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1、智能弧焊机器人的运动学建模摘 要:对智能弧焊机器人的实时轨迹跟踪问题，提出了一种新的运 动学建模:焊缝切线法。该方法是根据焊缝跟踪系统判断焊缝的弯 曲程度，确定机器人的运动学模型。用该方法建立了四轮移动机器人的运动方式和机器人终端效应器（焊枪）的运动方式之间的关 系。试验结果表明，该模型具有良好的控制特性和精确性，能满足焊 接工程应用的要求。关键词:移动机器人；电弧传感器；运动学模 型；电弧焊一、序言焊接技术作为一门综合性应用技术，从来都是随着科学技术的整体进步而发展的。近几十年来，随着自动 化技术的发展，特别是机器人的发展，弧焊机器人如雨后春笋般涌现 出来。通常，弧焊机器人广泛应用于工业焊接
2、生产，极大地提高了焊 接质量和效率。对于大量的非结构环境下的焊接制造过程，如造 船、石化容器等，目前基本上处于有轨道的机械化和人工焊接状 况。为了实现大型工件焊接自动化，国外开发了轮式小车依靠靠模 和人工监控完成焊接制造，国内利用改进的磁性轮式小车作为焊接 生产移动机构。随着大型重要构件的焊接越来越多，仅仅依靠手工 焊焊接是难以满足焊接质量和焊接效率的要求，因此开发具有智能 化的弧焊机器人以取代人在危险恶劣环境下难以完成的工作，是人图4焊缝跟踪结果图F 4 Results of seam trackug 六、结论 （1）通过把大 角度焊缝跟踪转变成多个小角度焊缝跟踪从而实现大角度焊缝跟踪。 （
3、2）小车转弯角度和转弯时间,由程序自动计算得出，体现了焊缝跟踪的智能化要求。（3）充分利用了电弧传感器（焊炬）自动跟踪焊缝的能力，保证了焊接质量。棒性，体现了智能化的要求。（4）增强了整个系统的鲁类梦寐以求的理想。文中着重通过对四轮移动机器人的运动分析, 建立了一种新的运动学模型，其目的是为弧焊机器人的焊缝跟踪系 统提供新的解决方法。二、四轮移动机器人的结构 四轮移动机器人的结构见图lo图1四轮机器人的俯视图Fig 1Top v4w of fcurwheels robot图中，车轮1、车轮2可以独立驱动和独立控制，车轮3、4为万向轮，没有驱动能力，各车轮半径相等。该结构既能使机器人获得很小的转
4、弯半径，又能保证机器人在运动过程中，车轮3、4对机器人的运动的约 束很小。机器人的车轮1、2分别装有光码盘用来测定相应车轮的 转速和转向,并与控制系统组成速度闭环控制。三、焊缝切线法 由于焊接过程是一个高度非线性、多变量作用的过程，同时还具有 随机不确定因素的存在,这就决定了对焊接过程的跟踪问题变得非图2系统组成图常困难。系统组成如图2。Fg 2 System dngrani 该系统是利用电弧传感器识别焊缝和跟踪焊缝。在焊接过程中，十字滑块的运动方向与电弧传感器所判断的焊缝偏差的方向相反。由于十字 滑块的运动存在一定的范围，只有当焊缝弯曲程度较小时，通过控制 十字滑块的运动可以保证电弧传感器（
5、焊炬）跟踪焊缝。如果焊缝弯 曲程度较大时，仅通过控制十字滑块的运动是无法满足焊缝跟踪 的。只有小车做相应的转弯运动，才能保证焊缝跟踪，从而保证焊接 质量。焊缝切线法主要原理如下:为保证焊接质量，焊缝跟踪核心必须保证焊炬以相同的速率沿焊缝切线方向运动。在焊缝跟踪过 程中，当十字滑块驱动电弧传感器运动到一定程度时，则判断十字滑 块下一步的运动方向，如果与原来方向相反（设为负方向）,即十字 滑块往其中心运动，此时小车不需要转弯;如果与原来方向相同（设 为正方向），则此时给小车转弯信号，即通过小车转弯来配合十字滑 块焊缝跟踪，这样就可以避免由于十字滑块运动范围的原因而导致 焊缝跟踪失败。小车转弯的时间
