基于Motoman- UP6 焊接機器人對滾珠軸承的修補路徑規劃仿真

栗 瑞 李宏杰 蔡宗琦 魯 磊

（太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原030024）

在機械生產中，有大量滾珠軸承零件由于各種原因造成磨損、表面缺陷等等，細微的損壞影響精度和效率而進行更換會造成資源浪費，而零件修復正好可以解決此類問題。滾珠軸承零件的表面缺陷可以將待修復的表面缺陷部分提取為弧線或者直線軌跡，焊接機器人末端執行器按此位置軌跡移動的同時也伴隨著姿態變化，其位姿變化軌跡較復雜。本文針對Motoman-UP6 型弧焊機器人實現焊接對軸類零件軌跡運動仿真，這對研究機器人自動化焊接找出最優修復路徑具有重要意義。

圖1 滾珠軸承待修補零件

1 機器人建模

UP-6 機器人坐標系數學模型建立：

Motoman-UP6 機器人由六個部分組成，分別為腰關節、肩關節、大臂、肘關節、小臂和腕關節。將標準D-H 坐標系用于對UP6 機器人的各組件進行建模。 腰關節的坐標系與UP6 機器人的基本坐標系匹配，將六個軸關節和六個旋轉關節的軸線用作運動變量，并遵循右手法則對此機器人建立坐標系。

UP6 機器人組件的坐標系用轉角、扭角、桿長和偏距，四個構件參數來描述（圖2）。

2 待修補滾珠軸承的焊接軌跡規劃

2.1 提取離散點

本課題中待修補的零件為一個軸類的圓柱，其直徑大約為36mm 如圖3 所示?？蓪扪a的部分軌跡按照直線或者曲線劃分進行修補，先將待修補零件的STL 格式導入matlab 中，在matlab 中對其帶修補的部分進行離散，標定出離散的坐標點，選取坐標點進行直線或者曲線修補軌跡的規劃。

表1 UP-6 機器人的D-H 參數

圖2 UP-6 機器人D-H 坐標模型

圖3 待修補滾珠軸承離散點

2.2 對離散點進行修補軌跡規劃

2.2.1 待修補滾珠軸承的空間直線插補算法

將重新建模的軸承端部零件提取出的直線坐標點進行直線修補控制路徑規劃，Up-6 機器人末端執行器沿兩點進行運動，保持其末端執行器的姿態不變，只改變運動的位置。即中間點沒有姿態插補，只有位置插補。已知起始點和終止點的位姿。

設v 是沿線運動的速度，t 是插補的時間間隔。計算直線線長度為：

T 時間內的行程為：

插補的總步數N 為的整數部分；

解得各軸的增量分別為：

從而求得各個插補點的坐標值：

將待修補部分提取到的兩個坐標點進行坐標變換得到待修補路徑的始末點分別為：P0(0.5 0 0.5)，P1(0 0.5 0.5)，利用逆運動學換算成關節角度，從而規劃機器人的運動路徑。

圖4 直線路徑末端軌跡 角度 速度 加速度

2.2.2 待修補滾珠軸承的空間圓弧插補算法

式中：

圖5 圓弧路徑末端軌跡 角度 速度 加速

3 結論

通過建立Motoman-UP6 機器人的D-H 參數模型，通過增大待修復滾珠軸承磨損部分的縱向和橫向面積，對待修補零件用solidworks 重新建模，并且導入Matlab 結合三維空間進行坐標標定，大大提高了修復模型的精確性也降低了修復工藝的復雜程度。在機器人正逆運動學的分析基礎上，可以推出機器人運動過程中各個關節角度。分別運用了直線插補法和圓弧插補法計算待修補軸承端部零件凹槽處插補點坐標值，將五次多項式插值法帶入到軌跡規劃中對軌跡進行仿真，得到了直線和弧線路徑下機器人末端執行器的行走路徑及各個關節的角度、角速度、角加速度。為進一步對機器人的修補軌跡規劃優化和機器人能夠平穩準確運動奠定了實驗基礎。