才 洋 于功志
(大連海洋大學(xué),遼寧 大連 116023)
焊接機(jī)器人是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì),是“中國(guó)制造2025”和“工業(yè) 4.0”的重要研究領(lǐng)域,在工業(yè)應(yīng)用中占比52.8%以上,被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”和“工業(yè)的裁縫”[1],從小型家具到航空航天的尖端產(chǎn)品都有其大規(guī)模應(yīng)用身影。根據(jù) IFR 的報(bào)告,我國(guó)已成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng),占有量達(dá)33%,世界傳統(tǒng)制造業(yè)也將從大批量單一化生產(chǎn)向小批量多元化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型[2],生產(chǎn)設(shè)備安全性需求將進(jìn)一步提高。同時(shí),制造業(yè)還將面臨高級(jí)技術(shù)工人的嚴(yán)重短缺問(wèn)題,其中造船業(yè)90% 的工作仍依賴于人力。但它的出現(xiàn)有效解決了人口紅利不足、供需關(guān)系失衡、勞動(dòng)密集型企業(yè)用工難、人力技術(shù)不濟(jì)等問(wèn)題,使“一人一工位”的傳統(tǒng)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蝗艘粭l線”的智能制造模式。其多項(xiàng)核心技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè),仿真技術(shù)經(jīng)過(guò)多階段多層次的發(fā)展,已可從不同角度進(jìn)行應(yīng)用。
迄今為止,不同種類與構(gòu)型的機(jī)器人應(yīng)用各式的設(shè)計(jì)和分析求解方法,如邢紅輝等[3]、冷玉珊等[4]對(duì)串聯(lián)機(jī)器人完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析;程堂燦等[5]、薛良豪等[6]、黃旭楠等[7]均對(duì)特定型號(hào)與構(gòu)型的焊接機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析和軌跡規(guī)劃,在分析中他們均采用了運(yùn)動(dòng)學(xué)D-H 建模法,在求解上分別采用了迭代法、數(shù)值法與結(jié)合算法,對(duì)機(jī)械臂本體模型、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證分析并得出結(jié)論;朱志明[8]利用蒙特卡洛法求解了焊接機(jī)器人的工作空間;宮成[9]完成了礦用智能遙控搬運(yùn)拖拽機(jī)器人研發(fā);楊愷等[10]設(shè)計(jì)了一種巡線機(jī)器人,通過(guò)Matlab 仿真分析驗(yàn)證了該機(jī)器人的合理性。
但目前此類拖拽式焊接機(jī)器人缺乏完整的仿真分析與實(shí)驗(yàn)方案,現(xiàn)基于Matlab 對(duì)該機(jī)械臂進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,即MDH 參數(shù)建模、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解、模型驗(yàn)證、軌跡規(guī)劃和工作空間分析。綜上所述,仿真技術(shù)作為機(jī)械臂核心技術(shù)中的重要保障與前提,對(duì)其制訂實(shí)驗(yàn)方案是必要的。
當(dāng)前示教方式包括拖拽示教、遙控示教及示教盒示教,該型號(hào)機(jī)器人可在智能編程的基礎(chǔ)上結(jié)合拖拽示教。在實(shí)際生產(chǎn)中,拖拽示教具有操作簡(jiǎn)單、靈活、高效、安全等優(yōu)點(diǎn),能夠在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜任務(wù),結(jié)合智能編程提升生產(chǎn)能力。該實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行分析求解,即處理運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的表示與求解問(wèn)題,分析求解過(guò)程中忽略外力的影響,最終獲取機(jī)械臂關(guān)節(jié)中心點(diǎn)與大地坐標(biāo)系之間的位姿映襯關(guān)系,求解末端執(zhí)行器與大地坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)信息。
拖拽式焊接機(jī)器人支持通過(guò)拖拽控制器移動(dòng)示教,其系統(tǒng)內(nèi)部的工作流程包括感知、規(guī)劃、控制和反饋等,拖動(dòng)后各關(guān)節(jié)編碼器記錄位置信息,形成軌跡數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。下次啟動(dòng)時(shí),在電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)下機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸會(huì)依次經(jīng)過(guò)先前采集點(diǎn),完成軌跡再現(xiàn)[11]。
工作前首先確保機(jī)械臂與工作總站處于安全狀態(tài),其次檢查整體軟硬件的連接,如通信與機(jī)械安裝,然后選擇加工程序、調(diào)配技術(shù)參數(shù),結(jié)合自動(dòng)編程選擇拖拽示教。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前可選擇仿真分析與焊接模擬,前置工作準(zhǔn)備完成后啟動(dòng)自動(dòng)焊接模式。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)需求采取機(jī)械臂工作模式下的策略、算法與數(shù)據(jù)庫(kù),針對(duì)不同工況進(jìn)行軌跡掃描與焊接工藝的選擇。最后檢查焊縫質(zhì)量與焊接軌跡,將機(jī)械臂手動(dòng)拖拽或自動(dòng)回零,關(guān)閉電源清理工作區(qū)域,進(jìn)行后續(xù)處理。具體工作示意如圖1 所示。

