六自由度機(jī)器人焊接軌跡研究

張 用，郝衛(wèi)東，朱博譞，李 君，苗國(guó)強(qiáng),劉芳平

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

?

六自由度機(jī)器人焊接軌跡研究

張 用，郝衛(wèi)東，朱博譞，李 君，苗國(guó)強(qiáng),劉芳平

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

焊接軌跡是機(jī)器人焊接時(shí)所行走的軌跡，焊接軌跡算法是控制機(jī)器人焊接軌跡的數(shù)學(xué)模型，本文提出一種通過(guò)測(cè)量機(jī)器人基坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣方法，計(jì)算出工件坐標(biāo)系與焊接機(jī)器人基坐標(biāo)系間的間接標(biāo)定方法，通過(guò)控制器系統(tǒng)控制機(jī)器人焊接，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法正確可行并成功應(yīng)用工程中。

焊接機(jī)器人 ；坐標(biāo)系標(biāo)定;焊接軌跡

0 引言

六自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人在汽車制造和機(jī)械加工的焊接、噴涂、裝配、搬運(yùn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。焊接機(jī)器人工作時(shí)，需要借助示教器或仿真編程來(lái)預(yù)設(shè)作業(yè)任務(wù)。在機(jī)器人示教器在線編程中，必須解決實(shí)際作業(yè)對(duì)象的模型對(duì)象的校正問題，即機(jī)器人坐標(biāo)系標(biāo)定問題[1]。胡靜等人提出建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制[2]。宋月娥等人針對(duì)工件標(biāo)定的問題，提出了通過(guò)調(diào)整仿真單元中工件與實(shí)際環(huán)境中工件位姿校正的坐標(biāo)系標(biāo)定算法[3]。標(biāo)定方法可分為前向(或開環(huán))標(biāo)定或逆標(biāo)定[4]。前向標(biāo)定一般需要借助測(cè)量設(shè)備進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定，可以獲得很高的精度，如：光學(xué)CMM系統(tǒng)精度約為±100 μm[5]，激光測(cè)距系統(tǒng)精度約為±40 μm[6]。逆向標(biāo)定一般直接采集機(jī)器人各關(guān)節(jié)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定。這些方法都是通過(guò)對(duì)工件坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量以校核工件坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)的變換矩陣。針對(duì)工件坐標(biāo)系標(biāo)定問題，提出一種通過(guò)測(cè)量機(jī)器人基坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，算出工件坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣的間接標(biāo)定方法。

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)步，很大程度上滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，但其實(shí)用化程度不高，還需進(jìn)一步研究，采用模塊化設(shè)計(jì)的離線編程系統(tǒng)，具有良好的開放性，易于擴(kuò)展[7-9]。本文以FS30L機(jī)器人為本體，在VS2010環(huán)境下開發(fā)具有采集測(cè)量機(jī)器人基坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣的間接標(biāo)定方法，其與本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，已經(jīng)成功在實(shí)際工程中控制FS30L機(jī)器人進(jìn)行焊接。

圖1 六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法流程圖

1 FS30L 六自由度機(jī)器人焊接軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)算法控制

六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法流程如圖1所示。首先建立機(jī)器人坐標(biāo)系，得到各個(gè)連桿變換矩陣，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步變換得到各個(gè)連桿變換矩陣的逆矩陣，同時(shí)將得到的各個(gè)連桿變換矩陣進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，將變換矩陣依次相乘，得到機(jī)器人正解，得到其中一組解；同理，將各個(gè)連桿變換矩陣的逆矩陣依次左乘正解逆矩陣，即可得到多組解，同時(shí)引入評(píng)價(jià)函數(shù)，選擇最優(yōu)解，至此整個(gè)過(guò)程結(jié)束。

