一种应用于焊装线的机器人工位设计方法

摘要

本发明涉及一种应用于焊装线的机器人工位设计方法，包括以下步骤：确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形；利用焊点分布范围图形和可达工作空间图形得到待选工位范围图形；利用图形均等分割法对待选工位范围图形进行逐级区块分割，得到待选工位点集；根据机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出待选工位点下各个焊点的距离和以及全部焊点的可操作度值和；以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最大值为优化目标，通过循环迭代找到机器人最优工位点，实现焊装线机器人的工位设计。本发明构思合理、设想新颖，使焊装线机器人工位得到合理设计，可提高焊接机器人焊接利用率，实现焊装线的灵活高效生产，具有较强的实用性。

权利要求

1.一种应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形；

步骤二：变换所述可达工作空间图形，利用图形内切法使所述焊点分布范围图形多次内切于所述可达工作空间图形，得到机器人的待选工位范围图形；

步骤三：利用图形均等分割法对所述待选工位范围图形进行逐级区块分割，并找到每一级区块分割后的每个区块的等效中心点，得到每一级区块分割后由对应的等效中心点组成的待选工位点集合；

步骤四：利用机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出在第N区块分割级对应的待选工位点集合中，每一个待选工位点下机器人末端到达各个焊点的各关节角值和到达各个焊点的距离和；

步骤五：将各关节角值依次代入可操作度公式，得到待选工位点对应的各个焊点的可操作度值和以及对应的全部焊点的可操作度值和，其中，可操作度公式为：式中，M(q)为关节角q下的可操作度，J(q)为雅克比矩阵；

步骤六：以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最大值为优化目标，对第N区块分割级对应的待选工位点集合中的全部待选工位点进行比较与寻优，得到第N区块分割级的较优工位点；

步骤七：令N加1后返回步骤四，直至第N+1区块分割级的较优工位点与第N区块分割级的较优工位点的评价函数之差满足循环终止判断条件时，循环迭代终止，此时将第N+1区块分割级的较优工位点作为最终设计的机器人最优工位点。

2.根据权利要求1所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，确定焊点分布范围图形的过程包括以下步骤：将全部焊点中的边缘点顺次连接起来，得到不规则图形；

根据所述不规则图形将焊点分布情况等效为二维图形，实现焊点范围图形化处理，确定焊点分布范围图形。

3.根据权利要求1或2所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，采用蒙特卡洛法对机器人进行可达性分析，确定机器人的可达工作空间图形。

4.根据权利要求3所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，采用蒙特卡洛法对机器人进行可达性分析的过程包括以下步骤：步骤一一：采用D‑H参数法建立机器人运动学模型，得到机器人末端位姿公式；

步骤一二：利用蒙特卡洛法在关节角范围内随机产生关节角值，将随机产生的关节角值代入机器人末端位姿公式，求解公式后得到机器人末端的所有可达点形成的可达工作空间；

步骤一三：对所述可达工作空间进行近似图形化处理，得到机器人的可达工作空间图形。

5.根据权利要求1或2所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，步骤二包括以下步骤：

步骤二一：将所述可达工作空间图形变换不同位置，利用图形内切法使所述焊点分布范围图形的一侧多次内切于所述可达工作空间图形，并记录每个相切位置的机器人位置点；

步骤二二：对全部所述机器人位置点的集合做图形化处理，得到机器人的待选工位范围图形。

6.根据权利要求1或2所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，所述等效中心点为区块的几何中心点。

7.根据权利要求1或2所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，基于可操作度指标和距离指标的评价函数为：ηO‑f(n)＝A*MO‑f(n)/MO‑f(n)‑min+B*LO‑f(n)‑min/LO‑f(n)式中，ηO‑f(n)为待选工位点Of(n)的评价函数，A、B分别为可操作度指标、距离评价指标的参数比例值，MO‑f(n)为待选工位点Of(n)的全部焊点的可操作度值和，LO‑f(n)为待选工位点Of(n)下机器人末端到达各个焊点的距离和，MO‑f(n)‑min为待选工位点Of(n)下焊点的可操作度值最小值，LO‑f(n)‑min为待选工位点Of(n)下机器人末端到达各个焊点的距离最小值。