圖1 拖拽式焊接機(jī)器人工作示意圖
該拖拽式焊接機(jī)器人的構(gòu)成主要包括基座(控制工程機(jī))、機(jī)器人上下臂、關(guān)節(jié)模組(J1~J6軸)、末端工具法蘭、通訊與電源電纜、拖拽控制器。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)軸中都配有獨(dú)立的伺服電機(jī)和編碼器。圖2 為拖拽式焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖。

圖2 拖拽式焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
針對(duì)該拖拽式焊接機(jī)器人使用改進(jìn)DH(Denavit-Hartenberg)建模法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,該拖拽式焊接機(jī)器人的DH 參數(shù)見(jiàn)表1。建立過(guò)程中使大地坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)重合,建立的坐標(biāo)系模型如圖3 所示。

表1 拖拽式焊接機(jī)器人DH 參數(shù)表

圖3 拖拽式焊接機(jī)器人D-H 模型圖
在拖拽式焊接機(jī)器人各軸心上建立坐標(biāo)系,分析各軸間坐標(biāo)系變化關(guān)系,通過(guò)矩陣進(jìn)行表達(dá)與計(jì)算,得到基座到末端關(guān)節(jié)軸的總位姿矩陣。
拖拽式焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包含正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面,其本體為較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在分析求解時(shí),關(guān)節(jié)參數(shù)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的推導(dǎo)較為繁瑣,其中分析求解可采用代數(shù)法、分離變量法、幾何法和迭代法等。該實(shí)驗(yàn)采用迭代法求解,具體流程如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解流程圖
求運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是在已知拖拽式焊接機(jī)器人的DH 參數(shù)與關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下,求解關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)系的位姿、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。對(duì)其建立運(yùn)動(dòng)方程,又稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析。零點(diǎn)基坐標(biāo)系與關(guān)節(jié)末端坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程,用矩陣T表達(dá):
式 中:Rot(z,θi)和Rot(x,αi)分別表示繞Z軸、X軸旋轉(zhuǎn)一定關(guān)節(jié)角度的變換矩陣;Trans(z,di)和Trans(x,αi)分別表示沿Z軸、X軸平移一定位置量的變換矩陣。
展開(kāi)式(1)得:
齊次變換矩陣如下:
將齊次變換矩陣連乘得到如下矩陣:
式中:px、py、pz為空間向量,表示機(jī)器人在空間中X、Y、Z三軸位置形成的空間坐標(biāo)點(diǎn)。代入機(jī)器人關(guān)節(jié)信息,對(duì)以上正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析式展開(kāi)求解,可求得唯一解。
式(5)和式(6)為化簡(jiǎn)應(yīng)用和角公式:
根據(jù)給出的D-H 參數(shù),運(yùn)用Matlab 得出T矩陣表達(dá)式,這里設(shè)d1=D1,a3=A2,d4=D2,d6=D3。其中 Si=sinθi,Ci=cosθi。式(4)中計(jì)算結(jié)果如下:
將機(jī)械臂D-H 參數(shù)表中關(guān)節(jié)變量值導(dǎo)入式(4),求得結(jié)果如下:
如圖5 所示,將X、Y、Z值對(duì)照運(yùn)動(dòng)學(xué)正解第四列結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可見(jiàn)與之完全吻合。針對(duì)該關(guān)節(jié)變量值與位姿,現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合拖拽示教與編程示教驗(yàn)證了拖拽式焊接機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的正確性。