2 焊接機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立和分析

根據(jù)機(jī)器人焊接系統(tǒng)各模塊間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和位置關(guān)系，可以將坐標(biāo)系群分為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(含基坐標(biāo)系和焊絲端頭坐標(biāo)系)、測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系、焊件坐標(biāo)系和焊縫坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系采用D-H方法建立，如圖2所示。其中坐標(biāo)系O為基坐標(biāo)系，坐標(biāo)系1、坐標(biāo)系2、坐標(biāo)系3、坐標(biāo)系4、坐標(biāo)系5、坐標(biāo)系6為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系S為焊絲端頭坐標(biāo)系，坐標(biāo)系H為焊件坐標(biāo)系，坐標(biāo)系h為焊縫坐標(biāo)系。

圖2 焊接系統(tǒng)坐標(biāo)系

在焊接作業(yè)中，機(jī)器人焊絲端頭應(yīng)始終位于所規(guī)劃的焊縫上。參照?qǐng)D2可以給出機(jī)器人焊接系統(tǒng)完整坐標(biāo)系之間的廣義變換方程。為保證焊絲端頭坐標(biāo)系S到基坐標(biāo)系O的變換與焊縫坐標(biāo)系h到機(jī)器人基坐標(biāo)系O的變換相同，則要求有：

0T6·6TS=0TH·HTh

(1)

HTh為焊縫坐標(biāo)系在焊件坐標(biāo)系H的齊次變換矩陣，0TH為焊件坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系O的齊次變換矩陣，6Ts為焊絲端頭坐標(biāo)系在機(jī)器人末端三連桿腕中心坐標(biāo)系6的齊次變換矩陣，0T6為機(jī)器人末端三連桿中心坐標(biāo)系6到基礎(chǔ)坐標(biāo)系O的齊次變換矩陣，如式(2)：

(2)

坐標(biāo)系標(biāo)定測(cè)量的目的是通過(guò)測(cè)量基坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系在測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣，再根據(jù)式(3)計(jì)算工件坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣。

(3)

坐標(biāo)系測(cè)量的實(shí)質(zhì)與工件定位相同，因此可以根據(jù)工件定位原理測(cè)量坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的具體測(cè)量方法與工件的形狀有關(guān)，宋月娥等人針對(duì)不同形狀的工件，提出了正交平面工件標(biāo)定法[3]。針對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系的建立特點(diǎn)，可以采用正交平面工件標(biāo)定法進(jìn)行測(cè)量。工件坐標(biāo)系的測(cè)量則根據(jù)工件的定位原理選擇不同的標(biāo)定方法。

3 焊接機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)。根據(jù)Craig定義法，參照?qǐng)D2可以建立如表1所示的機(jī)器人本體參數(shù)表。

表1 機(jī)器人本體參數(shù)表

(4)

(5)

HTh為焊縫坐標(biāo)系在焊件坐標(biāo)系H的齊次變換矩陣，則有：

(6)

計(jì)算式(1)的右邊可以得出焊縫坐標(biāo)系h，由基礎(chǔ)坐標(biāo)系O的齊次變換矩陣，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向求解方法可以求出機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向求解過(guò)程中采取六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的一般做法，即由手部位姿反求各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。其中前三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與機(jī)器人末端坐標(biāo)空間位置相關(guān)，后三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與機(jī)器人末端坐標(biāo)空間姿態(tài)相關(guān)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算可解得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角公式：

(7)

(8)

在式(8)中，cos(θx)表示為cx，sin(θx)表示為sx，cos(θx+θy)表示為cxy，sin(θx+θy)表示為sxy。通過(guò)以上公式便可以計(jì)算出焊縫軌跡對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值，根據(jù)轉(zhuǎn)角值可控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接運(yùn)動(dòng)。

4 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)流程圖

目前，工業(yè)焊接機(jī)器人已經(jīng)在工廠大面積普及運(yùn)用，對(duì)機(jī)器人控制采用在線編程，即用示教器在手動(dòng)狀態(tài)下控制機(jī)器人示教，同時(shí)控制系統(tǒng)將手動(dòng)示教狀態(tài)下機(jī)器人運(yùn)行軌跡程序自動(dòng)保存，焊接時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)程序即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)焊接。為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制需要，在本工程中六自由度焊接機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

