本發(fā)明涉及人形機(jī)器人焊接，具體涉及一種基于雙機(jī)械臂協(xié)同的人形焊接機(jī)器人裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、隨著高端制造業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)已成為航空航天、新能源汽車、船舶建造等領(lǐng)域的核心工藝之一。然而，傳統(tǒng)焊接自動(dòng)化設(shè)備多采用單一機(jī)械臂結(jié)構(gòu)或固定式激光焊接系統(tǒng)，難以滿足大型復(fù)雜工件(如航天器結(jié)構(gòu)件、汽車電池箱體等)的高精度、高效率焊接需求。特別是在變軌跡焊接、異種材料連接等復(fù)雜工況下，現(xiàn)有的單機(jī)械臂系統(tǒng)存在焊接路徑受限、工藝柔性不足等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升。
2、當(dāng)前，少數(shù)應(yīng)用于精密制造領(lǐng)域的雙機(jī)械臂焊接系統(tǒng)雖然具備一定的協(xié)同作業(yè)能力，但仍面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。一方面，機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制精度不足，導(dǎo)致焊接軌跡偏差難以補(bǔ)償；另一方面，激光焊接的光路調(diào)節(jié)多為固定式結(jié)構(gòu)，無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)復(fù)雜曲面的焊接需求，限制了其在多模式焊接(如同步、異步焊接)中的應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)設(shè)備的移動(dòng)靈活性較差，難以滿足大型工件的位姿調(diào)整要求，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)線的柔性化水平。
3、在大型結(jié)構(gòu)件的焊接過(guò)程中，工件往往固定不動(dòng)，焊接設(shè)備需要具備高機(jī)動(dòng)性以適應(yīng)不同工位的作業(yè)需求。目前，部分移動(dòng)式焊接平臺(tái)采用軌道或agv驅(qū)動(dòng)，但其定位精度低、靈活性差，難以實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂的協(xié)同精準(zhǔn)控制。此外，現(xiàn)有移動(dòng)焊接系統(tǒng)多采用單機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜軌跡焊接時(shí)易產(chǎn)生路徑干涉或效率瓶頸，無(wú)法滿足高效率、大范圍焊接的工業(yè)需求。
4、激光對(duì)中技術(shù)作為高精度焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在焊縫跟蹤和補(bǔ)償調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)有激光對(duì)中系統(tǒng)多依賴離線標(biāo)定或靜態(tài)補(bǔ)償，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)偏差修正需求。尤其在雙機(jī)械臂協(xié)同焊接場(chǎng)景下，激光束的精準(zhǔn)對(duì)中與能量分配成為決定焊接質(zhì)量的核心因素。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的：針對(duì)現(xiàn)有單機(jī)械臂焊接機(jī)器人難以滿足復(fù)雜焊接軌跡同步作業(yè)需求，以及傳統(tǒng)移動(dòng)式焊接平臺(tái)定位精度低、協(xié)同控制能力不足的局限性，本發(fā)明提供了一種基于雙機(jī)械臂協(xié)同的人形焊接機(jī)器人裝置及方法，通過(guò)在移動(dòng)底盤(pán)和軀干模塊分別集成高精度激光跟蹤定位系統(tǒng)與雙機(jī)械臂協(xié)同控制模塊，實(shí)現(xiàn)整體焊接過(guò)程的自主化、智能化以及雙機(jī)械臂在同步焊接模式下的高精度軌跡匹配，同時(shí)結(jié)合激光對(duì)中系統(tǒng)的實(shí)時(shí)焊縫監(jiān)測(cè)與姿態(tài)校準(zhǔn)，提升大型結(jié)構(gòu)件焊接的效率、質(zhì)量與適應(yīng)性。
2、技術(shù)方案如下：
3、所述一種基于雙機(jī)械臂協(xié)同的人形焊接機(jī)器人裝置及方法，其特征在于：包括手臂模塊、頭部模塊、軀干模塊、激光對(duì)中裝置、移動(dòng)模塊、控制系統(tǒng)和保護(hù)氣體裝置；
4、所述手臂模塊包括第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伺服電機(jī)、光束傳輸后臂、光束集成前臂光纖；所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂上下轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂的左右擺動(dòng)；所述第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂的前后移動(dòng)；所述伺服電機(jī)用于提供手臂旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的動(dòng)力；所述光束傳輸后壁用于安裝傳輸激光能量的光纖，傳輸光束能量；所述光束集成前臂安裝光束集成裝置，用于將光纖傳輸?shù)募す馐?jīng)過(guò)發(fā)散、準(zhǔn)直和聚焦等過(guò)程匯聚到加工試樣樣品表面；所述光纖安裝于光束集成前臂和光束傳輸后臂內(nèi)部，向軀干模塊延伸至激光器；