8.根据权利要求1或2所述的应用于焊装线的机器人工位设计方法，其特征在于，所述循环终止判断条件为：

|O(N+1)‑best‑ON‑best|≤ε式中，ON‑best为第N区块分割级的较优工位点的评价函数值，O(N+1)‑best为第N+1区块分割级的较优工位点的评价函数值，ε为终止条件限定参数。

说明书

一种应用于焊装线的机器人工位设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及焊装生产线机器人工位设计技术领域，特别是涉及一种应用于焊装线的机器人工位设计方法。

背景技术

[0002] 随着人民生活水平的提高、汽车行业的发展，汽车的市场需求量不断增多，高效的生产效率是生产能力的重要体现，同时更是企业抢占市场份额的重要竞争武器。现今机器
人技术成熟并广泛应用，机器人已经成为汽车生产线的主流“工作者”，各车企使用机器人
完成焊接、喷涂、装配等工作，使整个生产线实现高效、安全的自动化生产。

[0003] 其中，对于焊接生产线来说，汽车车身焊点数量庞大、分布复杂，而机器人的工作范围与运动方式具有一定的局限性，机器人放置在不同位置对焊接任务的完成存在一定的
影响。设计合理的机器人焊接工位，可在完成焊接任务的前提下减小机器人运动量，提高焊
点的焊接效率、降低焊接能耗，实现焊接生产线的高效焊接，使生产能力与利润都得到了提
高。传统的机器人工位摆放，大多是粗略计算与调整，但是由于设计精度不足，导致许多焊
点的焊接运动姿态耗时长、能耗大，致使工位设计效果并不理想。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对传统的机器人工位摆放存在的问题，提供一种应用于焊装线的机器人工位设计方法。

[0005] 为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

[0006] 一种应用于焊装线的机器人工位设计方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤一：确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形；

[0008] 步骤二：变换所述可达工作空间图形，利用图形内切法使所述焊点分布范围图形多次内切于所述可达工作空间图形，得到机器人的待选工位范围图形；

[0009] 步骤三：利用图形均等分割法对所述待选工位范围图形进行逐级区块分割，并找到每一级区块分割后的每个区块的等效中心点，得到每一级区块分割后由对应的等效中心
点组成的待选工位点集合；

[0010] 步骤四：利用机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出在第N区块分割级对应的待选工位点集合中，每一个待选工位点下机器人末端到达各个焊点的各关节角值和到
达各个焊点的距离和；

[0011] 步骤五：将各关节角值依次代入可操作度公式，得到待选工位点对应的各个焊点的可操作度值和以及对应的全部焊点的可操作度值和，其中，可操作度公式为：

[0012]

[0013] 式中，M(q)为关节角q下的可操作度，J(q)为雅克比矩阵；

[0014] 步骤六：以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最大值为优化目标，对第N区块分割级对应的待选工位点集合中的全部待选工位点进行比较与寻优，得到第N区块分
割级的较优工位点；

[0015] 步骤七：令N加1后返回步骤四，直至第N+1区块分割级的较优工位点与第N区块分割级的较优工位点的评价函数之差满足循环终止判断条件时，循环迭代终止，此时将第N+1
区块分割级的较优工位点作为最终设计的机器人最优工位点。

[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0017] 本发明所提出的应用于焊装线的机器人工位设计方法首先确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形，利用焊点分布范围图形和可达工作空间图形得到待选工
位范围图形，再利用图形均等分割法对待选工位范围图形进行逐级区块分割，得到待选工
位点集，并根据机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出待选工位点下各个焊点的距
离和以及全部焊点的可操作度值和，最后以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最
大值为优化目标，通过循环迭代找到机器人最优工位点，实现焊装线机器人的工位设计。本
发明利用基于可操作度指标和距离指标的评价函数进行机器人工位寻优，得到合理设计工
位，实现生产线空间的合理精准设计，可极大提高生产效率，该设计方法构思合理、设想新
颖，使焊装线机器人工位得到合理设计，可提高焊接机器人焊接利用率，实现焊装线的灵活
高效生产，同时本发明的具体量化的工位设计方法考虑方面更全面，得到的设计结果更加
精确，同时使机器人在各个焊点的运动方向灵活性更强，实现低能耗位姿的选择，具有较强
的实用性。

