焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與軌跡規(guī)劃

唐健

摘要：本文是在pr1400焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程及軌跡進(jìn)行了分析并采用標(biāo)準(zhǔn)d-h建立坐標(biāo)系。同時(shí)利用matlab機(jī)器人工具箱建立運(yùn)動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)仿真，得到光滑的角加速度、關(guān)節(jié)角位移、角速度的變化曲線及運(yùn)動(dòng)末端軌跡曲線。更重要的是仿真模擬可以使研究人員避免一些計(jì)算錯(cuò)誤，提高機(jī)器人軌跡規(guī)劃的可靠性。

Abstract： This paper is based on pr1400 welding robot. The whole structure and kinematics process and trajectory are analyzed and the coordinate system is established by standard d-h. At the same time， the matlab robot toolbox is used to establish the motion model and motion simulation， and the smooth curve and end-of-track curve of angular acceleration， joint angular displacement and angular velocity are obtained. More importantly， simulation can help researchers avoid some computational errors and improve the reliability of robot trajectory planning.

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；仿真；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；軌跡規(guī)劃

Key words： welding robot；simulation；kinematics analysis；trajectory planning

中圖分類號(hào)：TP242.2；TH113.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）06-0122-03

1 介紹

隨著中國(guó)制造2025的提出，我國(guó)的工業(yè)化水平在不斷地發(fā)展，產(chǎn)品和技術(shù)在不斷地推陳出新。產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化也在不斷提高，相應(yīng)的焊接機(jī)器人的發(fā)展處于日新月異[1]。大量的焊接機(jī)器人投入到工業(yè)生產(chǎn)之中，扮演著越來(lái)越重要的角色。對(duì)于焊接機(jī)器人的研究來(lái)說(shuō)，其具有研究的成本高、周期長(zhǎng)等不利缺點(diǎn)[2]。所以針對(duì)這樣的問(wèn)題，研究人員利用仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與結(jié)果模擬出來(lái)，這樣就能更快更方便的得到準(zhǔn)確的方案[3]。在本文中，我們分析了焊接機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)，同時(shí)建立了標(biāo)準(zhǔn)d-h參數(shù)法下的坐標(biāo)系，求解出連桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程。同時(shí)利用matlab工具箱對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了相應(yīng)的模擬，并規(guī)劃處軌跡曲線。建立6個(gè)環(huán)節(jié)的離線軌跡規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其建立solidworks實(shí)行模型進(jìn)而分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

2 pr1400焊接機(jī)器人D-H坐標(biāo)系模型

焊接機(jī)器人pr1400是由腰座、肩部、大臂、肘部、小臂、腕部組成。在機(jī)器人末端加裝有焊槍，在肘部上方加裝有送絲機(jī)。該款焊接機(jī)器人共有六個(gè)自由度，依次為肩部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、肘部俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕末端法蘭回轉(zhuǎn)。[4]在圖1所示的坐標(biāo)系包括4個(gè)參數(shù)連桿偏移“d”、角度“θ”、關(guān)節(jié)長(zhǎng)度“a”和旋轉(zhuǎn)角度“α”。這里的關(guān)節(jié)角度“θ”是關(guān)節(jié)變量，其他三個(gè)參數(shù)值保持不變。具體參數(shù)值見(jiàn)表1。

3 pr1400焊接機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

從表2上中比較仿真值和計(jì)算值的數(shù)據(jù)得到兩者是一樣的，所以結(jié)果是三維模型的建立是正確的，可以用來(lái)進(jìn)行軌跡的規(guī)劃。

6 pr1400焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真

對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃是基于其要完成的基本任務(wù)來(lái)設(shè)定的，同時(shí)搭建各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程，可得到末端的位置和方向，這樣就能良好保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。[5]軌跡規(guī)劃也可以在操作空間和關(guān)節(jié)空間上進(jìn)行，在本文中，是從點(diǎn)到點(diǎn)來(lái)描述，即用關(guān)節(jié)角度表示時(shí)間函數(shù)來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)軌跡。[6]

6.1 pr1400焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃

7 結(jié)論

每一個(gè)關(guān)節(jié)角位移是從0弧度逐漸變化到圖5和圖6的第一列中的“qr”中的末端關(guān)節(jié)角。第二列各關(guān)節(jié)角速度初始和結(jié)束速度都是是0，而最大速度在中間在時(shí)間t =1秒。加速度曲線在第三列，從初始位置到結(jié)束位置角度從0到各個(gè)值，且其中最大值出現(xiàn)在正負(fù)方向上的運(yùn)動(dòng)之間。總體情況而言，角位移曲線、速度曲線、加速度曲線相對(duì)平滑且無(wú)突變，表明機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的振動(dòng)產(chǎn)生。pr1400機(jī)器人從初始位置“qz”到終止位置“qr”后2S和時(shí)間采樣間隔0.1秒，且運(yùn)動(dòng)曲線是平滑的，使得機(jī)器人在操作過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力小，保證了焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]周律，陳善本，林濤，陳文杰.基于局部視覺(jué)的弧焊機(jī)器人自主焊接軌跡規(guī)劃[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（1）：49-52.

[3]陳魯剛，平雪良，徐稀文，吉祥.基于ADAMS的焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，10（2）：196-200.

[4]欒佳繪，童一飛，李東波.基于模糊理論的pr1400焊接機(jī)器人系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2017，46（4）：38-41.

[5]魏召剛，羅鶴暉.基于動(dòng)力學(xué)模型的移動(dòng)焊接機(jī)器人焊接軌跡自動(dòng)跟蹤[J].電焊線，2015，45（2）：82-85.

[6]閆華，劉極峰，邱勝海，王孜凌.空間焊縫弧焊機(jī)器人焊接路徑自動(dòng)規(guī)劃研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015，08（2）：106-107.endprint