六自由度弧焊機器人運動及位姿控制

張文明，云秀超，李曉旭，姜家高

ZHANG Wen-ming, YUN Xiu-chao, LI Xiao-xu, JIANG Jia-gao

(沈陽大學 機械工程學院，沈陽 110044)

0 引言

弧焊機器人技術代表了機電一體化技術的最高研究成果，涉及機械工程，電子技術，計算機技術，自動控制理論及人工智能等多門學科，是當代科學技術發展最活躍的領域之一。機器人的運動學是機器人進行運動控制基礎，著重研究機器人各個坐標系之間的運動關系。為了控制機器人的運動，首先需要在機器人中建立不同坐標系。例如，在弧焊機器人中，作為參考的坐標系叫基坐標系，描述工件擺放位置叫工件坐標系。描述末端位置和姿態的笛卡兒坐標系等。

1 坐標系

1.1 坐標系說明

在說明機器人運動學前，必須對坐標系有所了解，在不同坐標系下姿態描述表達出的結果也不同。為了規范起見，有必要給機器人和工作空間專門命名和確定專門的標準坐標系。接下來，介紹的5個坐標系的命名以及隨后在機器人的編程和控制系統中的應用。所有機器人的運動都將在這些坐標系下進行描述。

1.2 坐標系命名

1）基坐標系{B}基坐標系{B}位于操作臂的基座上。

2）工作臺坐標系{S}工作臺坐標系{S}的位置與任務相關。

3）腕部坐標系{W}腕部坐標系{W}附于操作臂的末端連桿。

4）工具坐標系{T}工具坐標系{T}附于機器人夾持工具的末端。

5）目標坐標系{G}目標坐標系{G}是機器人移動工具時對工具位置的描述。各個坐標系關系由圖1所示。

圖1 標準坐標系

2 機器人運動學

2.1 位置的描述

對于直角坐標系{A}，空間任一點P的位置可用3×1的列矢量AP表示。其中，Px，Py，Pz，是點P在{A}中的3個坐標分量。稱AP為位置矢量。如圖2所示。位置矢量AP的前置上標“A”表示位置矢量的參照坐標系。

圖2 位置矢量

2.2 姿態的描述

在基坐標系基礎上建立另個坐標系，設為{H}。新的坐標系單位矢量為n，o，a，把單位矢量向基坐標系做投影，就是取方向余弦。區分每個方向余弦，會加下標作為區分。記作nx，ny，nz；Ox，Oy，Oz和ax，ay，az。不同方向取的方向余弦不同，用這種方法可以在基坐標系下表示姿態。如圖3所示。

圖3 姿態表示

通過以上介紹，弧焊機器人的工作軌跡可以有多個點組成，每個點又可以控制位置和姿態。每個點可以用標準矩陣表示，通過位置點矩陣和姿態點矩陣進行表示，為了在計算時方便我們用4×4矩陣表示，即T。

2.3 齊次坐標變換

坐標系{B}與坐標系{A}各個坐標軸平行，但是坐標原點位置不同，已知BP，想在A坐標系中表示點P，這種變換叫平移坐標變換，可由B坐標直接加兩個原點的差值即可獲得。

坐標系{B}與坐標系{A}的原點相同，但是各個軸的方向不同，同樣，點P在{B}坐標系中已知BP，想在坐標系{A}中表示，稱為旋轉坐標系變換。任何復雜旋轉都可由繞X，Y，Z，旋轉獲得，為了方便讀者，總結出簡單矩陣如下，找好旋轉順序，依次左乘矩陣即可。

3 在SR_CAM_SOFTWARE（新松機器人軟件）中位姿控制的應用

利用橫滾（R），俯仰（P）和偏轉（Y）角表示剛體的姿態，可以認為是在笛卡兒坐標系的基礎上，先繞Z軸旋轉角度，在繞新的Y軸（'Y）旋轉角度，在繞新的X軸旋轉角度旋轉角度和稱為RPY角，以此表示所有姿態。RPY變換在基坐標系中的表示為。

作業：以一個正方形為例，以45度角焊接一個正方形，如何控制簡單行走，和姿態控制方法如下：

步驟1：打開軟件，建立一個作業，填寫名稱，備注，說明等。并選擇與實物匹配的機器人型號。

步驟2：標定出用戶坐標，工件坐標，通過NOAP轉換，確定坐標系，在軟件中導入掛靠與實體表現一致。

步驟3：點擊“虛擬試教”→“目標”→“試教目標”創建第一點，右鍵點擊目標點，“調整位姿”填寫坐標，確定第一點位置，“記錄當前位置”。點擊機器人名稱，用直線JOG進行運動，調整X方向數值。同樣方法做出4個點。按照作業標準，做出個符合大小要求的正方形。此過程只是走出大小一致的運動軌跡，沒有對位姿加以調整，在焊接過程中，位姿的控制與軌跡控制一樣重要。對這個簡單作業，先介紹一下想法，在每個頂點處在建立個點坐標的位置是相同的，就是位置點是相同的，但是這兩個點的位姿是不同的，通過作業要求改變點的位姿，一共7個點，1和2點控制行走第一條軌跡的位姿，2和3點重合，但是3和4點控制行走第二條軌跡的位姿，依次循環，即可完成作業中所有要求。還需說明是在行走過程中的速度通過焊接工藝要求來確定，在同一點的運動速度要快，是為了作業要求而添加的，如果焊接工藝要求嚴格，可以在焊接過程中，斷弧，在引弧保證工藝的要求。

對具體操作進行簡單說明。為了完成作業要求我們需要把每個點姿態進行調整，就是把點的角度進行修改。在軟件中，工具坐標要與軌跡坐標重合，調整角度，即把每個頂點改成焊接工藝實際角度即可。以第一點為例，如圖4所示，最上面為選擇坐標系，有3個選項，為了方便使用選擇Local，是相對于建立好的點進行調整，調整為想要的角度。Parent是相對于基坐標系改變點的角度與位置，在觀察時通常用第2，3個命令進行觀察。第2選項是坐標選項就是描述點的位置，此作業是由上面交代完，不需要調整，在此處說明，是為后面改點坐標時使用。第3選項，需要著重簡述，是調整角度主要使用部分，也就是控制位姿。調整時，注意要相對某個坐標進行改動，不同的參考系，調整后結果也是不同的，要對每個坐標系有清晰的認識。還要對X,Y,Z有清晰了解，在調整角度時，證據具體需要進行調整。1和2點的位置坐標不同但是角度相同，即為所需要的姿態，2和3點坐標相同，但是姿態不同，是為了和下一點構成要求姿態的軌跡。后面點以此類推。可完成作業。三維顯示窗口顯示為軌跡頂點坐標，如圖5所示。

圖4 調整位姿

圖5 仿真軌跡

步驟4：在軟件中進行仿真，檢查是否符合作業要求。通過觀察機器人的行走軌跡和姿態來確定作業是否完成，還要觀察下面提示框是否有錯誤，每個軸自由度是否在工作范圍內，是否有突變，是否有奇異點等，具體情況因作業而定，確定作業正確。

步驟5：點擊“虛擬控制器”把軟件與機器人實體進行連接，完成仿真。

4 結束語

在老師指導下，經過多次試驗，并且對大量文獻進行閱讀，在其他人的研究結果下，通過與實踐相結合，文章中對知識進行簡單解讀同時展現了實驗仿真結果。經過此論文說明，讀者可對弧焊機器人的使用進一步了解，在焊接機器人位姿與運動的相關問題可以作為知識基礎進行參考。最后，謝謝老師細心指導！

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