6、和转弯角度由数学模型及相应程序 计算确定。在转弯过程中，十字滑块的运动方式由焊炬（电弧传感器） 确定，这样就可以保证焊炬始终沿焊缝方向运动。由于焊炬在焊接 过程中的运动曲线始终与焊缝曲线重合，且每当小车转过所规定的 角度后，焊炬此时的运动方向与焊缝相切，故称这种方法为焊缝切线 法。四、四轮移动机器人运动学分析为了简化建模，特作以下假设。（1）轮式移动机器人的运动速度（直线运动时）设为焊接速度（电弧传感器的运动速度）。（2）与十字滑块原来运动方向相同设为正方向。（3）与十字滑块原来运动方向相反设为负方向。在焊接过程中，电弧传感器的实际运动速度是由十字滑块的横向速 度与智能小车的纵向速度的合成。对
7、上面假设条件说明如下。 在焊接过程中，十字滑块的运动速度很快（单向运动时间仅为3 6 s），最重要一点就是它的运动范围很小。以上所述的整个系统是针对CO2气体保护焊,选用焊机为唐山松下KR350系列焊 机（主要是由于这类焊机在国内使用非常广泛）。焊速通常为0.30. 5 m /min。通过上面的分析这种机器人运动学建模的关键是如何 保证焊炬以同样的速率可靠精确地按照焊缝的路径运动。为进一步 简化建模，设转弯前焊缝是直线,且机器人移动速度为vf0下面建立 机器人右转弯（俯视）时的运动学模型,其它运动方式的运动学模型 可以依此类推。如图3所示建立四轮机器人的基础笛卡尔坐标系Oxyz （未画出）、附
8、体坐标Omuvw。图中：Oxyz为基础坐标系, 固定在地面上,0点为其坐标原点。Omuvw为车架的附体坐标系， 固定在机器人车架上,0m为其坐标原点，与车轮1、2接 地点连 线的中点重合。在机器人运动的起始位置,0点与0m点重合，但 Omuvw和Oxyz两坐标系的坐标不一定重合;a为十字滑块与轮1、2连线的距离;L1为十字滑块的单伸长度;b为轮1、2之间的距 离;3为车架绕瞬时转轴的转速度;B为机器人转弯所需要转的角度; C为转动时转轴w的瞬心;vl、v2、v分别为车轮1、2中心及车架eV图3四轮机器人的运动学分析相对于地面的绝对速度。 Fg 3 Knematrs anasis offi）ur
9、wheels tobotAL为运动过程中十字滑块与其中点的距离，由光码盘测定;ATI为 十字滑块从中点到该位置的运动时间;AT2为十字滑块驱动电路 的电惯性（包括判断时间）；AT3为小车驱动电路的电惯性;AT4为 小车理论转弯时间;AT为小车实际转弯时间;vf为转弯前的焊接 速度;uc为转弯时瞬心到0m之间的距离;r为各车轮半径;31、32 分别为车轮1、2的瞬时角速度。根据前面假设，可得下述车轮协调方程a配+ (石 +力亓(1)“(八十仆石)岭=(收 :)3 o因此/年两轮用速度的运动方程为其中:即：上面是小车转弯时的运动学模型,该模型给出了小车两轮角速度与焊接速度之间的关系。可以证明系统是
10、全局可控的。五、试验结果为了验证该模型的效果,利用旋转电弧作为传感器。焊接有关参数为:电源用唐山松下 KR350,保护气体为C02 ;焊接速度为40 cm /min;电弧电压为30 V;焊接电流为240A ;旋转直径为5mm;旋转频率为8 Hz;坡口为V彩 试验结果列于表1,所有试验的跟踪效果都很好，图4为焊缝跟踪的 结果图。表1旋转跟踪试验结果Tabfe 1 ResuIts of arc weIdng w nil tatug scannng arc焊接腹电惯性理论转弯时间实际转弯跟踪板折角C)时间AT? /s A/s时间AT/s效果250. 401. 982 05好251. 002 002
