一种激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统及方法与流程

1.本发明属于激光熔覆控制技术领域，尤其涉及一种激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统及方法。


背景技术：

2.目前，激光熔覆技术，是一种新的表面改性技术。针对多区域修复件的激光熔覆过程，工件需要通过夹具运动进行位置调整，同时熔覆头也需要在多个熔覆区间内进行空行程的移动，由于在规划熔覆路径的时候对熔覆头尺寸、工件结构等因素考虑不够，以及路径规划算法存在的缺陷导致预设的运动路径不合理，容易使激光熔覆头与工件发生碰撞，不仅会影响熔覆头的熔覆精度，严重的可能还会造成熔覆头损坏，导致生产效率降低，对企业带来较大的经济损失。预防和解决熔覆过程中可能发生的碰撞问题，不仅能保护熔覆头不受损失，同时对企业经济效益的提高具有积极效应。
3.激光熔覆熔覆头防撞避障控制一直是行业里研究的热点。传统的熔覆头防碰撞装置主要研究集中在被动式防撞装置方面，即在激光熔覆头与工件发生了碰撞后才进行制动，由于运动惯性的缘故，装置作出反应具有一定的迟滞性，难以保障不给熔覆头带来负面影响；而在主动式防碰撞方面，相关专利通过利用传感器对熔覆头与障碍物之间的距离进行实时测量，随后根据与设定的安全阈值的比较结果控制熔覆头的运动状态，从而达到防碰撞的效果，但这类专利中传感器存在较大的监测盲区，无法保证对熔覆头前进方向上的饱和测量。同时，目前针对熔覆头避障的研究主要集中在熔覆前的路径规划方面，而对于熔覆过程中的实时避障研究较少，所以传统方法在检测到可能发生碰撞的结果后，熔覆过程将自动停止等待人工介入进行干预，缺少在检测出碰撞后自动避障的操作，不利于生产效率的提高。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有激光熔覆熔覆头防撞装置具备一定迟滞性，传感器存在较大的监测盲区，无法保证对熔覆头前进方向上的饱和测量；且在检测到可能发生碰撞的结果后，熔覆过程将自动停止等待人工介入进行干预，缺少检测出障碍后自动避障的操作，不利于生产效率的提高。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：在较低的数据处理量下实现熔覆头行进方向上的饱和测量；检测出碰撞后夹具及机械臂的自动避障运动策略及路径规划。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：对熔覆头行进方向进行饱和测量，提升了熔覆头安全系数，避免不必要的财产损失，同时单一传感器的使用降低了数据处理难度，提升了响应速度；在无需进行新的路径规划的情况下实现熔覆头的自动避障，减少人工干预和停车等待时间，提高了生产效率，降低了人工成本。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统及方法。
8.本发明是这样实现的，一种激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统，所述激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统包括：
9.超声测距模块、控制模块以及执行模块；
10.超声测距模块，包括超声测距传感器和环状随动装置；用于利用可调整位置的超声测距传感器进行超声测距；
11.控制模块，包括碰撞检测单元、位置识别单元、位置判断单元、避障路径规划单元、运动控制单元；用于进行数据处理、分析、位置识别、避障路径规划并生产控制指令；
12.执行模块，包括机械臂和夹具；用于接收并执行控制指令。
13.进一步，所述超声测距模块包括：
14.所述超声测距模块，包括超声测距传感器和环状随动装置，所述超声测距传感器和环状随动装置固定于熔覆头上；
15.所述环状随动装置用于根据熔覆头行进方向对超声测距传感器位置进行实时调整，令测量方向与行进方向的一致。
16.进一步，所述控制模块包括：
17.碰撞检测单元，用于接收超声测距模块反馈的信息并进行判断，同时将结果输出至运动控制单元；
18.位置识别单元，用于根据先前输入的路径信息及工件三维模型对熔覆头、夹具当前前位置及目标位置进行确认，并自动生成安全高度和中间点，将结果输入位置判断单元、避障路径规划单元和运动控制单元；
19.位置判断单元，用于通过对比当前的位置信息和目标位置信息，判断夹具或熔覆头是否还需运动；
