上抓取點之間的坐標轉(zhuǎn)換，就必須擁有準確的相機內(nèi)外參信息.其中內(nèi)參是相機內(nèi)部的基本參數(shù)，包括鏡頭焦距、畸變等.一般相機出廠時內(nèi)參已標定完成，保存在相機內(nèi)部.相機外參表示的是機器人與相機之間的位姿轉(zhuǎn)換關系.機器人與相機在不同的使用場景下其相對位姿不固定，需要在工作現(xiàn)場進行標定才能獲得相機與機器人之間的手眼關系.試驗采用Eye in hand 和多個隨機標定板位姿方式相結(jié)合來進行機器人與相機之間的手眼標定.將相機固定在機器人末端法蘭上，此時機器人末端法蘭中心與相機光心之間的位姿相對固定，即需要標定的相機外參.而機器人末端法蘭盤中心相對于機器人基坐標系的位姿已經(jīng)確定，相機可以通過對標定板進行拍照，獲得相機光心與標定板上每個圓點之間的位姿關系，標定板一般平放在相機視野可達區(qū)域，其相對于機器人基坐標系之間的位姿關系是固定的，這樣就可以建立機器人、相機和標定板三者之間的相對位置關系，從而完成機器人與相機之間的手眼標定，獲得其位姿轉(zhuǎn)換關系.如果相機相對于機器人末端法蘭中心坐標發(fā)生移動，對應的外參就會發(fā)生相應的變化，此時就需要重新進行標定.

3.2 點云處理

通過相機得到的原始點云，其規(guī)模大小，是否為有效部分，對后續(xù)的計算處理有很大的影響，同時由于焊接過程中的不穩(wěn)定性，直接采集到的點云由于環(huán)境光、震動等因素存在大量噪點信息，或存在離群點等，需要對點云數(shù)據(jù)進行處理，目前已經(jīng)形成了較為成熟的點云處理算法[16-17]，文中所采用的點云處理流程如圖4 所示.

圖4 點云處理流程圖Fig.4 Point cloud processing flow chart

在獲得原始點云數(shù)據(jù)后，需要去除毫無價值的背景點云或者工作臺點云，利用直通濾波的方法對原始點云數(shù)據(jù)進行裁剪，過濾范圍如式(1)所示，即

式中：xi，yi，zi為相機獲取的點的坐標；Xl，Xh，Yl，Yh，Zl，Zh分別表示三個方向上選取的過濾范圍.

經(jīng)過裁剪后的點云數(shù)據(jù)可以通過統(tǒng)計濾波進行降噪處理，對每一個點的鄰域進行一個統(tǒng)計分析，計算它到所有臨近點的平均距離di，如式(2)所示，即

式中：k為通過Kd-tree 搜索點云中每個點最近的k個點.

那么平均距離在標準范圍(由全局距離平均值和方差定義)之外的點，可以被定義為離群點并從數(shù)據(jù)中去除，可以得到質(zhì)量更好的點云數(shù)據(jù).

經(jīng)過降噪后的點云數(shù)據(jù)為了獲取X方向上即焊槍前進方向上的截面信息，需要對點云數(shù)據(jù)進行切片處理.切片后的點云數(shù)據(jù)依舊是三維點云數(shù)據(jù)，為了獲取焊道截面信息，需要將點云數(shù)據(jù)沿著法線方向投影，也就是將y方向的坐標值全部歸為0，可以將三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維點云數(shù)據(jù)進行處理.

點云數(shù)據(jù)經(jīng)旋轉(zhuǎn)，切片和投影后，將三維點云數(shù)據(jù)投射到二維平面，形成的焊道二維點云數(shù)據(jù)，在二維點云數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)過處理可以提取相應的幾何特征信息，如焊道的高度、寬度等.將二維點云數(shù)據(jù)進行提取簡化，再進行曲線擬合，可以獲得焊道特征曲線，以此可以獲取所需要的焊道特征信息.以打底焊為例，相機所獲得的點云數(shù)據(jù)整個處理結(jié)果如圖5 所示.