圖5 關(guān)節(jié)模型與變量圖
對(duì)拖拽式焊接機(jī)器人求逆解,即在已給定其幾何參數(shù)與對(duì)應(yīng)參考坐標(biāo)系下預(yù)期位姿時(shí),求解本體可達(dá)的關(guān)節(jié)變量,又稱為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的綜合。該部分采用牛頓-拉夫遜迭代法,限制實(shí)驗(yàn)初始值求解非線性方程,運(yùn)用函數(shù)計(jì)算雅可比,不斷進(jìn)行迭代直至收斂。該方法具備求解連續(xù)且快速的優(yōu)點(diǎn),具體過(guò)程如下。
首先建立運(yùn)動(dòng)學(xué)非線性方程組:
式中:f(x) 表示機(jī)械臂正向運(yùn)動(dòng)學(xué),Pd表示末端執(zhí)行器期望位姿。
假設(shè)r為F(x)=0 的根,選取x0為r的初始近似值,通 過(guò)點(diǎn) (x0,f(x0)) 作曲線y=f(x)的切線L,切 線與x軸存在交點(diǎn),得到切線方程:
求出切線L與x軸的交點(diǎn)x1,以此類推,不斷求出切線L與x軸的交點(diǎn)直到無(wú)限接近于0,得到第k次的迭代公式為
式中:F′(xk)表示方程的雅可比矩陣。
在Matlab 中定義最大迭代步數(shù)與誤差閾值,定義當(dāng)前關(guān)節(jié)角度為迭代起始角,得到非線性十二維單解方程組,即誤差方程組。運(yùn)行迭代,得到雅可比F′(xk),據(jù)式(14)推算出下一關(guān)節(jié)角度,并更新非線性方程,判斷達(dá)到最大迭代次數(shù)后退出while 循環(huán),求出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)最優(yōu)關(guān)節(jié)角度。變換后的式(4)表達(dá)如下:
以上利用牛頓-拉夫遜迭代公式求解機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué),也可利用SVD 形式求解,它是一種求非方陣偽逆的計(jì)算方法。
通過(guò)運(yùn)算得到的關(guān)節(jié)弧度與機(jī)械臂位姿經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拖拽示教驗(yàn)證,到達(dá)位姿與點(diǎn)位信息同計(jì)算結(jié)果完全一致。
該部分選取了 3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)拖拽式焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別 為[π/3,π/2,0,0,0,0]、[π/3,π/2,π/4,π/4,π/6,0]、[π/4,π/6,π/3,π/3,0,π/6]。實(shí)驗(yàn)中采取了兩種方式,其一為打開(kāi)機(jī)械臂的自動(dòng)模式,輸入期望關(guān)節(jié)角,手持并啟動(dòng)拖拽器,協(xié)同拖動(dòng)多關(guān)節(jié)軸與末端執(zhí)行器使機(jī)械臂到達(dá)預(yù)期位姿;其二為調(diào)用上位機(jī)與機(jī)械臂通訊,采用編程控制與示教器示教工作。兩種方式均將位姿信息作為輸入,輸出運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,取得驗(yàn)證結(jié)果一致,但拖拽示教在保持精度的同時(shí)節(jié)約了近一半的工作時(shí)間,且大大降低了操作難度。計(jì)算得出機(jī)械臂姿態(tài),如圖6~圖8 所示,位姿矩陣與逆解最優(yōu)值為

圖6 姿態(tài)1

圖7 姿態(tài)2

圖8 姿態(tài)3
對(duì)三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成了核算,保障了機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的有效性,進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。
實(shí)驗(yàn)分別采用了三次插值軌跡規(guī)劃算法與五次插值軌跡規(guī)劃算法,并且基于對(duì)速度與加速度的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)一步對(duì)軌跡進(jìn)行分析、差分與優(yōu)化。具體流程圖如圖9 所示。

圖9 軌跡規(guī)劃流程圖
實(shí)驗(yàn)中將機(jī)器人初始點(diǎn)與終止點(diǎn)的位置、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度作為限制條件,根據(jù)限制條件的數(shù)量使用五次插值軌跡規(guī)劃方法,配合限制角速度與角加速度的調(diào)節(jié)策略,限定的范圍見(jiàn)表2。