20.避障路径规划单元，用于在获取到熔覆头与目标点的位置后，结合工件的三维模型建立环境模型，利用避障路径生产算法生成实时避障路径，并将路径信息输出至运动控制单元；
21.运动控制单元，用于接收来自位置识别单元、碰撞检测单元、位置判断单元、避障路径规划单元的信息，对接收信息进行处理，同时基于处理后的信息生成控制指令。
22.进一步，所述路径信息包括夹具的运动路径和熔覆头移动路径。
23.进一步，所述执行模块包括：
24.机械臂，用于控制熔覆头的运动；
25.夹具，用于调整被熔覆物体的位置。
26.本发明的另一目的在于提供一种应用于所述激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统的激光熔覆熔覆头防撞避障控制方法，所述激光熔覆熔覆头防撞避障控制方法包括：
27.步骤一，超声测距模块根据输入的熔覆头移动路径信息实时调整超声测距传感器的探测方向，并将获得的信息反馈至碰撞检测单元，并记录此时探测的距离i；
28.步骤二，碰撞检测单元将超声测距模块获取到的距离信息i与预先设定的安全阈值j进行比较，当i》j时，运动控制单元控制执行模块继续进行下一步熔覆处理；当i≦j时，将结果输出至运动控制单元，运动控制单元对执行模块发出停止指令，并转向步骤三；
29.步骤三，执行模块接收停止指令后，位置识别单元根据预先输入的熔覆头移动路径信息和夹具运动路径信息确认熔覆头及夹具当前位置和目标位置；
30.步骤四，运动判断单元在获得当前夹具旋转角θ1后，与下一熔覆操作夹具目标旋转角θ2进行对比，并将结果输出至运动控制单元；当θ
1＝
θ2时，转向步骤六；θ1≠θ2时，转向步骤五；
31.步骤五，位置识别单元根据路径信息以及工件三维模型对当前工件及夹具位置姿态进行识别，同时遍历夹具转动过程中夹具及工件的轨迹点，对工件外形轮廓进行一定的偏置，并自动生成安全高度和中间点位置；
32.步骤六，运动控制单元对执行模块输出对机械臂z轴方向上的驱动指令，提升熔覆头到安全高度h，再控制机械臂使熔覆头移动到中间点位置；
33.步骤七，熔覆头移动到中间点后，运动控制单元根据位置判断单元输入的信息对执行模块输出对夹具的驱动指令，控制夹具运动到目标位置；
34.步骤八，避障路径规划单元结合工件三维实体模型进行环境地图划分，再根据位置识别单元输入的熔覆头目标点位置，以中间点位置为起始点，利用路径规划算法生成到目标点的路径，输出至运动控制单元；
35.步骤九，运动控制单元按避障路径规划单元生成的路径信息输出对运动单元机械臂的控制指令，控制熔覆头到达目标点位置；继续按照之前的路径信息执行下一步熔覆处理。
36.进一步，所述步骤一之前还需进行：在设置有超声测距模块的熔覆头上最大半径值的基础上，进行一定的安全补偿，并设定安全阈值j、偏置值。
37.进一步，所述安全高度和中间点生成包括：
38.所述安全高度的生成包括：位置判断模块对工件及夹具位置姿态识别后，获取其在z轴方向上的最大高度值，并进行一定的安全补偿，得到安全高度；
39.所述中间点的生成包括：模拟夹具下一步运动，得到夹具及工件的运动轨迹；结合工件的三维模型对工件的外形轮廓进行偏置；选择改进欧式距离最短的点作为中间点，改进欧式距离公式如下：
[0040][0041]
其中，k为常数，当选择点与目标点之间存在障碍物时，k＝1000；不存在障碍物时，k＝0。
[0042]
进一步，所述环境地图可利用直接表示法、特征地图、拓扑地图和栅格地图的形式进行表示。
[0043]
进一步，所述路径规划模块包括a*算法、dijkstra算法、rrt算法。
[0044]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述激光熔覆熔覆头防撞避障控制方法。
[0045]
本发明的另一目的在于提供一种熔覆头防碰撞装置，所述熔覆头防碰撞装置搭载所述激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统。
[0046]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种新颖的能够满足熔覆头前进方向上饱和测量的主动式防碰撞装置和自动避障的控制系统和方法，能够解决熔覆过程中熔覆头的防撞避障问题。
[0047]
本发明超声波测距传感器能够根据熔覆头的前进方向实时调整测量方向，减少了超声波测距传感器在熔覆头前进方向上的监测盲区，且只使用一个超声波测距传感器，使其具有较低的数据处理难度及较快的反应速度。