11、34好252 002 002 76好400. 401. 972 03好401. 002 002 45好图4焊缝跟踪结果图F 4 Results of seam trackng六、结论 （1）通过把大角度焊缝跟踪转变成多个小角度焊缝跟踪从而实现大角度焊缝跟 踪。 （2）小车转弯角度和转弯时间,由程序自动计算得出，体现 了焊缝跟踪的智能化要求。（3）充分利用了电弧传感器（焊炬）自动 跟踪焊缝的能力，保证了焊接质量。（4）增强了整个系统的鲁棒性，体现了智能化的要求。4QTD7H-33472-343RJF-DJ543NZ-DZS3-0. 5 m /min 通过上面的 分析这种机器人运动学建模的关键是如
12、何保证焊炬以同样的速率 可靠精确地按照焊缝的路径运动。为进一步简化建模，设转弯前焊 缝是直线,且机器人移动速度为vfo下面建立机器人右转弯（俯视） 时的运动学模型，其它运动方式的运动学模型可以依此类推。如图3所示建立四轮机器人的基础笛卡尔坐标系Oxyz （未画出）、 附体坐标Omuvw。图中：Oxyz为基础坐标系，固定在地面上Q点为 其坐标原点。Omuvw为车架的附体坐标系，固定在机器人车架上， Om为其坐标原点，与车轮1、2接 地点连线的中点重合。在机器 人运动的起始位置,0点与Om点重合，但Omuvw和Oxyz两坐标 系的坐标不一定重合;a为十字滑块与轮1、2连线的距离;L1为十字滑块的单
13、伸长度;b为轮1、2之间的距离;3为车架绕瞬时转轴的转速度;0为机器人转弯所需要转的角度;C为转动时转轴w的瞬心; vl、v2、v分别为车轮1、2中心及车架相对于地面的绝对速度。0图3四轮机器人的运动学分析F0 3 Knematrs anasis of fourwheek robot AL为运动过程中十字滑 块与其中点的距离，由光码盘测定;ATI为十字滑块从中点到该位 置的运动时间;AT2为十字滑块驱动电路的电惯性（包括判断时间）； AT3为小车驱动电路的电惯性;AT4为小车理论转弯时间;AT为小 车实际转弯时间;vf为转弯前的焊接速度;UC为转弯时瞬心到0m 之间的距离;r为各车轮半径;31
14、、co2分别为车轮1、2的瞬时角速 度。根据前面假设，可得下述车轮协调方程a配+ (石 +力亓(1)“(八十仆石)岭=(收 :)3 o因此/年两轮用速度的运动方程为其中:即：上面是小车转弯时的运动学模型,该模型给出了小车两轮角速度与焊接速度之间的关系。可以证明系统是全局可控的。五、试验结果为了验证该模型的效果,利用旋转电弧作为传感器。焊接有关参数为:电源用唐山松下 KR350,保护气体为C02 ;焊接速度为40 cm /min;电弧电压为30 V;焊接电流为240A ;旋转直径为5mm;旋转频率为8 Hz;坡口为V彩 试验结果列于表1,所有试验的跟踪效果都很好，图4为焊缝跟踪的 结果图。表1旋转跟踪试验结果Tabfe 1 ResuIts of arc weIdng w nil tatug scannng arc焊接腹电惯性理论转弯时间实际转弯跟踪板折角C)时间AT? /s A/s时间AT/s效果250. 401. 982 05好251. 002 002 34好252 002 002 76好400. 401. 972 03好401. 002 002 45好