附图说明

[0018] 图1为本发明一个实施例中应用于焊装线的机器人工位设计方法的流程图；

[0019] 图2为本发明基于图形内切法求解机器人的待选工位范围图形的示意图；

[0020] 图3为本发明利用图形均等分割法对待选工位范围进行逐级区块分割的示意图。

具体实施方式

[0021] 本发明提供了一种应用于焊装线的机器人工位设计方法，解决了传统的机器人工位摆放存在的焊接运动姿态耗时长、能耗大等问题。需要强调的是，本发明所提出的应用于
焊装线的机器人工位设计方法不仅适用于汽车焊装线，也适用于其他产品的焊装线。本发
明设计方法的基本内容是：首先，确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形；然
后，结合图形内切方法得到机器人的待选工位范围图形，对待选工位范围图形进行逐级区
块分割得到待选工位点集合；最后，利用基于可操作度指标和距离指标的评价函数实现最
优工位点选择，完成焊接机器人工位设计。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术
方案进行详细描述。

[0022] 在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种应用于焊装线的机器人工位设计方法，该方法包括以下步骤：

[0023] 步骤一：确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形。

[0024] 具体地，在本步骤中，根据所有焊点分布情况，来确定机器人焊接时需要到达的整体范围以及可达空间。

[0025] 确定焊点分布范围图形的过程包括以下步骤：

[0026] 首先，将焊点集合中的边缘点顺次连接起来，得到不规则图形；

[0027] 其次，根据不规则图形将焊点分布情况等效为二维图形Pxy，实现焊点范围图形化处理，从而确定焊点分布范围图形。

[0028] 可选地，采用蒙特卡洛法对机器人进行可达性分析，确定机器人的可达工作空间图形。

[0029] 进一步地，采用蒙特卡洛法对机器人进行可达性分析的过程包括以下步骤：

[0030] 步骤一一：采用D‑H参数法建立机器人运动学模型，得到机器人末端位姿公式。

[0031] 列出机器人D‑H参数表，运用D‑H参数法对机器人进行运动学建模，建立机器人运动学模型，得到机器人末端位姿公式即机器人末端姿态与关节角之间的关系，关系表达式
为：

[0032] P＝[Px Py Pz]T     (1)

[0033] 式中，P表示机器人末端位置，Px、Py、Pz分别表示机器人末端位置的x、y、z坐标值。

[0034] 步骤一二：利用蒙特卡洛法在关节角范围内随机产生关节角值，将随机产生的关节角值代入机器人末端位姿公式，求解公式后得到机器人末端的所有可达点形成的可达工
作空间。

[0035] 首先，根据各关节角取值范围，结合rand函数产生随机值，得到随机产生的关节角值，并将所有关节角值组成集合。关节角取值公式为：

[0036] θi＝θimin+(θimax‑θimin)*rand(1,N)           (2)

[0037] 式中，θi为关节i的关节角值，i表示关节的数目，θimin表示关节i转角变量的最小值，θimax表示关节i转角变量的最大值，rand为生成随机数的函数，N为生成函数列的个数。

[0038] 其次，将集合中的各关节角值代入式(1)中，求得机器人可达工作空间点，所有可达工作空间点组成的集合即为机器人的可达工作空间。机器人的可达工作空间表达式为：

[0039] W(P)＝{Pn|θimin≤θ≤θimax}        (3)

[0040] 式中，W(P)表示机器人的可达工作空间，Pn为可达工作空间点，θ表示为关节角，θimin、θimax为关节角的上下限范围。

[0041] 步骤一三：对可达工作空间进行近似图形化处理，得到机器人的可达工作空间图形。

[0042] 由求解出机器人的可达工作空间后，对可达工作空间进行近似图形化处理，可以得到可达工作空间椭球图形：Oxy、Oxz、Oyz、Oxyz，即得到机器人的可达工作空间图形，实现机
器人可达工作空间的图形化。