[0048]
本发明在检测到可能发生碰撞的结果后，自动指引夹具及熔覆头运动到下一熔覆阶段的初始位置，继续按照先前规划好的路径进行下一步操作，无需进行新的路径规划和人工干预，减少了停机等待时间，提高了生产效率。
附图说明
[0049]
图1为本发明的激光熔覆熔覆头防碰撞装置示意图。
[0050]
图2为本发明的激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统工作示意图。
[0051]
图3是本发明提供的激光熔覆熔覆头防撞避障的控制系统工作流程图
[0052]
图4为本发明的激光熔覆熔覆头防撞避障系统原理图。
[0053]
图5是本发明实施例提供的工件三视图。
[0054]
图6是本发明实施例提供的熔覆头预碰撞示意图。
[0055]
图7是本发明实施例提供的工件运动轨迹模拟示意图。
[0056]
图8是本发明实施例提供的工件的外形轮廓偏置示意图。
[0057]
图9是本发明实施例提供的目标点选择示意图。
[0058]
图1-图2中：1、熔覆头；2、超声测距模块；3、内圈环形齿轮；4、带有传感器和电机安装孔的外套；5、超声测距传感器；6、传感器紧固螺丝；7、随动装置电机；8、紧固装置；9、紧固螺丝；10、机械臂；11、夹具；12、控制模块。
具体实施方式
[0059]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0060]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0061]
如图1-图2所示，本发明实施例提供的激光熔覆熔覆头防撞避障控制系统包括：
[0062]
超声测距模块2、控制模块12以及执行模块；
[0063]
超声测距模块2，包括超声测距传感器5和环状随动装置；用于利用可调整位置的超声测距传感器进行超声测距；
[0064]
控制模块12，包括碰撞检测单元、位置识别单元、位置判断单元、避障路径规划单元、运动控制单元；用于进行数据处理、分析、位置识别、避障路径规划并生产控制指令；
[0065]
执行模块，包括机械臂10和夹具11；用于接收并执行控制指令。
[0066]
本发明实施例提供的超声测距模块2包括：
[0067]
超声测距模块，包括超声测距传感器和环状随动装置，所述超声测距传感器和环状随动装置固定于熔覆头上；
[0068]
环状随动装置用于根据熔覆头行进方向对超声测距传感器位置进行实时调整，令测量方向与行进方向的一致。
[0069]
本发明实施例提供的控制模块包括：
[0070]
碰撞检测单元，用于接收超声测距模块反馈的信息并进行判断，同时将结果输出至运动控制单元；
[0071]
位置识别单元，用于根据先前输入的路径信息及工件三维模型对熔覆头、夹具当前前位置及目标位置进行确认，并自动生成安全高度和中间点，将结果输入位置判断单元、避障路径规划单元和运动控制单元；
[0072]
位置判断单元，用于通过对比当前的位置信息和目标位置信息，判断夹具或熔覆头是否还需运动；
[0073]
避障路径规划单元，用于在获取到熔覆头与目标点的位置后，结合工件的三维模型建立环境模型，利用避障路径生产算法生成实时避障路径，并将路径信息输出至运动控制单元；
[0074]
运动控制单元，用于接收来自位置识别单元、碰撞检测单元、位置判断单元、避障路径规划单元的信息，对接收信息进行处理，同时基于处理后的信息生成控制指令。
[0075]
本发明实施例提供的路径信息包括夹具的运动路径和熔覆头移动路径。
[0076]
本发明实施例提供的执行模块包括：
[0077]
机械臂，用于控制熔覆头的运动；
[0078]
夹具，用于调整被熔覆物体的位置。
[0079]
如图3所示，本发明实施例提供的激光熔覆熔覆头防撞避障控制方法包括：
[0080]
s101，超声测距模块根据输入的熔覆头移动路径信息实时调整超声测距传感器的探测方向，并将获得的信息反馈至碰撞检测单元，并记录此时探测的距离i；
[0081]
s102，碰撞检测单元将超声测距模块获取到的距离信息i与预先设定的安全阈值j进行比较，当i》j时，运动控制单元控制执行模块继续进行下一步熔覆处理；当i≦j时，将结果输出至运动控制单元，运动控制单元对执行模块发出停止指令，并转向步骤s103；
[0082]
s103，执行模块接收停止指令后，位置识别单元根据预先输入的熔覆头移动路径信息和夹具运动路径信息确认熔覆头及夹具当前位置和目标位置；