表2 五次插值方法參數(shù)限定表
將機(jī)器人模擬時(shí)間設(shè)為2 s,起始與終止角速度為0,起始點(diǎn)(-200,200,-50),引導(dǎo)點(diǎn)(-150,100,-100),終止點(diǎn)(-200,-50,75),采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)50。初始點(diǎn)關(guān)節(jié)值(2.317 1,2.317 1,2.488 8,-1.621 9,-2.218 4,0),終止點(diǎn)關(guān)節(jié)值(-0.220 2,-0.220 2,2.066 5,-0.161 3,2.796 1,0)。采用五次多項(xiàng)式插值,函數(shù)表達(dá)式如下:
式中 :v0為起始點(diǎn)關(guān)節(jié)速度;v1為終止點(diǎn)關(guān)節(jié)速度;a0為起始點(diǎn)關(guān)節(jié)加速度;a1為終止點(diǎn)關(guān)節(jié)加速度;T=t1-t0;h=q1-θ0,其中 θ0為起始點(diǎn)關(guān)節(jié)角度,q1為終止點(diǎn)關(guān)節(jié)角度。
圖10 包括機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡圖、各關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)性能曲線圖和機(jī)械臂模型圖,驗(yàn)證了五次插值軌跡規(guī)劃方法的優(yōu)越性。根據(jù)其中參數(shù)條件,拖拽式焊接機(jī)器人可達(dá)到一個(gè)連續(xù)且穩(wěn)定的工作狀態(tài)。經(jīng)規(guī)劃后提升了機(jī)械臂的操作空間,進(jìn)而保障了其工作質(zhì)量與效率,降低了故障率與危險(xiǎn)發(fā)生率。

圖10 五次插值效果圖
三次插值軌跡規(guī)劃方法同樣適用于機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃,采取調(diào)節(jié)策略,相關(guān)參數(shù)限定見(jiàn)表3。

表3 三次插值方法參數(shù)限定表
預(yù)實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)軸的平穩(wěn)運(yùn)行,應(yīng)用三次插值軌跡規(guī)劃,函數(shù)表達(dá)式如下:
式中:v0為起始點(diǎn)關(guān)節(jié)速度,v1為終止點(diǎn)關(guān)節(jié)速度,T=t1-t0,h=q1-θ0,q0為起始點(diǎn)關(guān)節(jié)角度,q1為終止點(diǎn)關(guān)節(jié)角度。經(jīng)運(yùn)行,效果圖如圖11 所示。

圖11 三次插值效果圖
求解工作空間的方法主要有數(shù)值法、圖解法和解析法三類,相比于其他方法,數(shù)值法求解方便且直觀,推算準(zhǔn)確性好,不需要額外考慮機(jī)器人避碰等干擾問(wèn)題,并省去了復(fù)雜且直觀性不強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型分析求解。該部分采用蒙特卡洛法對(duì)工作空間進(jìn)行求解。
蒙特卡洛(Monte Carlo)法作為一種重要的數(shù)值計(jì)算方法,其核心思想包括對(duì)問(wèn)題的定義、采樣方法的選擇、目標(biāo)函數(shù)計(jì)算方法的選取、評(píng)估采樣點(diǎn)的數(shù)量定義、工作空間的更新求解、終止條件的判斷,最終輸出反映實(shí)際情況的最優(yōu)數(shù)值解,生成工作點(diǎn)云圖。該方法可自由控制計(jì)算精度與計(jì)算資源的平衡,實(shí)現(xiàn)加速求解,其自身具有靈敏度高、適用范圍大、高度并行化的特點(diǎn)。求解前可巧妙地規(guī)避問(wèn)題的產(chǎn)生,處理高維問(wèn)題優(yōu)勢(shì)顯著,不受維度問(wèn)題影響。運(yùn)用時(shí)需對(duì)關(guān)節(jié)變量范圍進(jìn)行限定,對(duì)樣本點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行綜合考量后選取,機(jī)械臂遍歷取值后生成正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的空間向量集合,繪制點(diǎn)云形式的工作空間視圖。工作流程如圖12 所示。