圖5 打底焊道點云處理結(jié)果圖Fig.5 Result diagram of spot cloud processing of backing weld bead

3.3 路徑規(guī)劃

在焊接過程中受到工件熱變形、坡口加工精度等影響，焊縫的高度、寬度可能發(fā)生變化，為了更準確的對焊接路徑進行規(guī)劃，文中設計了一種基于焊縫特征曲線的多層多道焊接路徑規(guī)劃方法，其規(guī)劃流程如圖6 所示.首先通過激光視覺傳感器獲取工件焊縫的點云數(shù)據(jù)從而獲得焊縫截面信息，然后通過這些信息，利用離線編程軟件對工件進行預規(guī)劃，從而規(guī)劃出打底焊道參數(shù)，焊接完成后，通過相機掃描焊道獲取焊道點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理獲得實際焊道的信息，根據(jù)這些信息去修改之前預規(guī)劃的結(jié)果，得到下一道焊道的參數(shù)，不斷重復這個過程，最終完成路徑的實時規(guī)劃與焊接.

圖6 焊接路徑規(guī)劃流程圖Fig.6 Flow chart of welding path planning

在焊接之前利用多層多道離線編程軟件，基于等高型填充策略，通過激光視覺傳感器獲得的工件信息，生成工件的三維模型，在此基礎上對工件進行離線排道，完成對焊槍位置、焊槍傾角、焊槍擺幅以及焊接順序的預規(guī)劃.不同的焊道規(guī)劃如圖7所示.

圖7 焊道規(guī)劃示意圖Fig.7 Weld bead planning diagram.(a)backing weld bead;(b)initial weld bead;(c)middle weld bead;(d)final weld bead

打底焊作為第一道焊道，無法通過其他信息來修正，采用預規(guī)劃的參數(shù)進行焊接.整個模型可以簡化成圖7a，其焊槍位置位于焊縫中心線，h為預規(guī)劃的焊道高度，那么可以得到

對于第二層及以后每層的初始焊道，在獲取了上一層焊道的特征信息之后，可以對預規(guī)劃做出如圖7b 的修正.此時的焊接起弧點為點A，假設切線l 的斜率為k，則此時的焊槍傾角α為

對于第二層及以后的中間焊道，在已知了前一道焊道的特征信息之后，對其規(guī)劃做出如圖7c 的修正.此時的焊接起弧點為A，假設切線l的斜率為k，則有焊槍傾角α可表示為

對于第二層以上的末焊道，其規(guī)劃修正如圖7d 所示，焊槍豎直，焊接起弧點的位置為B 點，則B 點橫坐標為

3.4 焊接試驗

為驗證規(guī)劃策略的可行性，進行了厚板多層多道焊接實驗.實驗的平臺是基于WebGL 的離線編程系統(tǒng)和機器人MAG 焊接系統(tǒng).工件為為常見V 形坡口，對接接口，厚度為20 mm，坡口角度為90°.焊接方式采用MAG 焊，保護氣體為80%Ar 和20%CO2的混合氣體.

通過激光視覺傳感器獲得工件焊縫輪廓信息，將信息輸入到離線編程系統(tǒng)中，進行預規(guī)劃，規(guī)劃為4 層10 道，利用預規(guī)劃參數(shù)對打底焊道進行焊接，焊接完成之后再通過激光視覺傳感器獲取打底焊道的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點云處理算法得到打底焊道的特征信息，如高度、寬度等，對第二層第一道焊道的預規(guī)劃參數(shù)進行修正，將修正后的參數(shù)用于焊接，不斷重復，直到焊接完成，最終工件多層多道焊接完成結(jié)果如圖8 所示.

圖8 焊接完成示意圖Fig.8 Schematic diagram of welding completion

4 結(jié)論

(1) 開發(fā)了基于WebGL 的焊接機器人離線編程系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人運動軌跡仿真和多層多道路徑規(guī)劃，提供了開放的、輕量化的系統(tǒng)平臺.

(2) 提出了基于激光視覺傳感的焊縫特征信息提取方法，利用點云裁剪、降噪、切片等一系列點云處理算法將三維點云轉(zhuǎn)化為二維點云，擬合出焊道截面輪廓曲線，進一步實現(xiàn)了對焊道特征信息，如焊道高度、寬度等信息的提取.

(3) 提出了基于激光視覺傳感的多層多道路徑規(guī)劃方法，在利用等高型填充策略對V 形坡口進行預規(guī)劃的基礎上，獲取實際焊道的特征信息對預規(guī)劃的參數(shù)進行修正，并將之應用于試驗，隨焊隨修正，最終完成焊接試驗，實現(xiàn)了中厚板多層多道焊接自適應規(guī)劃.