[0043] 步骤二：变换可达工作空间图形，利用图形内切法使焊点分布范围图形多次内切于可达工作空间图形，得到机器人的待选工位范围图形。

[0044] 步骤二一：将可达工作空间图形变换不同位置，利用图形内切法使焊点分布范围图形的一侧多次内切于可达工作空间图形，并记录每个相切位置的机器人位置点；

[0045] 在本步骤中，将求得的可达工作空间图形例如Oxy作为内切状态的外侧图形，焊点分布范围图形Pxy作为内侧图形，变换可达工作空间图形Oxy的位置，利用图形内切法使可达
工作空间图形Oxy与焊点分布范围图形Pxy实现多次相切，并记录各次相切状态下机器人位
置点，并将所有相切状态下的机器人位置点组成集合，参见图2；

[0046] 步骤二二：对全部机器人位置点的集合做图形化处理，得到机器人的待选工位范围图形；

[0047] 根据集合中所有机器人位置点的分布情况近似得到图形Sxy，图形Sxy即为机器人待选工位范围点组成的图形，至此实现利用图形内切法确定得到机器人的待选工位范围图
形。

[0048] 步骤三：利用图形均等分割法对待选工位范围图形进行逐级区块分割，并找到每一级区块分割后的每个区块的等效中心点，得到每一级区块分割后由对应的等效中心点组
成的待选工位点集合。

[0049] 在本步骤中，利用图形均等分割法对机器人的待选工位范围图形Sxy进行逐级区块分割，参见图3，对待选工位范围图形进行1级区块分割后，得到4个区块，分别为每个区块编
号，即区块1～区块4，接下来对1级区块分割后的每个区块进行2级区块分割，得到16个区
块，分别为每个区块编号，即区块11～区块14、区块21～区块24、区块31～区块34、区块41～
区块44，以此类推；对待选工位范围图形Sxy进行逐级区块分割后，找到每一级区块分割后的
每个区块的等效中心点，可选地，每个区块的等效中心点为该区块的几何中心点，以区块的
几何中心点作为等效中心点，将每一区块分割级下所有区块的等效中心点组成点集dianN
＝{Of(n)}，其中，N为区块分割级级数，N的取值可根据实际需要进行选择，Of(n)为等效中心点
即待选工位点，点集dianN＝{Of(n)}即为第N级区块分割级对应的待选工位点集合，各待选
工位点集合共同组成新的集合为后续设计提供基础准备。各区块分割级对应的待选工位点
集合分别为：

[0050] dian1＝{O1,O2,O3,O4}；

[0051] dian2＝{O11,O12,O13,O14；O21,O22,O23,O24；O31,O32,O33,O34；……}；

[0052] dian3＝{O111,O112,O113,O114；O121,O122,O123,O124；O131,O132,O133,O134；……}；

[0053] ……

[0054] 步骤四：利用机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出在第N区块分割级对应的待选工位点集合中，每一个待选工位点下机器人末端到达各个焊点的各关节角值和到
达各个焊点的距离和。

[0055] 采用D‑H参数法建立机器人运动学模型后，利用机器人逆运动学法求解方式，求解出在第N区块分割级下进行区块分割后得到的对应的待选工位点集合dianN中，在各个机器
人待选工位点Of(n)下机器人末端到达各个焊点Ci的各关节角值θO‑f(n)‑ci；同时，计算在各个
机器人待选工位点Of(n)下机器人末端到达各个焊点Ci的距离和LO‑f(n)。

[0056] 步骤五：将步骤四中求解得到的各关节角值依次代入可操作度公式，得到待选工位点对应的各个焊点的可操作度值和以及对应的全部焊点的可操作度值和。

[0057] 在本步骤中，将求解的机器人末端到达各个焊点Ci的关节角值θO‑f(n)‑ci代入雅克比矩阵相关的可操作度公式即雅克比矩阵条件数的公式，计算出机器人在待选工位点Of(n)
下，各个焊点Ci的可操作度值MO‑f(n)‑ci，其中，可操作度公式为：