焊接啟動(dòng)開始時(shí)，先對(duì)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)初始化，系統(tǒng)檢測(cè)焊接機(jī)器人焊槍頭是否在零點(diǎn)附近，若機(jī)器人不在零點(diǎn)，此時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人回零點(diǎn)；若檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)器人在零點(diǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入工作方式選擇中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接需要，若沒有示教，則需要手動(dòng)示教；若焊接已有示教的軌跡，則不需要示教，此時(shí)控制系統(tǒng)讀取DSP控制器運(yùn)行內(nèi)存文件裝載運(yùn)行位置，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，例如選擇運(yùn)行速度等。啟動(dòng)伺服運(yùn)行，同時(shí)不斷更新顯示。系統(tǒng)根據(jù)規(guī)定路徑和數(shù)據(jù)運(yùn)行，若6個(gè)軸中有某軸超過(guò)設(shè)置空間角度，則報(bào)警；焊接完成時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)焊槍到達(dá)的目標(biāo)位置，此時(shí)要回零點(diǎn)。至此，一個(gè)焊接周期正式結(jié)束。

5 結(jié)論

此六自由度機(jī)器人焊接軌跡算法及其軟件控制部分，成功運(yùn)用到工程項(xiàng)目中，實(shí)踐證明此思路正確可行。

[1] JOUBAIR A, BONEV I A. Non-kinematic calibration of a six-axis serial robot using planar constraints[J]. Precision Engineering,2015,40: 325-333.

[2] 胡靜,姜大偉,王華振，等.基于一級(jí)倒立擺模型仿人機(jī)器人控制算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(12):92-95.

[3] 宋月娥,吳林,田勁松，等.用于機(jī)器人離線編程的工件標(biāo)定算法研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(6):735-738.

[4] SHI H, SU H J,DAGALAKIS N, et al. Kinematic modeling and calibration of a flexure based hexapod nanopositioner[J]. Precis Eng,2013,37(1):117-28.

[5] NUBIOLA A, SLAMANI M, JOUBAIR A, et al. Comparison of two calibration methods for a small industrial robot based on an optical CMM and a laser tracker[J].Robotica , 2013, 32(3)：447-466.

[6] JOUBAIR A, NUBIOLA A, BONEV I A. Calibration efficiency analysis based on fiveobservability indices and two calibration models for a six-axis industrial robot[J].SAE Int J Aerosp, 2013,6(1):161-168.

[7] 唐濤宇.機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[8] HE R B, ZHAO Y J, YANG S N, et al. Kinematic-parameter identification for serial-robot calibration based on POE formula[J].IEEE Transactions on Robotics,2010, 26(3): 411-423.

[9] 李憲華,郭永存,張軍，等.基于MATLAB 的模塊化機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)算法驗(yàn)證及運(yùn)動(dòng)仿真[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013,30(6):1682-1685.

Study on welding trajectory of 6 degree of freedom robot

Zhang Yong, Hao Weidong, Zhu Boxuan, Li Jun, Miao Guoqiang, Liu Fangping

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004， China)

Welding trajectories are the walking tracks of robots when they are welded, and the welding trajectory algorithm is a mathematical model which can control these welding trajectories. Homogeneous transformation matrix method, which can achieve the transformation among robot base coordinate system, workpiece coordinate system and measurement system coordinate system is proposed in this paper, to calculate the indirect calibration between workpiece coordinate system and welding robot base coordinate system, then to control robot welding through Controller System. This method is proved to be correct, feasible and applied in engineering successfully.

welding robot; coordinate system calibration; welding trajectories

TP24

A

1674-7720(2016)07- 0016- 03

張用，郝衛(wèi)東，朱博譞，等. 六自由度機(jī)器人焊接軌跡研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(7)：16-18.

2015-12-11)

張用(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人。

郝衛(wèi)東(1964-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：嵌入式技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人。