圖12 工作空間分析流程圖
首先由拖拽式焊接機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到其終端執(zhí)行器的空間位置向量。由式(4)終端位姿矩陣求得位置向量為
設(shè)置取點(diǎn)數(shù)為N=5 000,在Matlab 環(huán)境下調(diào)用Rand 函數(shù)定義(0,1)的均勻隨機(jī)數(shù),生成隨機(jī)步長(zhǎng)L:
隨機(jī)變量為
將式(25)求得的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量隨機(jī)值代入正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解,求得機(jī)械臂終端執(zhí)行器在笛卡爾坐標(biāo)系下的位置向量。設(shè)置迭代次數(shù),按照采樣次數(shù)重復(fù)執(zhí)行步驟,直到達(dá)到隨機(jī)樣本最大值,Matlab 根據(jù)點(diǎn)的收集形式輸出機(jī)械臂工作空間點(diǎn)云圖。
求解工作空間點(diǎn)云圖,XOY、YOZ、XOZ三個(gè)截面投影如圖13 所示。坐標(biāo)軸軸向點(diǎn)云極限尺寸見(jiàn)表4。

表4 拖拽焊接機(jī)器人全局點(diǎn)云尺寸表

圖13 全局點(diǎn)云視圖
為了實(shí)驗(yàn)更符合需求,在滿足焊接條件的同時(shí)縮短生產(chǎn)時(shí)間、提升生產(chǎn)性能、減少無(wú)效或重復(fù)空間占用,進(jìn)行如下限定工作空間的分析求解。該部分采用拖拽示教掃描履遍工況信息,并結(jié)合編程與示教器示教對(duì)掃描后的工況進(jìn)行二次檢查,拖拽過(guò)程中數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地反饋至上位機(jī)。工況由底板、面板、腹板、立板、肘板、補(bǔ)板組成,單位均為mm,板厚均為10 mm,詳細(xì)尺寸如圖14 所示。
加裝工具焊槍與視覺(jué)模組后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所涉用具如圖15~圖17 所示。

圖15 機(jī)械臂加裝實(shí)驗(yàn)圖

圖16 加裝工具模型圖

圖17 拖拽器功能與構(gòu)型圖
如圖15 所示,以工況左端點(diǎn)為零點(diǎn)坐標(biāo)軸右端與上端為正方向。拖拽式焊接機(jī)器人具體實(shí)驗(yàn)工作位姿與坐標(biāo)點(diǎn)信息見(jiàn)表5。

表5 機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)信息表
綜上,實(shí)驗(yàn)得到了最適宜的方案,機(jī)械臂到達(dá)工作起始點(diǎn)后將各軸旋轉(zhuǎn)極限限定,限定點(diǎn)云視圖如圖18 所示,坐標(biāo)軸向點(diǎn)云極限尺寸見(jiàn)表6。

表6 拖拽式焊接機(jī)器人限定點(diǎn)云尺寸表

圖18 限定點(diǎn)云視圖
該實(shí)驗(yàn)基于Matlab 使用改進(jìn)DH 法建系,完成了對(duì)拖拽式焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模驗(yàn)證、分析求解、軌跡規(guī)劃、工作空間分析求解。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中大地坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)重合,使用ZYX的歐拉角表現(xiàn)形式,得到了關(guān)節(jié)末端位姿與各關(guān)節(jié)角間的映襯關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了拖拽式焊接機(jī)器人的合理與穩(wěn)定。
該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)研究和實(shí)際工作提供了理論基礎(chǔ)與重要數(shù)據(jù)支持。結(jié)合該實(shí)驗(yàn)方案使用編程技術(shù)與拖拽示教,可事半功倍地解決實(shí)際問(wèn)題。此工作方式兼?zhèn)渲悄芑c自動(dòng)化的同時(shí),達(dá)成了提升生產(chǎn)性能的最終目的,在減少產(chǎn)品成本消耗與縮短制造周期上產(chǎn)生積極影響。可基于該實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證并開(kāi)發(fā)相應(yīng)算法、系統(tǒng)及更具智能和柔性的機(jī)械臂,在實(shí)際應(yīng)用中可將拖拽式焊接機(jī)器人的裝置拓展,從技術(shù)、系統(tǒng)及種類等方面,以不同形式應(yīng)用在多行業(yè)環(huán)境中。