[0058]

[0059] 式中，M(q)为关节角q下的可操作度，J(q)为雅克比矩阵。

[0060] 在计算出各个焊点Ci的可操作度值MO‑f(n)‑ci之后，即可计算得到机器人在待选工位点Of(n)下，机器人末端到达全部焊点的可操作度值和MO‑f(n)。

[0061] 步骤六：以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最大值为优化目标，对第N区块分割级对应的待选工位点集合中的全部待选工位点进行比较与寻优，得到第N区块分
割级的较优工位点。

[0062] 根据前述所得的可操作度值和MO‑f(n)，并结合距离和LO‑f(n)设计基于可操作度指标和距离指标的评价函数，并以评价函数的最大值为优化目标，对同一区块分割级下的各个
待选工位点进行比较与寻优，选择出该区块分割级的较优的区块，从而得到该区块分割级
的较优工位点。

[0063] 设计的基于可操作度指标和距离指标的评价函数为：

[0064] ηO‑f(n)＝A*MO‑f(n)/MO‑f(n)‑min+B*LO‑f(n)‑min/LO‑f(n)    (5)

[0065] 式中，ηO‑f(n)为待选工位点Of(n)的评价函数，A、B分别为可操作度指标、距离评价指标的参数比例值，MO‑f(n)为待选工位点Of(n)的全部焊点的可操作度值和，LO‑f(n)为待选工位
点Of(n)下机器人末端到达各个焊点的距离和，MO‑f(n)‑min为待选工位点Of(n)下焊点的可操作
度值最小值，LO‑f(n)‑min为待选工位点Of(n)下机器人末端到达各个焊点的距离最小值。

[0066] 优化目标为：

[0067] ON‑best＝max{ηO‑f(n)}       (6)

[0068] 步骤七：令N加1后返回步骤四，直至第N+1区块分割级的较优工位点与第N区块分割级的较优工位点的评价函数之差满足循环终止判断条件时，循环迭代终止，此时将第N+1
区块分割级的较优工位点作为最终设计的机器人最优工位点。

[0069] 最后，令N加1即N+1后返回步骤四，重复执行步骤四至步骤六，直至第N+1区块分割级的较优工位点与第N区块分割级的较优工位点的评价函数之差eη满足循环终止判断条件
时，循环迭代终止，此时将第N+1区块分割级的较优工位点作为本发明最终设计的机器人最
优工位点Obest，其中，循环终止判断条件为：

[0070] eη＝|O(N+1)‑best‑ON‑best|≤ε       (7)

[0071] 式中，ON‑best为第N区块分割级的较优工位点的评价函数值，O(N+1)‑best为第N+1区块分割级的较优工位点的评价函数值，ε为终止条件限定参数。

[0072] 本发明所提出的应用于焊装线的机器人工位设计方法首先确定焊点分布范围图形和机器人的可达工作空间图形，利用焊点分布范围图形和可达工作空间图形得到待选工
位范围图形，再利用图形均等分割法对待选工位范围图形进行逐级区块分割，得到待选工
位点集，并根据机器人运动学模型和机器人逆运动学法求解出待选工位点下各个焊点的距
离和以及全部焊点的可操作度值和，最后以基于可操作度指标和距离指标的评价函数的最
大值为优化目标，通过循环迭代找到机器人最优工位点，实现焊装线机器人的工位设计。本
发明利用基于可操作度指标和距离指标的评价函数进行机器人工位寻优，得到合理设计工
位，实现生产线空间的合理精准设计，可极大提高生产效率，该设计方法构思合理、设想新
颖，使焊装线机器人工位得到合理设计，可提高焊接机器人焊接利用率，实现焊装线的灵活
高效生产，同时本发明的具体量化的工位设计方法考虑方面更全面，得到的设计结果更加
精确，同时使机器人在各个焊点的运动方向灵活性更强，实现低能耗位姿的选择，具有较强
的实用性。

[0073] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0074] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。