基于越障全位置焊接機(jī)器人的焊接路徑和參數(shù)規(guī)劃研究.pdf

1、隨著機(jī)器人焊接智能化的發(fā)展，全位置移動(dòng)焊接機(jī)器人已成為機(jī)器人領(lǐng)域以及焊接自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。為了在全位置工裝和大型非結(jié)構(gòu)裝備中實(shí)現(xiàn)焊接的智能化，需要研制一種移動(dòng)焊接機(jī)器人，能夠適應(yīng)大范圍作業(yè)及復(fù)雜環(huán)境，并且可用于障礙物的識(shí)別、角接焊縫焊接的作業(yè)等任務(wù)。本文在自主研制的具備直行、轉(zhuǎn)彎、越障、爬壁和全位置焊接等多項(xiàng)功能的移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人的焊接路徑及相關(guān)參數(shù)的規(guī)劃做出了研究。
　　運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是對(duì)全位置自主焊接移

2、動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行路徑與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。針對(duì)該機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其特殊性，將機(jī)器人系統(tǒng)分為機(jī)械臂部分與底部移動(dòng)機(jī)構(gòu)部分。機(jī)械臂部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模可采用Denavit-Hartenberg方法，并在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可將其六輪機(jī)構(gòu)等效為兩輪機(jī)構(gòu)，從而建立起速度的雅可比矩陣。將兩部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)疊加起來(lái)，推導(dǎo)出機(jī)器人系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為規(guī)劃工作奠定了基礎(chǔ)。
　　在使用機(jī)器人焊接時(shí)，焊槍與焊縫平面之間的

3、傾角十分重要。在已知焊縫上目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)及焊槍的焊接行進(jìn)角、工作角后，如何控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)使焊槍達(dá)到這些要求，也是規(guī)劃前需要做的工作。本文采用了兩步的搜索算法，對(duì)特殊行進(jìn)角情況下的機(jī)械臂姿態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，得出了滿足條件的機(jī)械臂最優(yōu)姿態(tài)。利用這樣的結(jié)果，當(dāng)焊縫路徑為直線路徑及曲線路徑時(shí)，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃得以完成。對(duì)不同的路徑，采用路徑點(diǎn)的插補(bǔ)算法，將焊槍在目標(biāo)路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的變化情況反映出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人的復(fù)合運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃也可以

4、得出。
　　根據(jù)機(jī)器人越障的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出越障焊接的方法。為保證機(jī)器人在越障時(shí)能夠進(jìn)行連續(xù)的焊接，機(jī)器人車體須保持連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。建立出越障的幾何模型，對(duì)越障的參數(shù)進(jìn)行分析，得出越障時(shí)的最佳車速，并繪制越障過(guò)程中的車輪軌跡線，分析越障時(shí)的焊接速度的選擇。在高速焊接時(shí)將采用機(jī)械臂滯后法，來(lái)補(bǔ)償焊槍與車體中心間的前后距離差。焊接速度將不會(huì)超過(guò)一個(gè)最大值，以滿足越障時(shí)進(jìn)行焊接的基本要求。
　　在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎焊接的設(shè)計(jì)上，考慮到直角焊縫的特

5、點(diǎn)以及機(jī)器人的特殊性，要求機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎時(shí)焊槍沿直角焊縫的兩條直角邊運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)既能保證焊接的連續(xù)性，又能使機(jī)器人通過(guò)轉(zhuǎn)彎保證運(yùn)動(dòng)的不間斷。建立兩個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題模型，依次對(duì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎初始位置、轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出轉(zhuǎn)彎模型各參數(shù)之間的關(guān)系，建立轉(zhuǎn)彎焊接的規(guī)劃準(zhǔn)則，并進(jìn)行模型仿真。
　　直角焊縫轉(zhuǎn)彎模型具有特殊性，為此設(shè)計(jì)出不同參數(shù)下的折線型焊縫轉(zhuǎn)彎模型。在模型中，焊縫與機(jī)器人車體中心的高度差、折線型焊縫的折角角度，被定義為模

6、型的輸入變量。而模型的輸出變量為轉(zhuǎn)彎的初始位置、第一段折線的長(zhǎng)度以及轉(zhuǎn)彎半徑。首先由高度差推導(dǎo)出轉(zhuǎn)彎初始位置的表達(dá)式，進(jìn)而推導(dǎo)出最小折角角度與高度差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用已得到的結(jié)果，將模型的輸入變量依次取固定值、變化值，逐步建立各輸出變量與輸入變量的關(guān)系曲線，并將其擬合成多項(xiàng)式形式的表達(dá)式。由得出的結(jié)果，建立基于多變量折線型焊縫的轉(zhuǎn)彎模型的規(guī)劃準(zhǔn)則，進(jìn)行模型仿真。
　　最后建立了機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用相關(guān)的軟件和硬件，對(duì)機(jī)器