[0083]
s104，运动判断单元在获得当前夹具旋转角θ1后，与下一熔覆操作夹具目标旋转角θ2进行对比，并将结果输出至运动控制单元；当θ1＝θ2时，转向步骤s106；θ1≠θ2时，转向步骤s105；
[0084]
s105，位置识别单元根据路径信息以及工件三维模型对当前工件及夹具位置姿态进行识别，同时遍历夹具转动过程中夹具及工件的轨迹点，对工件外形轮廓进行一定的偏置，并自动生成安全高度和中间点位置；
[0085]
s106，运动控制单元对执行模块输出对机械臂z轴方向上的驱动指令，提升熔覆头到安全高度h，再控制机械臂使熔覆头移动到中间点位置；
[0086]
s107，熔覆头移动到中间点后，运动控制单元根据位置判断单元输入的信息对运动单元输出对夹具的驱动指令，控制夹具运动到目标位置；
[0087]
s108，避障路径规划单元结合工件三维实体模型进行环境地图划分，再根据位置识别单元输入的熔覆头目标点位置，以中间点位置为起始点，利用的路径规划算法生成到目标点的路径，输出至运动控制单元；
[0088]
s109，运动控制单元按避障路径规划单元生成的路径信息输出对运动单元机械臂
的控制指令，控制熔覆头到达目标点位置；继续按照之前的路径信息执行下一步熔覆处理。
[0089]
本发明实施例提供的步骤s101之前还需进行：在设置有超声测距模块的熔覆头上最大半径值的基础上，进行一定的安全补偿，并设定安全阈值j、偏置值。
[0090]
本发明实施例提供的安全高度和中间点生成包括：
[0091]
安全高度的生成包括：位置判断模块对工件及夹具位置姿态识别后，获取其在z轴方向上的最大高度值，并进行一定的安全补偿，得到安全高度；
[0092]
中间点的生成包括：模拟夹具下一步运动，得到夹具及工件的运动轨迹；结合工件的三维模型对工件的外形轮廓进行偏置；选择改进欧式距离最短的点作为中间点，改进欧式距离公式如下：
[0093][0094]
其中，k为常数，当选择点与目标点之间存在障碍物时，k＝1000；不存在障碍物时，k＝0。
[0095]
本发明实施例提供的环境地图可利用直接表示法、特征地图、拓扑地图和栅格地图的形式进行表示。
[0096]
本发明实施例提供的路径规划模块包括a*算法、dijkstra算法、rrt算法。
[0097]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0098]
为使激光熔覆头在工作过程中，能够实时监控，避免激光熔覆头与工件发生碰撞，本发明在激光熔覆头上添加了一个带有环形随动装置的超声测距传感器，其安装形状如图1所示，紧固装置8通过拧紧紧固螺丝9，将环形齿轮内圈3锁紧在熔覆头1上，外套4上带有传感器安装孔和电机安装孔，使用螺丝6将超声波测距传感器5固定在外套上，随动装置电机7直接安装在外套4上面，通过电机7的转动带动整个外套4绕着环形齿轮内圈3转动，实现对超声波测距传感器测量方向的实时控制。
[0099]
整个熔覆头防碰撞避障控制系统工作示意图如图2所示，包括超声测距单元2，运动单元，电脑控制系统12，其中运动单元包括机械臂10和水平旋转夹具11，电脑控制系统包括碰撞检测模块、位置识别模块、位置判断模块、避障路径规划模块、运动控制模块。
[0100]
熔覆头防碰撞避障控制系统原理图如图4所示，包含控制层、作业层、监测层、信息层四个部分，其中控制层中所示模块仅表示功能实体,不一定必须与物理上独立的实体相对应。
[0101]
下面对本案例中主要涉及的设备参数进行说明。熔覆头采用珠峰激光zf-ch004a环形同轴激光熔覆头，加装超声测距单元后其最大半径为5cm；选用kuka kr6arc型工业机器人来作为熔覆头的运动执行机构，运动半径为1611mm，重复精度为
±
0.1mm；超声波测距传感器采用亿港电子yg-k003b2型传感器，误差为
±
1％。
[0102]
本发明实施例中工件详细参数如图5所示，部分路径信息如下所示：
[0103]
路径点xyz夹具旋转角θ熔覆区域1结束点-120.1-13.692.30
°
碰撞发生点-69.7-7.198.60
°
熔覆区域2起始点-13.220.175.990
°
[0104]
结合具体装置及相应信息后，案例具体详细步骤如下所示：
[0105]
步骤一、根据加装超声测距单元后熔覆头上最大半径进行安全阈值、偏置值的设定；本案例中最大半径为50mm，补偿值设定为20mm,因此安全阈值为70mm，偏置值为50mm。
[0106]