5、所述頭部模塊包括3d相機(jī)和紅外傳感器；所述3d相機(jī)用于獲取焊接區(qū)域的實(shí)時(shí)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為焊縫跟蹤、工件定位和缺陷檢測(cè)提供高精度空間信息；所述紅外傳感器用于實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，為焊槍路徑規(guī)劃和工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整提供高精度反饋；
6、所述軀干模塊包括第四旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、電源、激光器和冷卻系統(tǒng)；所述第四旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人軀干的前后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述電源用于提供激光器、伺服電機(jī)和傳感器等部件動(dòng)力；所述激光器用于產(chǎn)生小功率的激光；所述冷卻系統(tǒng)用于冷卻激光器，防止設(shè)備過(guò)熱而損壞；
7、所述激光對(duì)中裝置包括激光發(fā)射單元、光束集成裝置、高速攝像機(jī)；所述激光發(fā)射單元安裝在前臂末端，與關(guān)節(jié)形成一個(gè)特定的角度；所述光束集成裝置包括準(zhǔn)直鏡、偏轉(zhuǎn)鏡，聚焦鏡，通過(guò)光束準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)和聚焦將光束集成到加工表面；所述高速攝像機(jī)用于捕捉單側(cè)焊槍焊接的實(shí)時(shí)焊接狀況并檢測(cè)焊接位置信息，通過(guò)線路傳輸至控制系統(tǒng)；
8、所述移動(dòng)模塊包括底盤(pán)、底部支撐、側(cè)壁、軀干連接體、連接軸、伺服電機(jī)、移動(dòng)輪軸、旋轉(zhuǎn)輪軸、前全向輪組和后全向輪組；所述底盤(pán)用于集成所有運(yùn)動(dòng)部件，承載軀干、頭部以及手臂等模塊；所述底部支撐為軀干提供一個(gè)基礎(chǔ)穩(wěn)定性；所述側(cè)壁用于安裝軀干連接體并起到保護(hù)作用；所述連接軸用于連接側(cè)壁和軀體連接體，承受扭轉(zhuǎn)力；所述伺服電機(jī)用于傳輸車輪前后和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力；所述移動(dòng)輪軸用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后移動(dòng)；所述前全向輪組和后全向輪組均為主動(dòng)輪，用于承載機(jī)器人和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各向移動(dòng)；所述輪轂用于連接軸和滾子；所述滾子安裝在輪轂的周圍，兩個(gè)輪轂并列安裝并錯(cuò)開(kāi)一定角度；所述法蘭用于連接軸和輪轂；
9、所述控制系統(tǒng)位于軀干模塊上半部分，主要用于焊接路徑規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)視覺(jué)反饋和傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)；實(shí)現(xiàn)雙側(cè)手臂的協(xié)同控制，完成同步或異步焊接任務(wù)；
10、所述保護(hù)氣體裝置包括保護(hù)氣噴嘴、氣體輸送管、輸送管安裝架、氣瓶；所述保護(hù)氣噴嘴連接氣體輸送管，用于噴出保護(hù)氣至工件表面；所述氣體輸送管用于傳送保護(hù)氣；所述輸送管安裝架用于固定氣體輸送管的位置；所述氣瓶用于提供焊接所用的保護(hù)氣；
11、所述裝置工作時(shí)，首先開(kāi)啟人形焊接機(jī)器人電源系統(tǒng)，檢測(cè)各個(gè)模塊狀態(tài)，檢測(cè)完畢無(wú)異常后，控制系統(tǒng)控制移動(dòng)模塊移動(dòng)機(jī)器人至焊接區(qū)域；隨后焊接機(jī)器人頭部模塊對(duì)整個(gè)焊接工況進(jìn)行掃描識(shí)別并向控制系統(tǒng)回傳信息，控制系統(tǒng)進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃和焊接參數(shù)預(yù)設(shè)。起焊時(shí)控制系統(tǒng)基于焊縫跟蹤系統(tǒng)的激光視覺(jué)對(duì)中調(diào)整雙機(jī)械臂位姿，確保兩束激光焦點(diǎn)在焊縫中心精確重疊；在雙機(jī)械臂雙光束對(duì)側(cè)焊接過(guò)程中，機(jī)械臂上的高速攝像機(jī)和視覺(jué)傳感器對(duì)焊接位置和熔池實(shí)時(shí)精確捕捉，基于視覺(jué)或傳感器信息獲取待焊接接頭的空間位置，控制兩個(gè)激光發(fā)射單元沿不同路徑移動(dòng)至對(duì)稱或設(shè)定位置，當(dāng)檢測(cè)到光束有偏差時(shí)立刻向控制系統(tǒng)反饋，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算進(jìn)一步控制伺服電機(jī)調(diào)整機(jī)械臂位姿和速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束偏差的補(bǔ)償并繼續(xù)焊接直至完成整體路徑焊接。焊接完畢后關(guān)閉各個(gè)保障裝置，控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)和移動(dòng)系統(tǒng)使機(jī)器人手臂和位置恢復(fù)為初始位置。
12、所述手臂模塊包括第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伺服電機(jī)、光束傳輸后臂和光束集成前臂；所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂上下轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂的左右擺動(dòng)；所述第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于滿足手臂的前后移動(dòng)；所述伺服電機(jī)用于提供手臂旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的動(dòng)力；所述光束傳輸后壁用于安裝傳輸激光能量的光纖，傳輸光束能量；所述光束集成前臂安裝光束集成裝置，用于將光纖傳輸?shù)募す馐?jīng)過(guò)發(fā)散、準(zhǔn)直和聚焦等過(guò)程匯聚到加工試樣樣品表。
13、所述激光對(duì)中裝置包括激光發(fā)射單元、光束集成裝置、高速攝像機(jī)、視覺(jué)傳感器；所述激光發(fā)射單元安裝在前臂末端，與關(guān)節(jié)形成一個(gè)特定的角度，激光發(fā)射單元包括準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡組以及溫控模塊；所述光束集成裝置用于將光束集成到加工表面；所述高速攝像機(jī)用于捕捉單側(cè)焊槍焊接的實(shí)時(shí)焊接狀況并檢測(cè)焊接位置信息，通過(guò)線路傳輸至控制系統(tǒng)：所述視覺(jué)傳感器用于獲取焊接接頭的空間位置信息。
14、所述控制系統(tǒng)包括激光對(duì)中算法模塊，該模塊根據(jù)焊縫空間坐標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算兩個(gè)機(jī)械臂末端的對(duì)中路徑；所述激光發(fā)射單元包括準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡組以及溫控模塊，用于保證雙束激光能量分布的一致性；所述兩個(gè)激光發(fā)射單元分別處于前后或左右對(duì)稱布置，且通過(guò)激光會(huì)聚區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高精度的雙束重合。
15、一種基于雙機(jī)械臂協(xié)同的人形焊接機(jī)器人裝置及方法，其特征包括以下步驟：
16、步驟1：開(kāi)啟電源，自檢各模塊(ipg光纖激光器、視覺(jué)傳感器、保護(hù)氣含量等)狀態(tài)，檢測(cè)無(wú)異常后，控制系統(tǒng)操縱人形焊接機(jī)器人自主移動(dòng)至待焊位置；
17、步驟2：焊接機(jī)器人頭部模塊對(duì)焊接工況和焊接材料掃描識(shí)別，并根據(jù)焊接參數(shù)庫(kù)及工件材質(zhì)(如高強(qiáng)鋼、鋁合金等)、厚度等預(yù)設(shè)焊接參數(shù)(激光功率、保護(hù)氣流量等)和焊接路徑；
18、步驟3：控制系統(tǒng)控制手臂模塊調(diào)整雙機(jī)械臂焊接機(jī)器人焊接初始姿態(tài)，調(diào)整完畢后提前開(kāi)啟保護(hù)氣和冷卻裝置，隨后開(kāi)始起焊；
19、步驟4：在雙機(jī)械臂雙光束對(duì)側(cè)焊接過(guò)程中，機(jī)械臂上的高速攝像機(jī)和視覺(jué)傳感器對(duì)焊接位置和熔池實(shí)時(shí)精確捕捉，當(dāng)檢測(cè)到光束有偏差時(shí)立刻向控制系統(tǒng)反饋，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算進(jìn)一步控制伺服電機(jī)調(diào)整機(jī)械臂位姿和速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束偏差的補(bǔ)償并繼續(xù)焊接直至完成整體路徑焊接；
20、步驟5：焊接完畢，關(guān)閉各個(gè)保障裝置(激光器、保護(hù)氣裝置、水冷裝置)，控制系統(tǒng)控制人形焊接機(jī)器人機(jī)械臂恢復(fù)到初始姿態(tài)，同時(shí)控制移動(dòng)系統(tǒng)使機(jī)器人回到初始位置并關(guān)閉電源。
21、本發(fā)明具有以下有益效果：
22、本裝置集成軟件控制、視覺(jué)檢測(cè)、移動(dòng)裝置及雙機(jī)械臂手臂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)械臂人形焊接機(jī)器人的智能化與自主化協(xié)同焊接。采用雙機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)模式，結(jié)合高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊縫的高質(zhì)量成形。配備雙激光束協(xié)同對(duì)中系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫位置并動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接姿態(tài)，有效避免傳統(tǒng)焊接中因熱變形或定位誤差引起的偏焊和漏焊問(wèn)題，顯著提升焊接精度。獨(dú)特的人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)配合可移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)，賦予裝置出色的靈活性與適應(yīng)性，滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)焊接需求。雙光束激光可智能切換同向強(qiáng)化與互補(bǔ)交替加熱模式，既保障焊接強(qiáng)度，又降低熱影響區(qū)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)焊接變形的主動(dòng)控制。通過(guò)協(xié)同控制算法保障作業(yè)安全性與可靠性，顯著減少人工干預(yù)，為高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化焊接提供高效、可靠的解決方案。