步骤二、熔覆头由熔覆区域1的结束点运动到熔覆区域2的起始点，超声测距单元根据熔覆头移动路径信息实时调整超声测距传感器的探测方向，并将获得的信息反馈至碰撞检测模块，在运动到碰撞发生点时(图6)探测到的距离为69.9mm。
[0107]
步骤三、碰撞检测模块将超声测距单元获取到的距离信息与提前设定的安全阈值进行比较，此时获取到的距离信息为69.9mm，小于安全阈值，立即将结果反馈至运动控制模块，运动控制模块对运动单元发出停止指令。
[0108]
步骤四、当运动单元接收到停止指令后，位置识别模块根据先前输入的熔覆头移动路径信息和夹具运动路径信息对熔覆头及夹具当前位置和目标位置进行确认，此时熔覆头及夹具初始位置为(-69.7，-7.1，92.3)，0
°
，目标位置为(-13.2，20.1，75.9)，90
°
。
[0109]
步骤五、运动判断模块在获得当前夹具旋转角0
°
后，与下一熔覆操作夹具目标旋转角90
°
进行对比，并将结果输出至运动控制模块；此时，0
°
≠90
°
，进入步骤五。
[0110]
步骤六、位置识别模块对工件当前姿态进行识别，此时工件在z轴方向上的最大值为75,对其进行安全补偿后安全高度设置为105；结合路径信息及工件三维模型对工件运动轨迹进行模拟，其结果如图7所示；当模拟夹具运动完成后，对工件的外形轮廓进行偏置，如图8；排除可加工区域内所有运动轨迹及轮廓偏置内的所有点后，选择距离目标点改进欧式距离最近的点，如图9，改进欧式距离计算公式如下：
[0111][0112]
其中，k为常数，当选择点与目标点之间存在障碍物时，k＝1000，不存在障碍物时，k＝0；通过此方法得出的中间点坐标为(-13.2,20.1,285.0)。
[0113]
步骤七、运动控制模块对运动单元输出对机械臂z轴方向上的驱动指令，提升熔覆头到安全高度105，再控制机械臂使熔覆头移动到中间点(-13.2,20.1,285.0)；安全高度的设置是防止熔覆头移动到中间点的过程中与夹具或被熔覆物体发生碰撞，中间点的设置是防止夹具及其所夹的工件在运动过程中与熔覆头发生碰撞。
[0114]
步骤八、运动控制单元对运动单元输出对夹具的驱动指令，控制夹具运动到目标旋转角90
°
。
[0115]
步骤九、避障路径规划模块结合工件三维实体模型进行环境地图划分，再以中间点(-13.2,20.1,285.0)为起始点，使用相应的避障算法生成到目标点(-13.2，20.1，75.9)的路径，输出至运动控制单元；本案例中采用格栅法进行地图划分，利用a*算法进行避障路径规划。
[0116]
栅格地图是指将机器人运行环境划分为一系列规则的大小相等的正方形栅格，每个栅格可以用一个数字来表示该栅格是可以通行的还是被障碍物占用的。在激光熔覆作业空间中，熔覆头所要避开的障碍物主要是不规则的零部件。因此采用栅格法建立的环境模型，将可通过区域、不可通过区域简化为栅格，熔覆头也转化一组栅格的集合，使熔覆头的三维路径规划问题转变为在一个可通过栅格集合中寻找一个满足规划要求的栅格子集问题，从而得到符合要求的最短路径。
[0117]
a*算法，a*(a-star)算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方
法，也是解决许多搜索问题的有效算法。其公式为：
[0118]
f(n)＝g(n) h(n)
[0119]
其中，f(n)是从初始状态经由状态n到目标状态的代价估计，
[0120]
g(n)是在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价，
[0121]
h(n)是从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价。
[0122]
(对于路径搜索问题，状态就是图中的节点，代价就是距离)
[0123]
步骤十、运动控制模块按避障路径规划模块生成的路径信息输出对运动单元机械臂的控制指令，使熔覆头到达目标点位置。
[0124]
步骤十一、继续按照之前的路径信息执行下一步熔覆操作。
[0125]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0126]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0127]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。